基于能譜的發(fā)動機螺桿斷裂原因分析

李旭東，高雪霞，穆志韜

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