安裝座裂紋失效分析

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

安裝座裂紋失效分析

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

某列車安裝座在使用過程中檢修發現零件表面存在開裂現象,通過對失效件進行宏、微觀形貌觀察、組織觀察、成分分析、能譜分析及硬度檢查,結果表明:該安裝座材質及冶金質量正常,安裝座表面裂紋為應力腐蝕裂紋。

安裝座 裂紋 應力腐蝕

某列車安裝座在使用過程中檢修發現零件表面存在開裂現象,該零件的成型工藝為型材加工成型,材料牌號為7003,最終熱處理狀態為T5(加熱成型冷卻后+人工時效)。安裝座主要加工工藝:原材料板材下料→機加→酸洗→烘干→焊接→調平。為查找安裝座開裂原因,對該安裝座進行理化檢驗與分析。

1 試驗結果

表1 安裝座斷口表面覆蓋物能譜分析結果(Wt%)

表2 化學成分分析結果(Wt%)

1.1 外觀檢查

失效安裝座外觀形貌見圖1,裂紋位于零件兩側,為穿透性裂紋。兩側裂紋長度分別為26mm和28mm。

1.2 斷口分析

將裂紋打開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上緣,向零件底面方向擴展,斷面高低差較大,未見明顯塑性變形,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,擴展區呈淺灰色,局部可見光亮小刻面,人工打開斷口區域呈金屬色,見圖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,斷裂源區表面局部可見泥紋花樣及覆蓋物,覆蓋物經能譜分析為含O、Cl、Ca、S、Na、K等元素的腐蝕產物,人工打開斷口呈韌窩形貌,見圖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,基體部位顯微組織為α固溶體+第二相,晶粒呈等軸狀,見圖5、圖6。

1.4 能譜分析

對安裝座斷口表面覆蓋物進行能譜分析,結果見表1,腐蝕產物中含有O、Cl、Ca、S、Na、K等元素,見表1。

1.5 成分分析

利用直讀光譜儀對安裝座材質進行化學成分分析,結果符合7003技術條件要求,見表2。

1.6 硬度檢測

經測定,安裝座基體硬度值HB為103、107,結果符合7003技術條件要求。

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物,且腐蝕產物經能譜分析含有O、Cl、Ca、S、Na、K等元素,局部可見泥紋花樣及二次沿晶裂紋,可判斷該裂紋為應力腐蝕裂紋。應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,斷裂過程,裂紋擴展路徑應該為穿晶而非沿晶。當環境中存在腐蝕介質時,優先沿晶界擴散,晶界鍵合力被嚴重削弱,通常在低于正常斷裂應力(拉應力)的情況下,被弱化的晶界成為優先擴展通道,導致發生沿晶斷裂,材料晶粒越粗大,晶界越少,越容易產生。

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

3 結論

(1)安裝座裂紋性質為應力腐蝕裂紋。

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

4 建議

(1)在零件焊接后立即進行去應力工序,7003鋁合金為低溫時效,不可進行熱處理消除應力,可采用機械消除應力方法。

(2)應增加對材料表面粗晶環及組織均勻性(粗晶)的技術要求,嚴格控制材料冶金質量。

(3)在去應力工序后應立即對零件表面進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接觸。

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[2]薛棉.應力腐蝕與環境氫脆[M].西安交通大學出版社,1991.

[3]杜愛華,龍晉明,裴和中.高強鋁合金應力腐蝕研究進展[J].中國腐蝕與防護學報,2008,28(4).

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