安裝座裂紋失效分析

楊志 黃陽(yáng) 周鵬程(中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司,湖南株洲 412002)

安裝座裂紋失效分析

楊志 黃陽(yáng) 周鵬程(中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司,湖南株洲 412002)

某列車(chē)安裝座在使用過(guò)程中檢修發(fā)現(xiàn)零件表面存在開(kāi)裂現(xiàn)象,通過(guò)對(duì)失效件進(jìn)行宏、微觀形貌觀察、組織觀察、成分分析、能譜分析及硬度檢查,結(jié)果表明:該安裝座材質(zhì)及冶金質(zhì)量正常,安裝座表面裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。

安裝座 裂紋 應(yīng)力腐蝕

某列車(chē)安裝座在使用過(guò)程中檢修發(fā)現(xiàn)零件表面存在開(kāi)裂現(xiàn)象,該零件的成型工藝為型材加工成型,材料牌號(hào)為7003,最終熱處理狀態(tài)為T(mén)5(加熱成型冷卻后+人工時(shí)效)。安裝座主要加工工藝:原材料板材下料→機(jī)加→酸洗→烘干→焊接→調(diào)平。為查找安裝座開(kāi)裂原因,對(duì)該安裝座進(jìn)行理化檢驗(yàn)與分析。

1 試驗(yàn)結(jié)果

表1 安裝座斷口表面覆蓋物能譜分析結(jié)果(Wt%)

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果(Wt%)

1.1 外觀檢查

失效安裝座外觀形貌見(jiàn)圖1,裂紋位于零件兩側(cè),為穿透性裂紋。兩側(cè)裂紋長(zhǎng)度分別為26mm和28mm。

1.2 斷口分析

將裂紋打開(kāi)后觀察裂紋部位的斷口形貌。

1.2.1 宏觀斷口觀察

裂紋起始于零件兩側(cè)上緣,向零件底面方向擴(kuò)展,斷面高低差較大,未見(jiàn)明顯塑性變形,斷口呈脆性斷裂特征。斷面起始部位呈淺黃色,表面存在大量覆蓋物,擴(kuò)展區(qū)呈淺灰色,局部可見(jiàn)光亮小刻面,人工打開(kāi)斷口區(qū)域呈金屬色,見(jiàn)圖2。

1.2.2 微觀斷口觀察

在掃描電鏡下觀察安裝座斷口呈典型的沿晶斷裂特征,斷裂源區(qū)表面局部可見(jiàn)泥紋花樣及覆蓋物,覆蓋物經(jīng)能譜分析為含O、Cl、Ca、S、Na、K等元素的腐蝕產(chǎn)物,人工打開(kāi)斷口呈韌窩形貌,見(jiàn)圖3、圖4 。

1.3 金相分析

在裂紋附近切取金相試樣,腐蝕后觀察顯示安裝座表面存在深度約0．25～0．35mm的粗晶環(huán),基體部位顯微組織為α固溶體+第二相,晶粒呈等軸狀,見(jiàn)圖5、圖6。

1.4 能譜分析

對(duì)安裝座斷口表面覆蓋物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果見(jiàn)表1,腐蝕產(chǎn)物中含有O、Cl、Ca、S、Na、K等元素,見(jiàn)表1。

1.5 成分分析

利用直讀光譜儀對(duì)安裝座材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果符合7003技術(shù)條件要求,見(jiàn)表2。

1.6 硬度檢測(cè)

經(jīng)測(cè)定,安裝座基體硬度值HB為103、107,結(jié)果符合7003技術(shù)條件要求。

2 分析討論

安裝座斷口呈典型的沿晶脆性斷裂特征,斷面起始部位存在腐蝕產(chǎn)物,且腐蝕產(chǎn)物經(jīng)能譜分析含有O、Cl、Ca、S、Na、K等元素,局部可見(jiàn)泥紋花樣及二次沿晶裂紋,可判斷該裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕斷口通常呈沿晶斷裂特征,材料斷裂在通常情況下晶界的鍵合力高于晶內(nèi),斷裂過(guò)程,裂紋擴(kuò)展路徑應(yīng)該為穿晶而非沿晶。當(dāng)環(huán)境中存在腐蝕介質(zhì)時(shí),優(yōu)先沿晶界擴(kuò)散,晶界鍵合力被嚴(yán)重削弱,通常在低于正常斷裂應(yīng)力(拉應(yīng)力)的情況下,被弱化的晶界成為優(yōu)先擴(kuò)展通道,導(dǎo)致發(fā)生沿晶斷裂,材料晶粒越粗大,晶界越少,越容易產(chǎn)生。

產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋主要有三個(gè)條件:環(huán)境因素、冶金因素、力學(xué)因素。材料在具備產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。安裝座材質(zhì)為以Zn、Mg為主要合金元素的超高強(qiáng)度鋁合金,該合金的主要強(qiáng)化相為MgZn2和Mg3Zn3Al2等,為應(yīng)力腐蝕敏感材料。該零件外表面存在深度約為0．25～0．35mm的粗晶環(huán),且基體晶粒為粗大等軸晶,晶粒越粗應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生傾向越大。零件成型工藝為型材加工成型,中間經(jīng)過(guò)焊接、校形等熱冷工藝,零件內(nèi)部及表面存在殘余應(yīng)力,使應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生具備了力學(xué)條件。

3 結(jié)論

(1)安裝座裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。

(2)安裝座表面粗晶環(huán)及內(nèi)部存在的粗大等軸晶是造成零件表面產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的主要原因。

4 建議

(1)在零件焊接后立即進(jìn)行去應(yīng)力工序,7003鋁合金為低溫時(shí)效,不可進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力,可采用機(jī)械消除應(yīng)力方法。

(2)應(yīng)增加對(duì)材料表面粗晶環(huán)及組織均勻性(粗晶)的技術(shù)要求,嚴(yán)格控制材料冶金質(zhì)量。

(3)在去應(yīng)力工序后應(yīng)立即對(duì)零件表面進(jìn)行噴漆并保證零件表面漆層的完整性,避免零件表面與空氣中的腐蝕介質(zhì)接觸。

[1]鐘培道.斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2005,(07).

[2]薛棉.應(yīng)力腐蝕與環(huán)境氫脆[M].西安交通大學(xué)出版社,1991.

[3]杜愛(ài)華,龍晉明,裴和中.高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào),2008,28(4).

楊志(1987—),女,湖南衡陽(yáng)人,供職于中國(guó)南方航空工業(yè)(集團(tuán))有限公司,碩士研究生,主要從事物理冶金及失效分析工作。