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        基于能譜的發(fā)動機螺桿斷裂原因分析

        2015-03-04 05:57:14李旭東高雪霞穆志韜
        新技術(shù)新工藝 2015年8期

        李旭東,高雪霞,穆志韜

        (1.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū),山東 青島 266041;2.青島大學(xué),山東 青島 266071)

        基于能譜的發(fā)動機螺桿斷裂原因分析

        李旭東1,高雪霞2,穆志韜1

        (1.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū),山東 青島 266041;2.青島大學(xué),山東 青島 266071)

        摘要:針對發(fā)動機在地面試車過程中所發(fā)生的螺桿斷裂事故,利用掃描電鏡原位觀測技術(shù)結(jié)合能譜分析技術(shù),分析了導(dǎo)致斷裂產(chǎn)生的原因,為后期的設(shè)計改進提供了依據(jù)。

        關(guān)鍵詞:斷裂;掃描電鏡;能譜分析

        某發(fā)動機在地面試車過程中發(fā)生連接桿斷裂,宏觀斷裂外形圖如圖1所示。斷面上具有明顯的裂紋痕跡,連接桿的外邊緣有一月牙形的裂紋擴展區(qū),這是由于疲勞載荷造成斷裂。造成裂紋萌生和擴展的原因難以通過宏觀斷口進行確定,因此,對該連接桿的斷面進行了掃描電鏡(SEM)及能譜分析,以便于確定造成疲勞破壞的原因[1-4]。

        圖1 桿件斷裂外形圖

        1掃描電鏡及能譜分析

        將現(xiàn)場已經(jīng)斷裂的桿件,用無水乙醚浸泡48 h,除去表面油污等痕跡后,放入SEM真空腔內(nèi)得到形貌圖如圖2所示。圖2中矩形框內(nèi)的局部放大圖如圖3所示,對圖3中的一條長裂紋尖端進行放大得到的局部放大圖如圖4所示。

        圖2 斷裂后的連接桿   圖3 多條裂紋附近局部 表面形貌圖 放大圖

        圖4 裂紋尖端附近局部放大圖

        圖2是斷裂桿件的斷口形貌,圖中展示了多條裂紋的存在,根據(jù)材料的斷裂機理判斷,這種多條裂紋的發(fā)生與擴展多在較脆性的材料中才會發(fā)生。在圖2所示的區(qū)域1和區(qū)域2分別進行能譜分析(見圖5和圖6)。連接桿件基體材料主要是鐵基材料,含有少量的鋁、硅元素。而上述所提到的可能夾雜位置的化學(xué)元素成分與基體材料有很大不同,主要成分為碳,硅的含量也達到基體材料的2倍多,此外錳、鈣含量也比較多,這些非金屬元素的聚集形成一個以碳元素為主體的夾雜。在圖4中的區(qū)域3上進行了能譜分析(見如圖7)。圖5~圖7分別對應(yīng)的元素含量見表1~表3。圖7與圖5、圖6的元素分析結(jié)果基本一致,因此,這些元素不是影響這些裂紋形成的主要原因。從圖4可以看出,該斷面除了有很多蜂窩狀的表面外,還有多條裂紋?!胺涓C”是材料斷裂時發(fā)生的局部變形所致,裂紋邊緣有較多的夾雜物,而且表面很光滑,反推出造成裂紋萌生的原因是材質(zhì)中的非金屬夾雜物,裂紋擴展主要沿著有夾雜的平面。由于基體材質(zhì)含夾雜較多,所以在外力的作用下容易使裂紋向夾雜位置處擴展,繼而出現(xiàn)多條裂紋。

        圖5 裂紋附近區(qū)域1處的能譜圖

        圖6 裂紋附近基體材料的能譜圖

        圖7 多條裂紋間的能譜圖

        (%)

        表2 裂紋附近基體材料的元素含量 (%)

        表3 多條裂紋附近的元素含量 (%)

        2 結(jié)語

        通過上述分析,得出如下結(jié)論。

        1)螺桿材質(zhì)存在較多的非金屬夾雜物(主要是硅、硫),正是這些元素與基體鐵不能很好的粘接,形成原始缺陷。

        2)事故中的連接桿斷面上有較多的非金屬夾雜物,而且在可觀測到的裂紋尖端及附近都有該類夾雜物;因此,可以斷定裂紋萌生是由該夾雜物所致,并且裂紋擴展主要在夾雜物附近。

        參考文獻

        [1] Xue Y,El Kadiri H,Horstemeyer M F,et al. Micro mechanisms of multistage fatigue crack growth in a high-strength aluminum alloy[J]. Acta Mater,2009,55(2) :1975-1984.

        [2] Li X D,Wang X S,Ren H H,et al. Effect of prior corrosion state on the fatigue small cracking behaviour of 6151-T6 aluminum alloy[J]. Corrosion Science,2012,55(2) :26-33.

        [3] Wang X S,Li X D,Ren H H,et al. SEM in-situ study on high cyclic fatigue of SnPb-solder Joint in the electronic packaging[J]. Microelectronics Reliability, 2011,51(8):1377-1384.

        [4] Li X D,Mu Z T,Liu Z G. SEM in-situ study on pre-corrosion and fatigue cracking behavior of LY12CZ aluminum alloy[J]. Key Engineering Materials,2012,525/526:81-84.

        責任編輯彭光宇

        Fracture Analysis of Motor Screw based on Energy Spectrum

        LI Xudong1,GAO Xuexia2,MU Zhitao1

        (1. Qingdao Campus of Naval Aeronautical Academy, Qingdao 266041, China;2. Qingdao University, Qingdao 266071, China)

        Abstract:Fracture accident occurs during a trial run of a motor. The present thesis makes a research to identify the reason for connection screw fracture based on scanning electronic microscope (SEM) and XRD analysis, and propose the experience for future improvement.

        Key words:fracture, SEM, energy spectrum analysis

        收稿日期:2015-01-13

        作者簡介:李旭東(1984-),男,講師,碩士,主要從事材料腐蝕疲勞評估以及材料防護等方面的研究。

        中圖分類號:TG 171;V252

        文獻標志碼:A

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