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01樣品信息及問題描述

 

汽車儀表盤前臂鋁合金安裝套筒在服役一年后發(fā)生斷裂,失效比例為1/30萬,如圖1所示。為此委托實驗室對斷裂樣品進(jìn)行檢測，分析失效的根本原因，以便針對性改善。

 

鋁套筒制造流程：7A03鋁線材→冷鐓→攻絲→熱處理強(qiáng)化→表面防護(hù)處理。

 

套筒是裝配在前座儀表盤后面的，起固定作用，一組有6顆螺柱，承受的力估計10kg左右。若樣品有內(nèi)部裂紋或安裝偏斜，則極易導(dǎo)致斷裂。

 

 

圖1 樣品形貌圖

 

02測試結(jié)果

 

2.1材質(zhì)化學(xué)成分

 

對套筒的化學(xué)成分進(jìn)行測試，結(jié)果如表1所示，可見：

 

·根據(jù)GB/T 3190-2008，套筒的成分符合7A03的成分規(guī)格。

 

表1 安裝套筒成份測試結(jié)果

 

 

2.2試樣斷口SEM +EDS分析

 

斷口清洗后，對其進(jìn)行SEM形貌觀察+EDS成分分析，結(jié)果如圖2~3及表2所示，可以發(fā)現(xiàn)：

 

·裂紋源分布于套筒內(nèi)螺牙根部，表面有摩擦的痕跡，同時周圍斷口變的平滑，應(yīng)該是斷裂面間相互摩擦所致；裂紋源位置有少量異物，成分主要為C、O，可能是沾染的臟污；

 

·擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)呈解理斷裂形貌，未發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞斷裂特征的貝紋線，斷面上有內(nèi)裂紋，裂紋似乎都從內(nèi)螺牙延伸至套筒外壁。

 

 

圖2 試樣斷口形貌

 

 

圖3   EDS成分分析位置（100×）

 

表2   EDS成分分析結(jié)果（wt %）

 

 

2.3斷裂套筒縱剖切片SEM形貌觀察+EDS成分分析

 

對套筒斷口切片進(jìn)行SEM形貌觀察+ EDS成分分析，結(jié)果如圖4~5及表3所示，可見：

 

·位置1、2及斷口位置，都存在一些長短不一的裂紋，裂紋都起源于螺牙根部，向材料內(nèi)部延伸，位置1的裂紋較寬，同時螺牙都存在一些缺口；

 

·位置1的裂紋內(nèi)部成分主要為C、O與周邊鑲埋膠成分一致，應(yīng)為鑲埋膠進(jìn)入試樣造成，未發(fā)現(xiàn)化學(xué)溶液殘留相關(guān)成分，推測套筒的裂紋應(yīng)該產(chǎn)生于表面處理后。

 

 

圖4 斷裂試樣切片形貌

 

 

圖 5 EDS 成分分析位置（500×）

 

表 3 EDS 成分分析結(jié)果（wt %）

 

 

2.4套筒螺牙形貌

 

對斷裂套筒的螺牙形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖 6 所示，可見：

 

·位置1、2的裂紋都是延晶界擴(kuò)展；

 

·螺牙不完整，牙尖都有大小不一的缺口，部分區(qū)域變形。

 

 

圖 6 套筒螺牙形貌(50×)

 

2.5套筒金相組織

 

對斷裂套筒的金相形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖 7~8 所示，可見：

 

·斷裂位置與未斷裂位置的夾雜物尺寸較小。

 

·試樣表層晶粒較為粗大，內(nèi)部及牙部晶粒細(xì)??；

 

 

圖 7 試樣夾雜物形貌圖(500×) 

 

 

圖 8 試樣金相組織(100×)

 

2.6材質(zhì)維氏硬度

 

對斷裂試樣表層與芯部維氏硬度進(jìn)行測量，結(jié)果如表 4 所示，可見： 

 

·試樣的內(nèi)部、牙部、斷口及裂紋位置硬度均~170 HV，僅在試樣表層粗晶層硬度較低，為 156 HV。

 

表4 斷裂試樣維氏硬度測試結(jié)果 

 

 

03分析討論

 

本案中鋁材套筒符合 Al 7A03 材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，夾雜物尺寸較小，除表層局部區(qū)域晶粒較大造成晶硬度下降，其它位置的金相組織及硬度均無異常，表明鋁線材冷加工及熱處理工藝正常。

 

從套筒內(nèi)螺牙上的變形、缺口及其從牙根萌生的裂紋等，可以推斷造成套筒開裂是由于套筒與螺絲組合裝配偏斜造成的。由于裝配偏斜導(dǎo)致配合不牢固，服役過程中易受到橫向作用力，從而在應(yīng)力集中的螺牙位置產(chǎn)生初生微裂紋，微裂紋面在行駛中相互摩擦形成摩擦痕；當(dāng)因行駛條件惡劣導(dǎo)致橫向作用力較大時，初生裂紋便迅速擴(kuò)展，造成套筒的瞬間斷裂。

 

04結(jié)論

 

·套筒符合 Al 7A03 的材質(zhì)及力學(xué)性能的要求，冷加工/熱處理工藝未見明顯異常；

 

·套筒斷口屬于脆性解理模式，裂紋起源于內(nèi)螺牙位置，推測套筒或螺絲安裝過程不當(dāng)造成的，這種裝配組合牢固性略差，不耐橫向作用力沖擊，可能是本套筒斷裂的主要原因； 

 

·建議對套筒及螺絲安裝質(zhì)量自我查證。