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汽车发动机悬置支臂断裂失效分析

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-06-13  来源:中国汽车材料网   [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:汽车发动机悬置支臂断裂失效分析
   摘要: 某公司生产的汽车发动机悬置支臂安装成车后运行20 公里发生断裂,对断口进行宏观观察和扫描电镜观察,分析了材料的化学成分和金相组织。结果表明:断口分为平坦区、细区和粗区三个部分。其中平坦区为疲劳裂纹起始和扩展区,属于疲劳区;细区和粗区为断裂区,粗区的断裂速度比细区更快。因此,支臂断裂属于疲劳破坏。从支臂断件上取样做疲劳模拟实验,再现了实物断口上的平坦区特征,进一步证实了平坦区属于疲劳断裂。
  
  关键词: 发动机支臂;铸造铝合金;疲劳断裂;失效分析
  
  悬置支臂是汽车用来悬挂发动机的部件,它除了承载发动机的重量外,还在汽车运行过程中起缓冲和减震的作用。某单位生产的悬置支臂安装成车后运行约20 公里发生断裂,为了查明断裂原因,预防事故再次发生,避免不必要的经济损失,对发生断裂的悬置支臂进行分析。随后生产单位又相继送来未经使用的相同部件采用拉断和压断的断口,也一并进行分析比较,以便准确判定故障件的断裂性质。
  
  1 检验分析
  
  1.1 化学成分分析
  
  悬置支臂所用材料为铸造铝合金,合金牌号是ZAlSi7MgA,合金代号是ZL101A,铸造成型后经T6热处理,支臂部件表面经喷丸处理。支臂的化学成分经厂家复验,结果符合国家标准GB/T1173-1995《铸造铝合金》的要求,详见表1。
  
  1.2 宏观断口分析
  
  对悬置支臂断口形貌进行宏观观察,如图1(b)所示。从断裂纹理可以看出断口分为三个区域。首先,在断口的右侧尖角端部靠近外表面(白箭头1所指)有一个比较窄的平坦区,从宏观上看,此处颜色发亮比较明显,与其它部位不一样。图1(c)是该区域进一步放大的照片(白箭头所指),这部分断面很平滑,按照疲劳裂纹宏观特征规律来判断,该处应该是裂纹起始处。其次,在断口上沿着两个尖角向里延伸,有一个断裂纹理较细的区域,称为细区,如图1(b)中的2区,这部分断口比较平,过了这一区域再向里,断裂纹理变得粗糙,称之为粗区,如图1(b)中的3区。而且,可以看出粗区与细区之间界限比较明显(图1(b)中黑箭头所指)。
  
  1.3 扫描电镜断口分析
  
  将悬置支臂断口置入Quanta 600 扫描电镜中进行观察分析,图2(a)是悬置支臂断口平坦区位置的微观形貌,图的最下部为尖角端部外表面,平坦区(图中A区)紧靠近表面,而且断口表面很平滑,图中B区断口表面则要粗糙些。将A区进一步放大可看更清楚一些如图2(b)所示,从图中可以看出轻微摩擦痕迹,还有一些小坑。图2(c)给出了细区的断裂形貌,断口主要以韧窝为主。进入粗区断口上除了韧窝以外同时还出现断裂小平面(A所示)以及二次裂纹(黑箭头所指),如图2(d)所示表明断裂应力很大。在细区和粗区的断口上没有出现摩擦痕迹,它们的形貌表现为瞬时拉断的断裂特征,这也说明这两个区域是在一次过载的情况下断裂的。
  
  在对悬置支臂断口观察过程中发现大量疏松孔洞,且尺寸较大,在低倍数下(50 倍)就能够看到,图2(e)示出了悬置支臂断口上疏松孔洞情况。可以看出悬置支臂断口上存在大量的疏松,而且比较密集。图2(f)是悬置支臂断口上局部疏松孔洞放大形貌,可以看到除了疏松孔洞(黑色孔洞)外还有裸露的疏松自由表面(黑箭头所指),而且很密集,可以看出疏松很严重,疏松占据了相当大的面积,这将严重影响材料的力学性能,会使抗疲劳能力急剧降低。
  
  1.4 金相组织分析
  
  从断裂的悬置支臂上切取试样制备成金相样品,用Olympus GX71 倒置式系统金相显微镜进行组织观察,图3(a)是悬置支臂的金相组织,其组织主要为α固溶体(白色)成枝晶状分布,Si共晶呈颗粒和细小条状分布于枝晶间,组织较均匀。图3(b)为悬置支臂组织的高倍像,Si共晶呈小颗粒和细小条状分布;另外,在组织中出现针状相,经能谱分析含有Al、Si和Fe,应该是β相(Al9Fe2Si2),如图4所示。
  
