某油缸體斷裂原因分析

摘 要：某7075材料，T6狀態(tài)的油缸體，在壓力為14Mpa的工作壓力下工作約1.5小時，發(fā)生斷裂。采用化學成分分析、金相檢驗、機械性能檢測及斷口分析等方法對該油缸體的斷裂性質(zhì)及原因進行了分析。結(jié)果表明，該油缸體因倒角加工不良，在倒角處存在嚴重的應(yīng)力集中。在承受較大載荷的情況下，在該應(yīng)力集中處產(chǎn)生了多源解理裂紋并最終斷裂。

關(guān)鍵詞：油缸體；準解理；多源斷裂；應(yīng)力集中

1 概述

某鋁業(yè)公司新研制一油缸體，材料為7075鍛件，熱處理狀態(tài)為T6狀態(tài)。據(jù)委托方反映，該油缸體在14MPa的工作壓力下工作1.5小時左右，發(fā)生斷裂。該油缸是某公司新研制的重點產(chǎn)品，能否準確找到失效原因并進行改進，對委托方的科研生產(chǎn)及經(jīng)濟效益影響很大。

2 分析檢測

2.1 宏觀分析

所送油缸體的宏觀形貌如圖1所示，該油缸體由油缸壁與一個平面組成，我們由于不清楚該油缸體的裝配情況，所以假設(shè)該平面為油缸體底面，該底面與油缸壁交接處有一個倒角。斷口位置與形貌如圖1所示，整個斷口表面粗糙、高低起伏較大。

相對于圖1所示的底面，其中有一段斷口較低且較平坦，比較靠近圖1所示的底面，剛好位于倒角的上方，該處斷口宏觀形貌如圖2所示，可以看出在靠近斷口內(nèi)圈處有一條由多個小扇形組成的區(qū)域，該區(qū)域斷口較平坦、顏色更亮并具有金屬光澤，小扇形之間以棱線形貌相連接，另外能清楚的看到該零件倒角與汽缸壁交接處有一條明顯的交界線。

圖1 油缸體斷口宏觀形貌 圖2 斷口特寫

2.2 斷口分析

斷口經(jīng)超聲波清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，能看到在最右側(cè)為一層陽極化膜，膜厚約為20-30μm；從陽極化膜往左邊是一些小的扇形形貌，扇形的微觀形貌為如圖3所示，為準解理斷裂形貌；再往左邊扇形的末端依然為準解理斷裂形貌，而與之交界的較粗糙斷口微觀形貌為韌窩+準解理形貌。

圖3解理斷裂形貌 圖4 金相組織照片 100倍

2.3 金相檢測

在斷口附近沿橫截面制取金相高倍試樣。經(jīng)眼膜拋光，并用KELLER腐蝕劑腐蝕后，置于萊卡DMI5000金相顯微鏡下觀察，可見有微裂紋存在，長度約為0.4mm，其金相照片分別如圖4所示，可見裂紋是穿晶裂紋，這與微觀分析中的準解理斷裂、韌窩斷裂的性質(zhì)是吻合的。

2.4 化學成分與抗拉強度檢測

在斷口附件位置切取化學成分試樣，經(jīng)光電直讀光譜儀分析，其化學成分分析檢測結(jié)果見表1所示?？梢姡撚透左w基體材料的化學成分符合GB/T3190-1996的要求。

在斷口附近位置制取圓棒形機性試樣，經(jīng)SANS萬能電子拉力機檢測，抗拉強度結(jié)果為481MPa，滿足該零件材料的設(shè)計強度要求（Rm≥412MPa）。

3 結(jié)果分析

從該零件的金相組織、化學成分和抗拉強度檢測結(jié)果上，基本排除是由于材質(zhì)缺陷引起該零件斷裂的可能。

從整個斷口的宏觀棱線走向上看，該斷口的斷裂源區(qū)應(yīng)該是位于圖2中顏色較亮的多個小扇形區(qū)域。從微觀上看，該斷口也是在多個小扇形區(qū)域的內(nèi)壁表面產(chǎn)生多個裂紋源，這些裂紋源以準解理斷裂的方式向材料內(nèi)部進行擴展當這些裂紋互相相交，連成一片時，由于受力面積的減少，斷口處的強度超過材料的斷裂強度，整個零件快速的以準解理+韌窩的方式發(fā)生斷裂。準解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種，準解理的形成過程是首先在不同部位同時產(chǎn)生許多解理裂紋核，然后按解理方式擴展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，與相鄰的解理小刻面相連，形成撕裂棱[1]。

從受力分析看，該油缸體底面和油缸壁相交接的區(qū)域正好是應(yīng)力集中的地方，再加上該處倒角加工存在臺階和交界線的缺陷，所以在倒角加工缺陷處應(yīng)力集中特別嚴重。7075合金屬于AL-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，長期以來廣泛用于高強度結(jié)構(gòu)零件，具有較高強度和良好的加工性能[2]。7075合金T6狀態(tài)強度最高，斷裂韌度偏低[3]，所以應(yīng)力集中對其韌性的影響很大。

4 結(jié)束語

該油缸體發(fā)生解理斷裂的主要原因是由于倒角加工不良，導致在倒角和油缸壁過渡區(qū)域存在嚴重的應(yīng)力集中，最后在工作過程中承受較大載荷時在應(yīng)力集中處產(chǎn)生多條解理裂紋，當解理裂紋擴展到一定程度時，最終以韌窩+準解理的方式發(fā)生斷裂。

參考文獻

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：111-113.

[2]甘衛(wèi)平.Al-Zn-Mg-Cu系高強度鋁合金研究進展[J].鋁加工，2003，3：6-12.

[3]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊：鋁合金鎂合金（第二版）3卷[M].北京：中國標準出版社，2001：308-309.