7075高強(qiáng)度鋁合金操作桿斷裂失效分析

史潤(rùn)軍 王曉生

摘 要：【目的】高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備斷路器試驗(yàn)樣機(jī)內(nèi)部高強(qiáng)度鋁合金操作桿在特殊機(jī)械故障模擬試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生斷裂，需要查明7075高強(qiáng)度鋁合金操作桿斷裂失效原因?！痉椒ā坷煤暧^觀察、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡斷口分析等失效分析法對(duì)該操作桿斷裂原因進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)，該操作桿的斷口表面主要呈輝紋特征，屬疲勞斷裂?！窘Y(jié)論】7075高強(qiáng)度鋁合金操作桿斷裂失效是由硬度偏低、強(qiáng)度不足造成的，當(dāng)操作桿在模擬試驗(yàn)累計(jì)動(dòng)作時(shí)萌生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致操作桿發(fā)生裂紋的擴(kuò)展和斷裂。

關(guān)鍵詞：高強(qiáng)度鋁合金；輝紋；疲勞斷裂；失效分析

中圖分類號(hào)：TG115.28 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2023）14-0040-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.008

Fracture Failure Analysis of 7075 High-Strength Aluminum Alloy

Operating Rod

SHI Runjun ?WANG Xiaosheng

（Henan Pingzhi High Voltage Switch Co.，Ltd.，Pingdingshan 467013，China）

Abstract： [Purposes] The reason of fracture of 7075 high-strength aluminum alloy operating rod in the circuit breaker test prototype of high-voltage switchgear broke during a special mechanical failure simulation test needs to be discovered. [Methods] Failure analysis methods such as macroscopic observation， chemical composition analysis， hardness test， metallographic examination， SEM fracture analysis were used to analyze the fracture causes. [Findings] the fracture surface of the manipulator was characterized by striations and belonged to fatigue fracture. [Conclusions] the fracture failure of 7075 high strength aluminum alloy manipulator is due to its low hardness and insufficient strength. When the manipulator is subjected to the accumulative action of the simulated test， fatigue cracks appear， finally， crack propagation and fracture occurred in the manipulator.

Keywords： high strength aluminum alloy; glow veins; fatigue fracture; failure analysis

0 引言

7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，為高強(qiáng)度鋁合金，具有良好的機(jī)械性能，易于加工，耐磨性好，抗腐蝕性能強(qiáng)、抗氧化性好［1-3］。在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中，常采用7075-T6高強(qiáng)度鋁合金來(lái)制造強(qiáng)度要求高、重量要求輕的關(guān)鍵部件，如斷路器用密封桿、帶合閘電阻斷路器用操作桿、拐臂等。本研究對(duì)7075高強(qiáng)度鋁合金操作桿斷裂失效原因進(jìn)行分析。

1 樣機(jī)試驗(yàn)

對(duì)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備斷路器試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行機(jī)械故障模擬試驗(yàn)，在試驗(yàn)過(guò)程中樣機(jī)發(fā)生拒動(dòng)，拆解調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，操作桿接頭退刀槽位置出現(xiàn)斷裂。工況及操作桿信息如下：該機(jī)械故障模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)動(dòng)作10 000次，操作桿累計(jì)動(dòng)作9 975次后發(fā)生斷裂。操作桿材質(zhì)為7075-T6，其失效端與接頭（材料為35CrMo合金鋼）采用螺紋連接，另一端與接頭（Q235A）連接。操作桿是直動(dòng)傳動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)35 kg設(shè)備進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中徑向有一定位移，存在一定的彎曲載荷。直動(dòng)傳動(dòng)速度很快，傳動(dòng)過(guò)程中承受較大的沖擊載荷。操作桿斷裂后的實(shí)物照片如圖1所示。

2 化學(xué)成分分析

在斷裂的操作桿上取樣，采用OES型直讀式光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，失效操作桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》（GB/T 3190—2020）中牌號(hào)7075的技術(shù)要求。

3 硬度測(cè)試

在斷裂的操作桿上取樣，采用布氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，失效操作桿芯部的硬度范圍為106～145 N/mm2。

在斷裂的操作桿上取樣，采用顯微維氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，失效操作桿近表面和芯部的平均硬度分別為118 N/mm2和137 N/mm2。

