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【失效分析】后把手断裂分析

12月,24,2024 | 浏览次数：1378
       01.测试背景
       客户某产品后把手未达预期使用寿命即发生断裂，断裂位置位于固定端与把手端连接拐角处。客户送检失效样品进行检测分析，以期找出失效原因。

       后把手材质为ADC12，铸造工艺为压力铸造，表面经钝化处理。具体图片如图1所示。

图1-断裂后把手图片

       02.实验方案

分析流程 测试项目 测试设备
断口表面形貌观察
 宏观形貌观察 3D显微镜
微观形貌观察及成分分析 扫描电子显微镜（SEM）+EDS（能谱仪）
切片观察 抛光态&金相组织形貌观察 金相显微镜
材质分析 化学成分测试 火花原子光谱仪
硬度分析 硬度测试 维氏硬度计
结果 结果分析 /


       03.测试结果
       3.1宏观形貌观察：

       对后把手样品断面进行宏观观察发现：断裂位置发生在固定端与把手端连接处，断面无明显颈缩变形，呈灰色，部份位置可观察到磨损和小亮面；裂纹起源于“L”形台阶拐角底部（A区域），经芯部（B区域）扩展，最后断裂于内弧角表面（C区域）。具体宏观形貌见图2。

图2-后把手断口宏观形貌图

       3.2微观形貌观察：

       用扫描电子显微镜观察把手端断面发现：在“L”形台阶拐角底部A区域可观察到较多夹渣和气孔缺陷，在芯部B区域可观察到明显疏松和枝晶缺陷，在内弧角表面C区域也可观察到少量疏松和枝晶缺陷，在外拐角D区域可观察到“冷豆”和夹渣缺陷，断面整体呈脆性断裂。具体形貌见图3、4，成分测试结果见表1、2。

图3-后把手断口微观形貌图

表1-夹渣成分结果表（所给结果为质量百分比）

Spectrum C O Mg Al Si Ca Total
夹渣1 6.74 27.89 / 5.42 0.72 59.23 100.00
夹渣1
 14.68 52.91 0.33 1.99 / 30.09 100.00
夹渣1
 7.79 38.40 / 3.27 / 50.54 100.00


图4-后把手断口微观形貌图

表2-冷豆成分结果表（所给结果为质量百分比）

SPectrum C O Mg Al Si Fe Cu Total
冷豆 15.86 3.97 0.97 63.45 5.58 1.67 5.49 100.00
正常位置 5.99 1.84 / 78.23 11.45 1.24 1.25 100.00


       3.3抛光态形貌观察：

       把手端断面下约0.5mm处浅表层位置1和位置2可观察到明显的“冷豆”和气孔缺陷，芯部位置3（对应A区域）可观察到较大的气孔和缩孔等铸造缺陷。具体形貌见图5。

图5-抛光态形貌图

       3.4金相组织观察：

       把手端断面下约0.5mm处表层和芯部金相组织均为初生α固溶体+（α+Si）共晶体+少量块状共晶硅。具体形貌见图6。

图6-金相组织形貌图

       3.5化学成分测试：

       后把手样品化学成分符合ADC12规格。具体成分结果见表3。

表3-后把手成分结果表（Unit：wt%）

化学成分 Si Fe Cu Mn Mg Zn Ni Sn Pb Ti Al
样品 10.47 0.734 1.63 0.256 0.184 0.639 0.061 0.016 0.035 0.052 余量

ADC 12

（JIS H 5302-2019）

9.6-12.0 ≤1.3 1.5-3.5 ≤0.5
 ≤0.3
 ≤1.0
 ≤0.5
 ≤0.2
 ≤0.2
 ≤0.3
 /


       3.6硬度测试：

       从硬度测量结果可以看出，后把手表层硬度较芯部硬度稍高。具体硬度测试结果见表4。

表4-后把手硬度结果表

位置 表层 芯部
维氏硬度值（HV0.2） 112 95


       04.分析与讨论
      1.后把手断面无明显颈缩变形，裂纹起源于“L”形台阶拐角底部，经芯部扩展，最后断裂于内弧角表面；
       2.后把手断面裂纹源可观察到较多夹渣和气孔缺陷，芯部扩展区可观察到明显疏松和枝晶缺陷，内弧角终端区也可观察到少量疏松和枝晶缺陷，外拐角区可观察到“冷豆”和夹渣缺陷，整体呈脆性断裂；
      3.后把手表层和芯部组织均为初生α固溶体+（α+Si）共晶体+少量块状共晶硅；
      4.后把手样品化学成分符合ADC12规格；
      5.后把手表层硬度较芯部硬度稍高。
      05.结论
      后把手裂纹源位于“L”形台阶拐角底部，此位置夹角为直角，未经圆弧过渡，在受力状态下易造成应力集中，并且该处存在较严重的铸造缺陷（夹渣、冷豆、气孔等），以致强度不足，在使用过程中受力发生断裂。
      06.改善建议
      1.改善后把手铸造工艺，减少铸造缺陷的产生。

      2.在后把手“L”形台阶拐角处设置圆角过渡，减少应力集中。

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