TC4鈦合金加力桿斷裂原因分析

陳皓 楊嘉珞 黨鵬 陳乃川 高生輝 楊莉 胡洋

（新疆湘潤新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

0 引言

車床加力桿是加緊試樣，防止試樣脫落、飛出車床傷人的重要緊固工具，加力桿的安全性與可靠性嚴重影響著操作人員的生命安全。某車床操作工在正常使用TC4 加力桿夾緊試樣時，其突然發(fā)生脆性斷裂，因操作人員躲避及時，未對身體造成嚴重傷害。為了防范避免此類事故的再次發(fā)生，故對材料斷裂原因進行檢驗與分析，以便后續(xù)采取措施防范于未然。

1 試驗與分析

1.1 宏觀檢驗

由圖1加力桿工具的宏觀圖片可知，加力桿的斷裂位置為材料的1/2 處，根據(jù)實際應用情況加力桿平時操作時主要受到水平方向的剪切力，初步判斷斷裂引起的原因為剪切應力下的疲勞斷裂。圖2 為加力桿斷裂形貌，一端由于保護不及時，已經(jīng)損壞，但通過觀察另一半的斷口宏觀形貌圖3，斷裂部位未見明顯的塑性變形。斷口顏色為暗灰色，無氧化色彩，在圖2a的A 處，為明顯光亮細膩的疲勞源區(qū)，往左便是呈現(xiàn)圓弧形的貝紋線即裂紋擴展區(qū)和呈現(xiàn)纖維狀的瞬時脆性斷裂區(qū)。通過缺口可以發(fā)現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生于試樣表面，貝紋線呈圓弧形，瞬時斷裂區(qū)的面積明顯大于裂紋擴展區(qū)的面積[1]，可以推斷出斷裂前的應力很大，但沒有明顯的應力集中[2]。由圖2b 可知，宏觀低倍檢查低倍組織無裂紋、折疊、氣孔、偏析、金屬或非金屬夾雜及其他目視可見的冶金缺陷。

圖2 加力桿斷裂形貌圖

圖3 加力桿截面維氏硬度測試結(jié)果

1.2 化學成分分析

對斷裂試樣一端進行取樣，并使用ICP 和CS 設備對試樣進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。通過對比GB/T 3620-2016《鈦及鈦合金牌號和化學成分》，得出TC4加力桿化學成分含量符合標準要求。

表1 加力桿化學成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)%）

1.3 維氏硬度檢測

在斷裂處附近取樣，根據(jù)《GB/T 4340.1-2009 金屬材料-維氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》，使用型號為310HVS-5 的維氏硬度計對樣品截面進行維氏硬度試驗。分別對試樣的心部，D/4處和邊部進行檢測。由圖3可知，硬度心部數(shù)值最低，邊部最高，心部到邊部呈增大趨勢，但仍符合TC4 維氏硬度的一般范圍（≤350）。

1.4 拉伸性能檢測

對斷裂加力桿剩余部分拉伸取樣，根據(jù)GBT 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，將拉伸試樣加工成R7 規(guī)格，使用CMT5205美特斯拉伸機進行檢測。測試結(jié)果符合對一般TC4 的性能要求，其具體拉伸性能為抗拉強度（Rm）為1000 MPa、屈服強度（Rp0.2）為916 MPa、斷后伸長率（A）為14%、斷面收縮率（Z）為31.5%、彈性模量（E）為118 GPa，其它項性能均符合標準要求（Rm≧895 MPa、Rp0.2≧825 MPa、A≧10%、Z≧25%、E≧110 GPa）。

1.5 金相檢驗

在斷裂端附近的截面（圖4）和垂直于截面的剖面（圖5）進行金相檢查，經(jīng)磨拋后腐蝕后，使用ICX41M金相顯微鏡對截面進行多視場、不同倍數(shù)觀察，由圖4、圖5可知，顯微組織為正常的α+β兩相區(qū)加工形成的組織，轉(zhuǎn)變β基體上的等軸α和拉長α相，所有原始β晶界充分破碎，不存在連續(xù)的晶界α相。

圖4 加力桿截面顯微組織

圖5 加力桿垂直于截面的剖面顯微組織

圖6 加力桿ABAQUS6.14有限元分析

1.6 ABAQUS6.14有限元建模分析

根據(jù)材料的現(xiàn)場使用情況，使用ABAQUS6.14對現(xiàn)實力場進行模擬，由圖6 可知，在使用時，兩端施加集中力，繞中心點旋轉(zhuǎn)，故可將中心支點在軟件中模擬單邊固定，另一邊定義施加集中力。軟件建模定義材料的參數(shù)根據(jù)拉伸性能可知，楊氏模量為118255 MPa，抗拉強度為1000 MPa，查閱資料可得TC4 的泊松比為0.34。根據(jù)軟件模擬結(jié)果可知應力集中區(qū)域和斷裂位置相吻合，結(jié)合顯微組織可以初步推斷出材料斷裂因素由組織不均勻和大量的拉長α 的存在和長期頻繁的應力集中引起材料的脆性斷裂。

2 綜合分析

以上理化檢驗結(jié)果表明材料基本參數(shù)正常，但通過觀察斷裂失效的加力桿具有以下特點，宏觀上看斷口具有明顯的疲勞斷裂特征，結(jié)合加力桿的使用和斷裂位置，斷裂位置處于高應力位置，可推出斷裂的原因為加工引起的表面裂紋，在“切口”尖端處由于應力集中，因而產(chǎn)生初始疲勞裂紋源[3]，降低構(gòu)件的承載能力。同時分析工作環(huán)境，在長期交變載荷工作環(huán)境中，在剪切力的作用下，為疲勞裂紋提供了有效的動力源[4]。

3 結(jié)論

1）加力桿的失效模式為剪切應力下的疲勞斷裂，應該降低工件表面粗糙度，避免加工材料產(chǎn)生劃傷，為斷裂提供裂紋源。

2）在材料選擇方面考慮材料的有效應力集中因素、尺寸因素和表面質(zhì)量因素，避免材料的疲勞斷裂。或者通過熱處理來改善材料的性能。