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【失效分析】仪表盘前臂铝合金安装套筒断裂

05月,06,2023 | 浏览次数：28589


仪表盘前臂铝合金安装套筒断裂

仪表盘前臂铝合金安装套筒断裂

      01.样品信息及问题描述
      汽车仪表盘前臂铝合金安装套筒在服役一年后发生断裂,失效比例为1/30万,如图1所示。为此委托实验室对断裂样品进行检测，分析失效的根本原因，以便针对性改善。
       铝套筒制造流程：7A03铝线材→冷镦→攻丝→热处理强化→表面防护处理。
       套筒是装配在前座仪表盘后面的，起固定作用，一组有6颗螺柱，承受的力估计10kg左右。若样品有内部裂纹或安装偏斜，则极易导致断裂。
图1 样品形貌图
      02.测试结果
      2.1 材质化学成分
      对套筒的化学成分进行测试，结果如表1所示，可见：
      根据GB/T 3190-2008，套筒的成分符合7A03的成分规格。
表1 安装套筒成份测试结果

Point
 Si
 Fe
 Cu
 Mn
 Mg
 Zn
 Cr
 Ti
 Others
 Al
Individual Total
Average 0.087 0.122 2.21 0.044 1.46 6.36 0.029 0.039 ＜0.05 ＜0.10 89.6

7A03

规格

0.20

max

0.20

max

1.8-

2.4

0.10

max

1.2-

1.6

6.0-

6.7

0.05

max

0.02-

0.08

0.05

Max

0.10

Max

余量

       2.2 试样断口SEM +EDS分析
       断口清洗后，对其进行SEM形貌观察+EDS成分分析，结果如图2~3及表2所示，可以发现：
       裂纹源分布于套筒内螺牙根部，表面有摩擦的痕迹，同时周围断口变的平滑，应该是断裂面间相互摩擦所致；裂纹源位置有少量异物，成分主要为C、O，可能是沾染的脏污；
       扩展区与瞬断区呈解理断裂形貌，未发现明显的疲劳断裂特征的贝纹线，断面上有内裂纹，裂纹似乎都从内螺牙延伸至套筒外壁。
图2 试样断口形貌
图2 试样断口形貌

图3 EDS成分分析位置（100×）
图3   EDS成分分析位置（100×）
表2   EDS成分分析结果（wt %）
Spectrum C O Mg Al Si S Cl K Ca Fe Cu Zn Total
1 18.52 6.28 1.13 64.86 / / / / / / 2.49 6.71 100
2 61.15 31.75 / 1.64 0.39 0.82 0.29 0.59 0.54 0.57 / 2.27 100
3 16.19 4.69 1.21 69.38 / / / / / / 2.21 6.32 100
4 60.36 36.91 / 0.99 0.23 0.55 0.22 0.48 0.26 / / / 100

       2.3 断裂套筒纵剖切片SEM形貌观察+EDS成分分析
       对套筒断口切片进行SEM形貌观察+ EDS成分分析，结果如图4~5及表3所示，可见：
       位置1、2及断口位置，都存在一些长短不一的裂纹，裂纹都起源于螺牙根部，向材料内部延伸，位置1的裂纹较宽，同时螺牙都存在一些缺口；
       位置1的裂纹内部成分主要为C、O与周边镶埋胶成分一致，应为镶埋胶进入试样造成，未发现化学溶液残留相关成分，推测套筒的裂纹应该产生于表面处理后。

图4  断裂试样切片形貌

图 5 EDS 成分分析位置（500×）
表 3 EDS 成分分析结果（wt %）

Spectrum C O Mg Al Cu Zn Total
位置1
 1 70.43 16.62 0.26 11.83 / 0.86 100
2 77.98 22.02 / / / / 100
3 9.02 1.40 1.16 79.29 2.26 6.86 100

       2.4 套筒螺牙形貌
       对断裂套筒的螺牙形貌进行观察，结果如图 6 所示，可见：
       位置1、2的裂纹都是延晶界扩展；
       螺牙不完整，牙尖都有大小不一的缺口，部分区域变形。
图 6 套筒螺牙形貌(50×)
图 6 套筒螺牙形貌(50×)
       2.5 套筒金相组织
       对断裂套筒的金相形貌进行观察，结果如图 7~8 所示，可见：
       断裂位置与未断裂位置的夹杂物尺寸较小；
       试样表层晶粒较为粗大，内部及牙部晶粒细小。
图 7 试样夹杂物形貌图(500×)
图 7 试样夹杂物形貌图(500×)

图 8 试样金相组织(100×)
图 8 试样金相组织(100×)
       2.6 材质维氏硬度
       对断裂试样表层与芯部维氏硬度进行测量，结果如表 4 所示，可见：
       试样的内部、牙部、断口及裂纹位置硬度均~170 HV，仅在试样表层粗晶层硬度较低，为 156 HV。
表4 断裂试样维氏硬度测试结果

断裂试样 表层 内部 牙部 断口 裂纹
HV 0.3 156 175 171 175 172

       03.分析讨论
       本案中铝材套筒符合 Al 7A03 材质标准规定，夹杂物尺寸较小，除表层局部区域晶粒较大造成晶硬度下降，其它位置的金相组织及硬度均无异常，表明铝线材冷加工及热处理工艺正常。
       从套筒内螺牙上的变形、缺口及其从牙根萌生的裂纹等，可以推断造成套筒开裂是由于套筒与螺丝组合装配偏斜造成的。由于装配偏斜导致配合不牢固，服役过程中易受到横向作用力，从而在应力集中的螺牙位置产生初生微裂纹，微裂纹面在行驶中相互摩擦形成摩擦痕；当因行驶条件恶劣导致横向作用力较大时，初生裂纹便迅速扩展，造成套筒的瞬间断裂。
       04.结论
       套筒符合 Al 7A03 的材质及力学性能的要求，冷加工/热处理工艺未见明显异常；
       套筒断口属于脆性解理模式，裂纹起源于内螺牙位置，推测套筒或螺丝安装过程不当造成的，这种装配组合牢固性略差，不耐横向作用力冲击，可能是本套筒断裂的主要原因；

       建议对套筒及螺丝安装质量自我查证。


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