基于能谱的发动机螺杆断裂原因分析

李旭东，高雪霞，穆志韬

(1.海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛 266041；2.青岛大学，山东 青岛 266071)

基于能谱的发动机螺杆断裂原因分析

李旭东1，高雪霞2，穆志韬1

(1.海军航空工程学院 青岛校区，山东 青岛 266041；2.青岛大学，山东 青岛 266071)

摘要：针对发动机在地面试车过程中所发生的螺杆断裂事故，利用扫描电镜原位观测技术结合能谱分析技术，分析了导致断裂产生的原因，为后期的设计改进提供了依据。

关键词：断裂；扫描电镜；能谱分析

某发动机在地面试车过程中发生连接杆断裂，宏观断裂外形图如图1所示。断面上具有明显的裂纹痕迹，连接杆的外边缘有一月牙形的裂纹扩展区，这是由于疲劳载荷造成断裂。造成裂纹萌生和扩展的原因难以通过宏观断口进行确定，因此，对该连接杆的断面进行了扫描电镜(SEM)及能谱分析，以便于确定造成疲劳破坏的原因[1-4]。

图1　杆件断裂外形图

1扫描电镜及能谱分析

将现场已经断裂的杆件，用无水乙醚浸泡48 h，除去表面油污等痕迹后，放入SEM真空腔内得到形貌图如图2所示。图2中矩形框内的局部放大图如图3所示，对图3中的一条长裂纹尖端进行放大得到的局部放大图如图4所示。

图2　断裂后的连接杆　　　图3　多条裂纹附近局部　表面形貌图　放大图

图4　裂纹尖端附近局部放大图

图2是断裂杆件的断口形貌，图中展示了多条裂纹的存在，根据材料的断裂机理判断，这种多条裂纹的发生与扩展多在较脆性的材料中才会发生。在图2所示的区域1和区域2分别进行能谱分析(见图5和图6)。连接杆件基体材料主要是铁基材料，含有少量的铝、硅元素。而上述所提到的可能夹杂位置的化学元素成分与基体材料有很大不同，主要成分为碳，硅的含量也达到基体材料的2倍多，此外锰、钙含量也比较多，这些非金属元素的聚集形成一个以碳元素为主体的夹杂。在图4中的区域3上进行了能谱分析(见如图7)。图5~图7分别对应的元素含量见表1~表3。图7与图5、图6的元素分析结果基本一致，因此，这些元素不是影响这些裂纹形成的主要原因。从图4可以看出，该断面除了有很多蜂窝状的表面外，还有多条裂纹。“蜂窝”是材料断裂时发生的局部变形所致，裂纹边缘有较多的夹杂物，而且表面很光滑，反推出造成裂纹萌生的原因是材质中的非金属夹杂物，裂纹扩展主要沿着有夹杂的平面。由于基体材质含夹杂较多，所以在外力的作用下容易使裂纹向夹杂位置处扩展，继而出现多条裂纹。

图5　裂纹附近区域1处的能谱图

图6　裂纹附近基体材料的能谱图

图7　多条裂纹间的能谱图

(%)

表2　裂纹附近基体材料的元素含量　(%)

表3　多条裂纹附近的元素含量　(%)

2 结语

通过上述分析，得出如下结论。

1)螺杆材质存在较多的非金属夹杂物(主要是硅、硫)，正是这些元素与基体铁不能很好的粘接，形成原始缺陷。

2)事故中的连接杆断面上有较多的非金属夹杂物，而且在可观测到的裂纹尖端及附近都有该类夹杂物；因此，可以断定裂纹萌生是由该夹杂物所致，并且裂纹扩展主要在夹杂物附近。

参考文献

[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.

责任编辑彭光宇

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

作者简介：李旭东(1984-)，男，讲师，硕士，主要从事材料腐蚀疲劳评估以及材料防护等方面的研究。

中图分类号：TG 171；V252

文献标志码:A