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,為了充分發揮該合金的性能優勢,很多結構零部件選擇鍛造的方式進行加工生產[4-6]。

隨著輕量化的發展,以鋁代鋼成為部分結構材料的優先選擇。某企業采用鍛造工藝生產出7A04鋁合金球鉸,該球鉸是商用車底盤推力桿的關鍵部件。采用鋁合金材質后,輕量化提升效果明顯,但個別7A04鋁合金球鉸出現疲勞失效現象[7]?；诖?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,避免類似現象的再次發生,以期為后續生產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,為了實現輕量化減重,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,試驗循環次數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。

失效試件兩側斷口三個區域明顯,分別為典型的裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區,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

對疲勞裂紋源區進行高倍觀察發現,疲勞裂紋在氣孔、夾雜等薄弱位置萌生,呈現多裂紋源且相互競爭形成主裂紋繼續擴展,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(區域1)和擴展區內黑色區域(區域2)進行能譜分析(圖6),發現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現,在疲勞裂紋擴展區可以觀察到明顯的疲勞輝紋,且單次循環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了疲勞壽命的極大部分,而在裂紋擴展區內由于裂紋擴展速率過快,其對疲勞總壽命的貢獻不大。

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

2.3 有限元分析

根據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的球鉸疲勞壽命達到10萬次以上,滿足產品應用要求。

4 結 論

1)循環加載過程中氣孔、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,生產的球鉸疲勞壽命滿足了使用要求。