铝合金车轮支架台架开裂失效分析

卢蕾蕾 冯海林

摘 要：对两件开裂的车轮支架（编号分别为1#、2#）进行失效分析。试验过程中首先产生疲劳开裂损伤，后续过程中受较大载荷作用疲劳裂纹发生快速扩展从而形成宏观可见裂纹。通过观察、金相分析，光谱分析及电镜分析认为：1#车轮支架筋条上存在一条裂纹，开裂模式为疲劳开裂，发生开裂的原因应与筋条表面存在聚集态疏松缺陷导致其抗疲劳性能降低有关;2#车轮支架两筋条上各存在一条裂纹，二者开裂机理一致。

关键词： 铝合金;车轮支架;失效;缩松;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

某車轮支架铸造工艺为差压铸造，其材料为铸造铝合金AlSi7Mg0.3，热处理为T64状态，车轮支架的制备工艺按照如下流程进行：熔炼—除气—变质处理—CPC铸造—去浇冒口—去飞边—X光探伤—T64处理—表面荧光检测。机械性能如下：Rm>330Mpa，Rp0.2>269Mpa，A5>8.8。孔隙率：D1/0.5。符合并优于图纸要求。但在台架验证时，性能不太稳定，失效位置均在两根筋条上。为了便于查找失效原因，从宏观到微观进行系统地试验与分析，为便于优化工艺。

1 宏观观察

车轮支架宏观形貌见图1。结构中有两根筋条，为便于说明将其标记为A、B。1#车轮支架B筋条的中部存在一条裂纹，垂直于筋条扩展，筋条两侧扩展长度分别约为10mm、18mm，其它部位未见开裂;2#车轮支架A筋条的1/4处存在一条裂纹，垂直于筋条扩展，筋条两侧扩展长度分别约为37mm、46mm，B筋条一端处（靠近A裂纹）存在一条裂纹，垂直于筋条扩展，筋条两侧扩展长度分别约为14mm、18mm，其它部位未见开裂。以上三条裂纹附近表面均未见损伤及腐蚀痕迹。

采用机械方法将三条裂纹打开，对断口进行观察。三个断口宏观形貌较为相似：断口平齐，断面粗糙、有金属光泽，未见腐蚀、变形及损伤痕迹;断口源区位于筋条顶部或顶部附近表面，扩展区呈放射状;侧面观察，2#A断口源区附近表面较为粗糙，其余两断口源区附近表面未见明显异常，见图2。

2 微观观察及能谱分析

采用扫描电镜及能谱仪对三个裂纹断口进行微观形貌观察及能谱分析[1-3]，发现如下现象：

（1）1#断口源区位于筋条顶部附近表面，约1.06mm（宽度）×0.29mm（深度）范围内存在聚集态疏松缺陷，断面其它区域均呈磨损+疲劳条带形貌，见图3。

（2）2#两个断口形貌较为相似：均由表面起源，整个断面未见明显材料缺陷，断口源区及其附近扩展区呈磨损+疲劳条带形貌，疲劳扩展区深度分别约为11mm（A）、3.5mm（B），分别占各自裂纹总长度的1/4（A）、1/5（B），扩展区其它区域呈韧窝形貌，见图4。

对断面进行能谱分析，主要含有Al、Si及少量Mg元素，未见异常元素存在，能谱图见图5。

3 金相分析及显微硬度测试

从1#裂纹及2#A裂纹区域分别截取部分试样进行组织观察及显微硬度测试，发现：1#试样裂纹源区约0.28mm×0.19mm（深）范围内存在聚集态疏松缺陷，其它区域未见明显的材料缺陷;2#试样整个剖面上未见明显的材料缺陷。两个试样显微组织未见明显差异，为变质良好组织。

对金相试样进行显微硬度测试，两试样显微硬度未见明显差异，符合T64状态要求。

4 分析结果

能谱分析结果表明车轮支架所用材料的主合金元素未见异常，材料硬度符合T64状态要求。

（1）1#车轮支架B筋条的中部存在一条裂纹，垂直于筋条扩展，裂纹区域未见变形、腐蚀及损伤痕迹。裂纹断口源区位于筋条顶部表面，源区深约0.29mm范围内存在聚集态疏松缺陷，断口扩展区呈磨损+疲劳条带形貌，根据以上观察结果综合分析认为，裂纹的开裂模式为疲劳开裂，发生开裂的原因应与筋条表面存在聚集态疏松缺陷导致其抗疲劳性能降低有关。

（2）2#车轮支架A筋条的1/4处存在一条裂纹， B筋条一端处存在一条裂纹，两个位置均为应力集中区，为结构中的薄弱环节;两裂纹均垂直于筋条扩展，未见变形、腐蚀及损伤痕迹。两裂纹断口形貌较为相似：均起源于筋条顶部或顶部附近表面，整个断面未见明显材料缺陷，源区及源区附近扩展区微观呈磨损+疲劳条带形貌，疲劳扩展区长度占整个裂纹长度的比例分别约为1/4（A）、1/5（B），扩展区其它区域呈韧窝形貌，根据以上观察结果综合分析认为，试验过程中两筋条应力集中部位首先产生疲劳开裂损伤，后续过程中受较大载荷作用疲劳裂纹快速扩展从而形成宏观可见裂纹。

5 结论

通过对两件车轮支架的观察与分析认为：1#车轮支架筋条上存在一条裂纹，开裂模式为疲劳开裂，发生开裂的原因应与该区域表面存在聚集态疏松缺陷导致其抗疲劳性能降低有关;2#车轮支架两条筋条上各存在一条裂纹，二者开裂机理一致：试验过程中首先产生疲劳开裂损伤，后续过程中受较大载荷作用疲劳裂纹快速扩展从而形成宏观可见裂纹

参考文献

[1] 李烔辉，林德成.金属材料金相图谱[M].北京：机械工业出版社， 2006.

[2] 刘正义，吴连生，等.机械装备失效分析图谱[M].广州：广东科技出版社，1990.

[3] 傅日光.低压铸造常见缺陷分析与防治方法[J].科技资讯，2010（25）： 114.