仪表盘前臂铝合金安装套筒断裂_失效分析案例

【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：20695

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
Point	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Cr	Ti	Individual	Total	Al
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×)

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 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。