4 宏觀檢測(cè)與SEM分析

采用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察失效操作桿斷口的宏觀和微觀形貌，結(jié)果如圖2到圖9所示。圖2為失效操作桿斷口表面的宏觀形貌，選取A、B、C三個(gè)區(qū)域進(jìn)行斷口分析。圖3中A-1、B-1、C-1為操作桿斷口近內(nèi)壁區(qū)域，A-2、B-2、C-2為操作桿斷口近外壁區(qū)域。由圖4、圖6、圖8可以看出，失效操作桿斷口近內(nèi)壁的斷口較為平坦，微觀形貌主要是在交變應(yīng)力下產(chǎn)生的疲勞輝紋，為疲勞斷裂的典型特征。由圖5、圖7、圖9可以看出，失效操作桿斷口近外壁區(qū)域斷口呈不規(guī)則的纖維狀，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生了明顯的塑性變形，斷口形貌呈現(xiàn)“韌窩”狀，這是塑性斷裂的典型特征，可視為斷裂瞬斷區(qū)［4］。操作桿在交變載荷的作用下，材料失穩(wěn)，最終在外壁區(qū)域發(fā)生過(guò)載斷裂。

5 金相測(cè)試

根據(jù)《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法GB/T 13298—2015》中的要求，在失效操作桿斷口附近區(qū)域的橫向和縱向制取金相試樣，依次鑲嵌、磨拋和腐蝕，然后采用金相顯微鏡進(jìn)行觀測(cè)，觀察結(jié)果如圖10到圖14所示。由圖可知，該失效操作桿的組織為 α（Al）+析出相［5］。此外，在該失效操作桿螺牙處還觀察到腐蝕現(xiàn)象。

6 分析與討論

由化學(xué)成分分析可知，失效螺桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》（GB/T 3190—2020）中牌號(hào)7075的技術(shù)要求。金相測(cè)試結(jié)果顯示，該失效操作桿的組織為α（Al）+析出相。此外，在該失效件螺牙處還觀察到腐蝕現(xiàn)象。宏觀檢測(cè)與SEM分析結(jié)果表明，失效操作桿斷口近內(nèi)壁的微觀形貌主要呈疲勞輝紋特征，其斷口面近外壁區(qū)域?yàn)檫^(guò)載斷口形貌。

硬度測(cè)試結(jié)果顯示，失效操作桿芯部的硬度范圍為106～145 N/mm2。失效操作桿近表面和芯部的平均硬度分別為118 N/mm2和137 N/mm2。由于尺寸限制，該失效件不能進(jìn)行拉伸測(cè)試，提供換算可知，由于標(biāo)準(zhǔn)中參考示例7系鋁合金只有7A04，無(wú)7075對(duì)應(yīng)規(guī)定值，而7A04 和7075 的化學(xué)成分相似，金相組織均為α（Al）+析出相，故參考的硬度換算示例選用7A04。操作桿圖紙要求7075-T6鋁合金抗拉強(qiáng)度在560 MPa以上。查詢相關(guān)資料可知［6］，7A04 鋁合金人工時(shí)效后抗拉強(qiáng)度在560 MPa，布氏硬度不小于156.0 N/mm2、維氏硬度不小于164.4 N/mm2。結(jié)合失效操作桿布氏硬度和維氏硬度實(shí)測(cè)值，該失效件硬度不合格，強(qiáng)度不合格。

綜上所述，該失效操作桿的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織正常，其斷口表面主要呈輝紋特征，屬疲勞斷裂。結(jié)合布氏硬度和維氏硬度結(jié)果，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》［6］進(jìn)行換算后可知該失效操作桿硬度不合格、強(qiáng)度不合格，無(wú)法滿足圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求。因此，該操作桿的斷裂失效是由零件自身硬度偏低、強(qiáng)度不足所致，當(dāng)操作桿在模擬試驗(yàn)累計(jì)動(dòng)作時(shí)萌生疲勞裂紋，最終導(dǎo)致操作桿發(fā)生裂紋的擴(kuò)展和斷裂。后續(xù)重新制造性能合格的操作桿，裝機(jī)前要通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)：

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