7A04鋁合金球鉸失效分析

何振波,楊 曼,王生朝,郭奉彬,牌君君,歐 玲,梁乘鵬,蹇海根,5

(1.湖南工業(yè)大學材料與先進制造學院,湖南 株洲 412007; 2.航橋新材料科技(濱州)有限公司,山東 濱州 256600; 3.山東省先進鋁基材料與技術重點實驗室,山東 濱州 262207; 4.山東省高端鋁共同體管理運營有限公司,山東 濱州 256600; 5.歐科億數(shù)控精密刀具股份有限公司,湖南 株洲 412500)

7A04鋁合金屬于7×××系超高強鋁合金,具有強度硬度高、抗腐蝕性能和韌性較好、易加工等優(yōu)點,被廣泛應用于航空航天、兵器和汽車等領域,其綜合性能與美國7075和俄羅斯B93兩種高強鋁合金相近[1-3]。近年來,國內(nèi)外的材料工作者對7A04鋁合金的成形工藝、熱處理工藝及其組織與性能方面開展了深入的探索與研究,為了充分發(fā)揮該合金的性能優(yōu)勢,很多結構零部件選擇鍛造的方式進行加工生產(chǎn)[4-6]。

隨著輕量化的發(fā)展,以鋁代鋼成為部分結構材料的優(yōu)先選擇。某企業(yè)采用鍛造工藝生產(chǎn)出7A04鋁合金球鉸,該球鉸是商用車底盤推力桿的關鍵部件。采用鋁合金材質(zhì)后,輕量化提升效果明顯,但個別7A04鋁合金球鉸出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象[7]。基于此,本試驗通過7A04鋁合金球鉸疲勞失效斷口形貌分析,確定其失效的原因,并提出改進措施,避免類似現(xiàn)象的再次發(fā)生,以期為后續(xù)生產(chǎn)實踐的工藝改進及斷裂故障分析提供參照。

1 試驗方法

汽車底盤推力桿以前均采用鋼材質(zhì),為了實現(xiàn)輕量化減重,目前普遍以鋁代鋼,圖1為Ⅰ型推力桿7A04鋁合金產(chǎn)品示意圖。

圖1 Ⅰ型推力桿Fig.1 Type Ⅰ thrust rod

圖2在疲勞試驗機上對裝載7A04鋁合金球鉸的Ⅰ型推力桿進行單向拉壓疲勞試驗,加載載荷±100 kN,頻率1 Hz,試驗循環(huán)次數(shù)8.6萬次后,7A04鋁合金球鉸失效斷裂。將失效件的斷口鋸切下來,在TESCAN MIRA4 LMH掃描電子顯微鏡上進行微觀組織形貌觀察,并借助One Max 50能譜儀對斷口面上一些夾雜物進行能譜分析,確定其成分。

圖2 單向拉壓疲勞試驗Fig.2 Unidirectional tension-compression fatigue test

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀斷口

圖3為7A04鋁合金球鉸疲勞失效斷裂實物圖。

圖3 7A04鋁合金球鉸失效圖Fig.3 Failure diagram of 7A04 aluminum alloy spherical hinge

斷裂位置為圖3a虛線橢圓內(nèi)的柄和球連接處,斷裂位置正面如圖3b箭頭所示。斷口較為平直,韌性較差。

失效試件兩側(cè)斷口三個區(qū)域明顯,分別為典型的裂紋源區(qū)、裂紋擴展區(qū)和瞬斷區(qū),如圖4所示。從圖4可以看出,在裂紋的擴展方向上,斷口面存在部分塊狀和大量呈線狀分布的黑色區(qū)域,如圖4箭頭所指位置,這些缺陷將會大大降低試件的疲勞壽命。

圖4 7A04鋁合金球鉸斷口宏觀形貌Fig.4 Macroscopic fracture morphologies of 7A04 aluminum alloy spherical hinge

2.2 微觀斷口形貌

對疲勞裂紋源區(qū)進行高倍觀察發(fā)現(xiàn),疲勞裂紋在氣孔、夾雜等薄弱位置萌生,呈現(xiàn)多裂紋源且相互競爭形成主裂紋繼續(xù)擴展,如圖5所示。

圖5 7A04鋁合金球鉸斷口微觀形貌Fig.5 Microscopic fracture morphology of 7A04 aluminum alloy spherical hinge

對圖4中裂紋源區(qū)(區(qū)域1)和擴展區(qū)內(nèi)黑色區(qū)域(區(qū)域2)進行能譜分析(圖6),發(fā)現(xiàn)C和O含量很高,這可能是氧化夾雜物,導致裂紋萌生或加速裂紋擴展。

圖6 能譜分析結果Fig.6 Energy spectrum analysis results

圖7進一步高倍形貌觀察發(fā)現(xiàn),在疲勞裂紋擴展區(qū)可以觀察到明顯的疲勞輝紋,且單次循環(huán)裂紋的擴展距離均大于1 μm。這說明7A04鋁合金球鉸的裂紋萌生和短裂紋擴展階段占據(jù)了疲勞壽命的極大部分,而在裂紋擴展區(qū)內(nèi)由于裂紋擴展速率過快,其對疲勞總壽命的貢獻不大。

圖7 疲勞裂紋擴展區(qū)疲勞輝紋Fig.7 Fatigue striations of the fatigue crack propagation region

2.3 有限元分析

根據(jù)推力桿實際拉壓試驗條件,采用ANSYS軟件對7A04鋁合金球鉸試驗過程進行有限元模擬計算,基本步驟為建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、施加載荷/邊界條件、運行計算、結果分析等。有限元模擬結果表明,柄和球連接處的等效應力最大,是預判的最優(yōu)先失效位置,與實際試驗結果是相符的,如圖8所示。

圖8 ANSYS有限元模擬結果Fig.8 ANSYS finite element simulation results

3 措 施

通過上面的分析確認氣孔、夾雜導致了裂紋萌生并加速裂紋擴展。對此熔鑄時加強除氣除渣,將原來的40ppi陶瓷板單級過濾調(diào)整為30ppi陶瓷板+50ppi陶瓷板雙級過濾,同時對鑄錠進行車皮,單邊車皮厚度控制在1.5 mm～2.5 mm,去除坯料表面缺陷。采取以上措施后生產(chǎn)的球鉸疲勞壽命達到10萬次以上,滿足產(chǎn)品應用要求。

4 結 論

1)循環(huán)加載過程中氣孔、夾雜等冶金缺陷為疲勞裂紋的萌生提供了最佳位置,并在裂紋的后續(xù)擴展中起到橋接連通的作用,加速了裂紋擴展,從而造成試件快速斷裂失效。

2)鑄造時加強除氣過濾,圓鑄錠單邊車皮量控制在1.5 mm～2.5 mm,生產(chǎn)的球鉸疲勞壽命滿足了使用要求。