  2 结果分析与讨论
  
  2.1 断裂性质分析
  
  悬置支臂断口的宏观及微观观察分析结果表明,在断口上除了比较窄的平坦区外,其它部分都表现为一次过载断裂,且断裂纹理不是很清晰。为了进一步说明问题,又将两个未经使用的相同部件采用拉断和压断,进行断口比较分析。所谓拉和压只是断裂的起裂点不同,拉与压受力方向相反。图5(a)给出了试验机做支臂断裂实验及拉、压方向。图5(b)和图5(c)分别是拉断试样和压断试样断口形貌,白箭头所指处为起裂点。从这两个断口上可以看出,断裂纹理清晰、连续,放射状纹理明显(图中黑箭头所指)。断裂从起裂点开始,然后向前扩展直至最后断裂,断裂纹理的连续性说明断裂过程是一次形成的。需要注意的是,每个断口的粗糙程度基本一样,没有粗区与细区之分;无论是拉断还是压断在断口上均未出现平坦区。显然,与运行20 公里断裂的悬置支臂断口不一样。通过比较说明运行20 公里断裂的悬置支臂不是一次过载断裂,而是裂纹由表面或疏松孔洞起始到扩展然后断裂这样一个过程,属于疲劳断裂。为了验证运行20 公里断裂的悬置支臂断口上平坦区是否属于疲劳断裂,从运行20公里断件上取样做疲劳模拟实验,经11.7万次循环后产生疲劳断裂。图6(a)给出了疲劳模拟试验试样部分断口的低倍像, 字母A标示断口平坦区。图6(b)进一步给出疲劳模拟试验试样断口疲劳区中的平坦区(图中A位置)。平坦区大小以及形貌基本上与运行20公里断裂悬置支臂一样,进一步证实了平坦区属于疲劳断裂。另外,在对平坦区的微观观察中发现有小的凹坑,类似于韧窝,见图2(b)和图6(c),但它不是韧窝,它可能是裂纹在扩展过程中与微小的疏松孔洞相切而形成的。
  
  2.2 断裂原因分析
  
  运行20公里断裂的悬置支臂属于早期失效,究其原因应该与材料的制造工艺和质量有关。对该断裂的悬置支臂断口观察发现大量的疏松孔洞,在拉断和压断部件的断口上也有疏松孔洞。拉断部件的疏松孔洞比较严重,而压断部件的疏松孔洞不仅数量少而且尺寸也小,说明生产工艺不稳定。疏松孔洞是一种冶金缺陷,由于疏松割裂了晶粒间的联系,它严重影响材料的力学性能,尤其当疏松孔洞出现在部件的表面或亚表面对疲劳性能影响甚大,疏松孔洞容易产生应力集中从而诱发疲劳裂纹。另外,疏松太多或过于密集,使部件的有效面积减少,实际应力增大,容易造成早期失效。该断裂悬置支臂的疏松之间距离很近,对力学性能产生很大影响,使材料的抗疲劳性能急剧降低,因此,疏松孔洞容易诱发疲劳裂纹,当疲劳裂纹扩展很短距离后就产生突然断裂。
  
  2.3 有害元素控制
  
  3 结论
  
  1)20公里悬置支臂断口分为三个区域,平坦区为疲劳裂纹起始和扩展区,属于疲劳区;细区和粗区为断裂区,在粗区的断裂速度比细区更快。其断裂过程是,首先疲劳裂纹从表面或靠近表面疏松孔洞周围形成,然后向里扩展了很短距离后导致支臂断裂。断口上的平坦区是疲劳裂纹在扩展过程中形成的,因此,20公里悬置支臂属于疲劳断裂。
  
  2)为了验证20公里悬置支臂断口上的平坦区是否属于疲劳断裂,从20公里断件上取样做疲劳模拟实验。所做的疲劳模拟实验结果与实物件相吻合,再现了实物断口上的平坦区特征,证实了平坦区属于疲劳断裂。
  
  3)除了压断断口以外,其它三个断口上都存在大量的疏松孔洞,20公里悬置支臂的疏松孔洞更为严重,疏松尺寸大而且密集,使部件的有效面积减少,实际应力增大,降低了材料抵抗疲劳的能力,这是导致支臂早期失效的原因。建议生产单位的改进措施:加强有害杂质元素铁含量的控制,改进铸造工艺减少疏松等。
 
关键词: 发动机 失效分析
 
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