中國壓鑄雜志
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白小姐资料一肖中特马131:汽車發動機支架斷裂原因分析

作者:admin 來源:原創 發表時間:2015-09-30



文:曹華偉
        摘要:某汽車發動機支架所采用的材料為ADC12壓鑄鋁合金,該支架沿整個截面處發生斷裂失效。為了確定該支架的斷裂原因對該支架進行了斷口宏觀形貌觀察、材料化學成分分析、金相顯微組織分析、硬度測試、斷口微觀SEM觀察分析及EDS能譜測試分析。結果表明,材料的化學成分與標準要求不符、硬度略低于標準要求以及材料內部出現鑄造孔洞是導致支架斷裂的主要原因,并針對斷裂原因提出了相關改善措施。
        關鍵詞:鋁合金 發動機 支架 斷裂失效
        發動機支架是發動機上的重要零部件,它的主要作用為固定發動機并降低發動機向車架傳遞振動。汽車發動機支架為發動機與整車的連接件,同時作為發動機的安全件,在汽車行駛過程中承受較大的正應力和切應力,容易發生斷裂。
        某汽車公司發動機支架所采用的材料為ADC12壓鑄鋁合金,該支架在安裝后行駛約100 km時沿整個橫截面發生斷裂。為了確定該支架的斷裂原因,對該支架進行了斷口宏觀觀察分析、材料化學成分分析、金相顯微組織分析、硬度測試、EDS 能譜測試分析及掃描電鏡分析測試。在理化試驗的基礎上,結合微觀斷口形貌和斷裂機理對支架的斷裂原因進行分析,并根據斷裂原因提出相關改善措施。
1 試驗方法和結果
1.1 試驗對象
        試驗對象為某汽車公司行車過程發生斷裂的汽車發動機支架,該支架材料為ADC12壓鑄鋁合金。


1.2 宏觀斷口觀察
        斷裂支架的外觀整體形貌見圖1;采用光學顯微鏡對該鋁合金支架進行斷口宏觀觀察,發現其斷口表面呈暗灰色,斷口包含了纖維區、放射區和剪切唇區三個區域,斷裂支架斷口宏觀形貌見圖2;采用3D數碼光學顯微鏡對斷口表面進行觀察,斷口表面各區域均可見大量鑄造孔洞,且分布隨機,斷口表面孔洞見圖3。


1.3 成分測試
        采用火花直讀光譜儀對斷裂支架的材料成分進行測試,并將測試結果與標準JIS H5302-2006中ADC12的成分要求進行對比,結果見表1。由表1可以看出,與標準中的要求相比,該斷裂失效的支架材料中Cu的含量偏低,Si和Fe的含量偏高。斷裂支架材料的化學成分不符合JIS H5302-2006中ADC12的成分要求。


1.4 斷口顯微觀察
        在支架斷口表面附近區域及遠離斷口區域切取金相試樣,經0.5%氫氟酸水溶液腐蝕后觀察金相組織,如圖4所示。從圖中可見白色的α固溶體呈枝晶狀和塊狀分布,其基體為α+Si共晶體,共晶硅呈段條狀分布,此外在共晶體中存在部分黑色點狀物質,與標準ADC12的金相顯微組織無明顯差異。
        所切取的金相樣品經研磨拋光后表面可觀察到明顯的孔洞,有的裂紋起源于孔洞處,且裂紋貫穿孔洞。將金相樣品經過腐蝕后發現,表面可見的孔洞在內部是連通的,可看作為一個孔洞,如圖5和圖6所示。由圖6可知,該支架材料內部的孔洞的最大尺寸為 431.3 μm,
且多數孔洞的尺寸大于200 μm。


1.5 硬度測試
采用布氏硬度計對支架材料進行硬度測試,實驗結果見表2。由測試結果可知該斷裂支架的硬度值比標準的要求值略低。


1.6 失效樣品斷口SEM測試
采用 SEM 對支架斷口進行表面微觀形貌觀察,在觀察之前對斷口表面采用超聲清洗和吹掃,以排除斷口表面有外來物的可能,由SEM觀察可見斷口所有區域的形貌均有韌窩特征,如圖 7 所示,同時在


