某油缸體斷裂原因分析

摘 要：某7075材料，T6狀態的油缸體，在壓力為14Mpa的工作壓力下工作約1.5小時，發生斷裂。采用化學成分分析、金相檢驗、機械性能檢測及斷口分析等方法對該油缸體的斷裂性質及原因進行了分析。結果表明，該油缸體因倒角加工不良，在倒角處存在嚴重的應力集中。在承受較大載荷的情況下，在該應力集中處產生了多源解理裂紋并最終斷裂。

關鍵詞：油缸體；準解理；多源斷裂；應力集中

1 概述

某鋁業公司新研制一油缸體，材料為7075鍛件，熱處理狀態為T6狀態。據委托方反映，該油缸體在14MPa的工作壓力下工作1.5小時左右，發生斷裂。該油缸是某公司新研制的重點產品，能否準確找到失效原因并進行改進，對委托方的科研生產及經濟效益影響很大。

2 分析檢測

2.1 宏觀分析

所送油缸體的宏觀形貌如圖1所示，該油缸體由油缸壁與一個平面組成，我們由于不清楚該油缸體的裝配情況，所以假設該平面為油缸體底面，該底面與油缸壁交接處有一個倒角。斷口位置與形貌如圖1所示，整個斷口表面粗糙、高低起伏較大。

相對于圖1所示的底面，其中有一段斷口較低且較平坦，比較靠近圖1所示的底面，剛好位于倒角的上方，該處斷口宏觀形貌如圖2所示，可以看出在靠近斷口內圈處有一條由多個小扇形組成的區域，該區域斷口較平坦、顏色更亮并具有金屬光澤，小扇形之間以棱線形貌相連接，另外能清楚的看到該零件倒角與汽缸壁交接處有一條明顯的交界線。

圖1 油缸體斷口宏觀形貌 圖2 斷口特寫

2.2 斷口分析

斷口經超聲波清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察，能看到在最右側為一層陽極化膜，膜厚約為20-30μm；從陽極化膜往左邊是一些小的扇形形貌，扇形的微觀形貌為如圖3所示，為準解理斷裂形貌；再往左邊扇形的末端依然為準解理斷裂形貌，而與之交界的較粗糙斷口微觀形貌為韌窩+準解理形貌。

圖3解理斷裂形貌 圖4 金相組織照片 100倍

2.3 金相檢測

在斷口附近沿橫截面制取金相高倍試樣。經眼膜拋光，并用KELLER腐蝕劑腐蝕后，置于萊卡DMI5000金相顯微鏡下觀察，可見有微裂紋存在，長度約為0.4mm，其金相照片分別如圖4所示，可見裂紋是穿晶裂紋，這與微觀分析中的準解理斷裂、韌窩斷裂的性質是吻合的。

2.4 化學成分與抗拉強度檢測

在斷口附件位置切取化學成分試樣，經光電直讀光譜儀分析，其化學成分分析檢測結果見表1所示。可見，該油缸體基體材料的化學成分符合GB/T3190-1996的要求。

在斷口附近位置制取圓棒形機性試樣，經SANS萬能電子拉力機檢測，抗拉強度結果為481MPa，滿足該零件材料的設計強度要求（Rm≥412MPa）。

3 結果分析

從該零件的金相組織、化學成分和抗拉強度檢測結果上，基本排除是由于材質缺陷引起該零件斷裂的可能。

從整個斷口的宏觀棱線走向上看，該斷口的斷裂源區應該是位于圖2中顏色較亮的多個小扇形區域。從微觀上看，該斷口也是在多個小扇形區域的內壁表面產生多個裂紋源，這些裂紋源以準解理斷裂的方式向材料內部進行擴展當這些裂紋互相相交，連成一片時，由于受力面積的減少，斷口處的強度超過材料的斷裂強度，整個零件快速的以準解理+韌窩的方式發生斷裂。準解理斷裂是介于解理斷裂和韌窩斷裂之間的一種，準解理的形成過程是首先在不同部位同時產生許多解理裂紋核，然后按解理方式擴展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，與相鄰的解理小刻面相連，形成撕裂棱[1]。

從受力分析看，該油缸體底面和油缸壁相交接的區域正好是應力集中的地方，再加上該處倒角加工存在臺階和交界線的缺陷，所以在倒角加工缺陷處應力集中特別嚴重。7075合金屬于AL-Zn-Mg-Cu系超硬鋁合金，長期以來廣泛用于高強度結構零件，具有較高強度和良好的加工性能[2]。7075合金T6狀態強度最高，斷裂韌度偏低[3]，所以應力集中對其韌性的影響很大。

4 結束語

該油缸體發生解理斷裂的主要原因是由于倒角加工不良，導致在倒角和油缸壁過渡區域存在嚴重的應力集中，最后在工作過程中承受較大載荷時在應力集中處產生多條解理裂紋，當解理裂紋擴展到一定程度時，最終以韌窩+準解理的方式發生斷裂。

參考文獻

[1]張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業出版社，2004：111-113.

[2]甘衛平.Al-Zn-Mg-Cu系高強度鋁合金研究進展[J].鋁加工，2003，3：6-12.

[3]《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊：鋁合金鎂合金（第二版）3卷[M].北京：中國標準出版社，2001：308-309.