汽车发动机风扇叶片断裂分析.docx

JournalofYunnanUniversity汽车发动机风扇叶片断裂分析①斌1)王开云2)李(1)云南省分析测试中心,昆明,650051;2)昆明师范高等专科学校物理系,昆明,650031)摘要通过对断裂叶片的宏观、微观分析而找出叶片断裂原因,为生产工艺改进提供依据.关键词叶片,断裂,分析分类号TB302.5某汽车厂生产的发动机风扇因风扇叶片断裂而发生打坏发动机的事故,风扇叶片是在高速旋转时发生断裂的,最初断裂的叶片使高速旋转中的其它叶片被搅断,并打坏发动机的水箱散热片,要求对其分析查找原因.艺过程如下:剪切—→冲压成型—→铆接风扇总成—→装配.检测结果表明:装配情况正常.1.2化学成分分析结果见附表,分析结果化学成分合格1.1.3断口分析(1)仪器设备:日本岛津公司EPMA-8705型电子探针(2)实验条件:加速电压:20KV,束流:0.20nA.实验与方法11.1结构检测该汽车风扇叶片的用材为YL12铝合金,其工附表风扇叶片化学成分Tab.Chemicalcompostionoffanvane%CuSiMgMnBuZnFe其它杂质GB3190282YL12实测结果单个0.50合计0.103.8～4.01.2～1.00.30～0.90.100.500.300.504.210.381.710.640.030.10(3)宏观观察:断裂风扇叶片共2付,一付断裂一片,一付断裂三片,如图1所示.可看出,裂纹均穿过叶片中部的冲压变形区,其中断裂三片的一付中的一片与断裂一片的都存在裂纹穿过时形状较规则,该叶片宏观变形量小,断口平齐,裂纹起源于中间的变形台阶处,有的该处颜色因氧化而发暗,甚至有油漆渗入的痕迹,说明该处较早即已开裂,可能在装配上漆前裂纹即已形成,并由此而扩展,有较为明显的疲劳弧线,最后瞬断,图1中箭头所指即是最先疲劳断裂的叶片,其余叶片都有较大的宏观变形,断口粗糙不平,又由于叶片很薄,从宏观对裂纹走向的判断存有困难,但大致可看出裂纹起源于叶片两侧,其余二片根据其宏观变形纽曲断裂推断其应为断裂叶片将其搅断的.图1样品原貌Fig1.Thesampleoffracturevane①1998202226收稿物理学专辑李斌等:汽车发动机风扇叶片断裂分析155(4)用电镜对断口进行形貌观察:①疲劳裂纹起源处肉眼看颜色较暗,为氧化物所覆盖,经除锈后在电镜下观察,可以看到韧窝状形貌,如图2所示,说明该处没有经过疲劳过程,而是在此之前即存在裂纹,并最终形成裂纹源,同时对疲劳区的观察结果表明,疲劳裂纹极为细密,说明裂纹扩展速度很慢,而最后的瞬断区面积很小,为韧窝状形貌,这一切都进一步说明叶片是经历了很长的疲劳过程最后才断裂的2.②对其它一次性断裂叶片多处取样分析,断口开始均为等轴韧窝,而后面的小部分为剪切韧窝3,如图3所示,未发现疲劳特征,这与该叶片在高速旋转中突然受阻而断裂的受力情况一致.图2韧窝状形貌Fig2.Thesurfaceofthefracturevane图3剪切韧窝形貌Fig3.Thecutofthefracturevane1.4超声波探伤由以上断口分析可看出,叶片断裂应与其冲压变形即存在的原始裂纹有极大关系,因此有必要了解叶片生产现场,从生产现场冲压成形的叶片外观看,冲压变形的边缘区有明显成度不等的擦伤和变形痕迹,但无法用肉眼观察到是否有裂纹的存在,为此取20片进行超声波探伤,超声波探伤认定有裂纹的根据是冲压变形边缘区有较高的反射波峰,但又因该区粗糙度较大,每个样品都有高度不等的反射波峰,因此须由操作者凭经验判断,有必要作进一步的验证,将一片探伤认为有裂纹的叶片在电镜下对裂纹区进行观察,可以看到裂纹是存在的,如图4所示,由此说明裂纹确实存在于冲压变形的边缘.有裂纹的叶片约占总数的15%.图4裂纹形貌Fig4.Thecrackoffracture参考文献结果与讨论2上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术.上海:上海市科学技术文献出版社,1987.52～55王世炎,破断故障金相分析.北京:国防工业出版社,1979.32～35陈虎.金属断裂研究文集.北京:冶金工业出版社,1978.18～20(下转第158页)1综上所述,叶片的断裂是由于在冲压过程中使部分叶片在冲压变形区就造成裂纹的存在,在使用过程中由此裂纹源扩展形成疲劳断裂,然后再搅断其它叶片.而在冲压中形成的裂纹主要是由于模具设计不当,使叶片与模具间摩擦力太大,叶片变形不均而因起裂纹的.因此须对模具及工艺进行修改.23云南大学学报(自然科学版)第20卷158图5断裂点Fig5.Thesplitpartofthepipe图6断裂形貌Fig6.Theshapeofthesplitthepipepipe参考文献1西北工大.有色金属锻造.北京:国防工业出版社,1979.58～612候公伟