斷口表面能明顯看到二次裂紋和鑄造孔洞,靠近斷口表面處存在裂紋(圖8)。同時在斷口韌窩處有第二相顆粒存在(圖9)。

 

1.7 斷口缺陷部位EDS分析
采用 EDS 能譜儀對斷口表面第二相顆粒(圖8b 圖中的白色光亮點顆粒和圖 9 韌窩中圓形顆粒)的成分進行分析,EDS譜圖及各元素含量分別如圖10和圖11所示。


        從測試結果可知,白色光亮點顆粒的主要含有 C、O、Al、Si 元素,其質量分數分別為 52.14%、6.25%、23.23%和5.66%,韌窩中圓形顆粒處的能譜分析表明該處基本不含C和O,Al和Si元素的質量分數分別為74.61%和18.63%。這些C和O可能為澆注過程中帶入的渣滓及氧化膜而形成的。C元素易和Al結合形成Al4C3等脆性相,這些脆性相顆粒的存在割裂了基體材料的連續性,易成為裂紋源,降低了材料的力學性能。
2 試驗結果分析
        上述試驗結果表明,斷裂支架材料的化學成分不滿足相關標準的要求,該失效的支架材料中Cu含量偏低,Si和Fe含量偏高。Cu含量偏低降了低合金材料的流動性、抗拉強度和硬度。Si和Fe是雜質元素,對合金材料的性能有顯著的影響,含量過高時會使鑄件產生裂紋。斷口顯微觀察的結果表明,該支架材料內部含有較多的鑄造孔洞,斷口表面有些裂紋起源于孔洞處。通過SEM觀察發現,斷口形貌以韌性斷裂為主,在整個斷口表面存在較多的韌窩,斷口表面附近位置存在裂紋,并且在斷口表面區域存在鑄造縮孔和第二相顆粒。
ADC12壓鑄件中孔洞與力學性能關系研究表明,在ADC12壓鑄生產過程中,必須將孔洞的最大尺寸控制在180 μm以下,否則將會影響壓鑄件的力學性能??錐吹奶寤質蕉?,尺寸越大,壓鑄件的力學性能就越差。該斷裂支架的材料內部的孔洞最大尺寸為 431.3 μm,且多數孔洞的尺寸均大于200 μm,鑄造孔洞的尺寸超出了應控制尺寸的上限。材料的硬度測試結果表明該支架材料的硬度值略低于 JIS 標準要求的范圍。由于鑄造過程中引入的孔洞大于標準所要求的尺寸范圍,使得材料的力學性能下降,導致該支架在使用過程中發生斷裂。
3 結論
        斷裂支架材料的化學成分不符合要求,同時失效支架的材料中存在尺寸較大的鑄造孔洞。支架材料在鑄造加工過程中殘留的鑄造孔洞較多且分布隨機,這些鑄造孔洞的存在降低了材料的性能,同時存在脆性的第二相顆粒割裂基體材料的連續性,使其性能降低,導致該支架在使用過程中發生斷裂失效。
由于該支架斷裂與材料本身成分及鑄造缺陷相關,因此可以通過改善材料的鑄造工藝過程來進行改善。比如,控制材料成分中的Si、Fe等元素含量,使其成分更接近共晶成分,提高流動性;加強熔煉過程的控制,在滿足要求的前提下降低熔煉溫度及減少熔煉時間,減少Fe含量的增加,有利于消除孔洞缺陷;在成分滿足要求的前提下,可適當增加合金液中 Ti 元素的含量抑制樹枝晶的長大,起到細化晶粒的作用;同時還可以在材料鑄造過程中采用精煉除氣的方法以降低合金液中的氧化物夾雜和含氣量。
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