鋁合金車輪支架臺架開裂失效分析

盧蕾蕾 馮海林

摘 要：對兩件開裂的車輪支架（編號分別為1#、2#）進行失效分析。試驗過程中首先產生疲勞開裂損傷，后續過程中受較大載荷作用疲勞裂紋發生快速擴展從而形成宏觀可見裂紋。通過觀察、金相分析，光譜分析及電鏡分析認為：1#車輪支架筋條上存在一條裂紋，開裂模式為疲勞開裂，發生開裂的原因應與筋條表面存在聚集態疏松缺陷導致其抗疲勞性能降低有關;2#車輪支架兩筋條上各存在一條裂紋，二者開裂機理一致。

關鍵詞： 鋁合金;車輪支架;失效;縮松;硬度;分析

Abstract： The wheel bracket of cracking in two （no.1#， 2#， respectively） for failure analysis. first to produce fatigue crack damage in the testing and subsequent fatigue crack subjected to high load occurred in the process of rapid expansion to form macroscopic visible cracks. Through observation and metallographic and spectroscopy and SEM （scanning electron microscope） analysis： 1 # wheel bracket rod on a crack， crack model for fatigue crack， the reason of cracking occurred shall be the state of aggregation loose rod surface defects lead to its anti-fatigue performance; 2# wheel bracket each on two rod has a flaw， the cracking mechanism of the same.

Keywords： Aluminum; Wheel Bracket; Failure; Porosity; Hardness; Analysis

引言

某車輪支架鑄造工藝為差壓鑄造，其材料為鑄造鋁合金AlSi7Mg0.3，熱處理為T64狀態，車輪支架的制備工藝按照如下流程進行：熔煉—除氣—變質處理—CPC鑄造—去澆冒口—去飛邊—X光探傷—T64處理—表面熒光檢測。機械性能如下：Rm>330Mpa，Rp0.2>269Mpa，A5>8.8。孔隙率：D1/0.5。符合并優于圖紙要求。但在臺架驗證時，性能不太穩定，失效位置均在兩根筋條上。為了便于查找失效原因，從宏觀到微觀進行系統地試驗與分析，為便于優化工藝。

1 宏觀觀察

車輪支架宏觀形貌見圖1。結構中有兩根筋條，為便于說明將其標記為A、B。1#車輪支架B筋條的中部存在一條裂紋，垂直于筋條擴展，筋條兩側擴展長度分別約為10mm、18mm，其它部位未見開裂;2#車輪支架A筋條的1/4處存在一條裂紋，垂直于筋條擴展，筋條兩側擴展長度分別約為37mm、46mm，B筋條一端處（靠近A裂紋）存在一條裂紋，垂直于筋條擴展，筋條兩側擴展長度分別約為14mm、18mm，其它部位未見開裂。以上三條裂紋附近表面均未見損傷及腐蝕痕跡。

采用機械方法將三條裂紋打開，對斷口進行觀察。三個斷口宏觀形貌較為相似：斷口平齊，斷面粗糙、有金屬光澤，未見腐蝕、變形及損傷痕跡;斷口源區位于筋條頂部或頂部附近表面，擴展區呈放射狀;側面觀察，2#A斷口源區附近表面較為粗糙，其余兩斷口源區附近表面未見明顯異常，見圖2。

2 微觀觀察及能譜分析

采用掃描電鏡及能譜儀對三個裂紋斷口進行微觀形貌觀察及能譜分析[1-3]，發現如下現象：

（1）1#斷口源區位于筋條頂部附近表面，約1.06mm（寬度）×0.29mm（深度）范圍內存在聚集態疏松缺陷，斷面其它區域均呈磨損+疲勞條帶形貌，見圖3。

（2）2#兩個斷口形貌較為相似：均由表面起源，整個斷面未見明顯材料缺陷，斷口源區及其附近擴展區呈磨損+疲勞條帶形貌，疲勞擴展區深度分別約為11mm（A）、3.5mm（B），分別占各自裂紋總長度的1/4（A）、1/5（B），擴展區其它區域呈韌窩形貌，見圖4。

對斷面進行能譜分析，主要含有Al、Si及少量Mg元素，未見異常元素存在，能譜圖見圖5。

3 金相分析及顯微硬度測試

從1#裂紋及2#A裂紋區域分別截取部分試樣進行組織觀察及顯微硬度測試，發現：1#試樣裂紋源區約0.28mm×0.19mm（深）范圍內存在聚集態疏松缺陷，其它區域未見明顯的材料缺陷;2#試樣整個剖面上未見明顯的材料缺陷。兩個試樣顯微組織未見明顯差異，為變質良好組織。

對金相試樣進行顯微硬度測試，兩試樣顯微硬度未見明顯差異，符合T64狀態要求。

4 分析結果

能譜分析結果表明車輪支架所用材料的主合金元素未見異常，材料硬度符合T64狀態要求。

（1）1#車輪支架B筋條的中部存在一條裂紋，垂直于筋條擴展，裂紋區域未見變形、腐蝕及損傷痕跡。裂紋斷口源區位于筋條頂部表面，源區深約0.29mm范圍內存在聚集態疏松缺陷，斷口擴展區呈磨損+疲勞條帶形貌，根據以上觀察結果綜合分析認為，裂紋的開裂模式為疲勞開裂，發生開裂的原因應與筋條表面存在聚集態疏松缺陷導致其抗疲勞性能降低有關。

（2）2#車輪支架A筋條的1/4處存在一條裂紋， B筋條一端處存在一條裂紋，兩個位置均為應力集中區，為結構中的薄弱環節;兩裂紋均垂直于筋條擴展，未見變形、腐蝕及損傷痕跡。兩裂紋斷口形貌較為相似：均起源于筋條頂部或頂部附近表面，整個斷面未見明顯材料缺陷，源區及源區附近擴展區微觀呈磨損+疲勞條帶形貌，疲勞擴展區長度占整個裂紋長度的比例分別約為1/4（A）、1/5（B），擴展區其它區域呈韌窩形貌，根據以上觀察結果綜合分析認為，試驗過程中兩筋條應力集中部位首先產生疲勞開裂損傷，后續過程中受較大載荷作用疲勞裂紋快速擴展從而形成宏觀可見裂紋。

5 結論

通過對兩件車輪支架的觀察與分析認為：1#車輪支架筋條上存在一條裂紋，開裂模式為疲勞開裂，發生開裂的原因應與該區域表面存在聚集態疏松缺陷導致其抗疲勞性能降低有關;2#車輪支架兩條筋條上各存在一條裂紋，二者開裂機理一致：試驗過程中首先產生疲勞開裂損傷，后續過程中受較大載荷作用疲勞裂紋快速擴展從而形成宏觀可見裂紋

參考文獻

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[2] 劉正義，吳連生，等.機械裝備失效分析圖譜[M].廣州：廣東科技出版社，1990.

[3] 傅日光.低壓鑄造常見缺陷分析與防治方法[J].科技資訊，2010（25）： 114.