在2001－2002年期间, 6110系列柴油机气门失效发生断裂的故障率高达5.4‰，且失效气门多为排气门，失效的形式主要是杆部断裂、杆部与圆盘过渡部断裂、圆盘部断裂。排气门断裂常常造成发动机捅缸等恶性事故，给用户和企业带来了较大的经济损失。在解决气门断裂事故和改进气门服役性能过程中，我们作了大量的气门失效分析工作。其中由于配气系统跟随性不好，气门与活塞干涉造成的断裂问题，我们称其为“飞脱”现象；由于零件制造原因，装配后气门与气门导管间隙过大或过小，引起卡滞或积碳后卡滞，引起跟随性不好，发生气门与活塞干涉造成的断裂问题；由于燃烧不好，温度过高，“过烧”造成的气门断裂或掉块问题等。在对4件典型失效排气门的分析过程中，我们发现这些排气门断裂皆为疲劳断裂，裂纹主要以沿晶断裂+穿晶脆性断裂方式扩展。尽管排气门杆部受弯曲载荷、高温燃气烧蚀是导致断裂的外界因素，但气门基体组织不稳定，在高温运行条件下，发生胞状分解，形成M23C6+γ组成的层状组织，是导致排气门断裂失效的一个非常重要的内在因素。柴油机排气门头部材料为5Cr21Mn9Ni4N（21-4N）耐热钢。作为国内外普遍使用的排气门用钢，它在高温运行过程的组织热稳定性一直是学者、制造厂商及用户关心的问题。排气门的可靠性与其组织有密切的关系，而热处理是改变控制组织的重要手段之一。许多制造厂商研究选择合适的热处理工艺，使之达到相对稳定的组织状态，以保证排气门优良的使用性能。此外，通过添加适当的合金元素对21－4N钢的热稳定性有一定的改善。使用前的组织状态对排气门的时效特性或服役性能有较大的影响，因此，21-4N钢的晶粒度、混晶度、特别是层状组织级别都被纳入常规检验。基体中存在层状组织会影响排气门的高温使用性能。但是值得注意的是即使常温下无层状组织的基体，在高温服役的过程中可能析出大量有害的片层状碳化物M23C6，降低排气门的高温使用性能。本文选择两种不同原始组织状态H及J系列的21-4N钢进行模拟等温及变温时效处理。利用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微术（SEM）及透射电子显微术（TEM）跟踪研究了时效过程中组织结构变化，并讨论了原始组织状态、不同时效特性对排气门高温服役性能的影响，确定了影响21-4N耐热钢组织热稳定性的因素。通过研究本文得出以下主要结论：H系列的21-4N钢原始组织由奥氏体基体+链状M23C6碳化物组成，奥氏体晶粒较细，碳化物分布较均匀。J系列排气门21-4N钢原始组织由奥氏体基体和粗粒状M23C6碳化物组成，奥氏体基体存在较严重的混晶，碳化物分布不均匀，在奥氏体晶粒较细的区域分布较多,反之较少。<WP=56>较细的基体组织或较多的晶界对裂纹的扩展有阻碍作用，呈链状分布适当大小及间距的碳化物颗粒（M23C6）对晶界有强化作用。具有粗大晶粒的基体对裂纹扩展或互相贯通有利，从而加速断裂失效过程。21-4N钢原始组织状态直接影响其组织稳定性。在模拟时效过程中，不稳定的基体组织容易发生分解形成层状组织（M23C6+(），甚至析出片状(相。 H系列排气门21-4N钢组织较稳定，既使发生分解其组织为奥氏体基体上分布着粒状的M23C6。在较高温度及较长时间时效会析出少量的(相。J系列排气门的21-4N钢组织稳定性相对较差，在时效过程中极易发生胞状分解，形成层状组织—奥氏体基体上分布着片状或条状的M23C6及少量的(相。层状组织的形成会在奥氏体和晶界胞状相的相界处产生应力集中，促进裂纹沿相界面萌生并迅速扩展，降低晶界强化效果。高温实际服役排气门的组织结构分析结果表明，原始组织结构对21-4N钢高温服役性能有较大影响。断裂失效排气门的晶界碳化物数量较少，基体晶粒尺寸较大且不均匀，晶界上碳化物的面密度较小，因而晶界脆性裂纹容易形成和扩展，不良的原始组织状态是导致排气门过早失效的原因之一。层状组织大量形成是导致排气门过早失效的主要原因。与模拟等温时效实验结果一致，不稳定的组织在高温服役过程中发生胞状分解，形成层状组织（(+M23C6），甚至形成片状的(相。这种胞状间隙相不仅割裂了基体，使基体强度、承载能力大大降低，还极易使气门在应力集中部位萌生裂纹，甚至促进燃气沿晶腐蚀。排气门在经历了较短的疲劳扩展后发生沿晶断裂。 根据失效分析和模拟研究结果，对J系列气门生产厂提出了采用进口21-4N耐热钢的要求，保证其原材料的可靠性，同时提出了对气门热处理过程进行改进，改善气门使用前的组织状态的要求。 J系列气门生产厂采用了进口21-4N耐热钢材料，经过多次生产试验，将气门的固溶处理调整为半固溶处理。对改进后的排气门进行了1000h的动态循环可靠性试验，排气门可靠性考核评价良好，将经过高温服役的气门，利用SEM进行分析，不良析出物(+M23C6大大减少。 2002年末改进后的排气门批量投产，通过对2003年社会反馈故障的统计分析，排气门断裂故障率已由过去的5.4‰降为1.6‰，改进效果较为明显。