某地鐵生產(chǎn)用鋁合金車體底架邊梁型材在機(jī)加工過程中,出現(xiàn)批量性型材板翼板端部位置出現(xiàn)貫穿性裂紋(見圖1),該型材翼板系地鐵車下設(shè)備安裝的承載部位,裂紋的存在對(duì)列車運(yùn)行具有相當(dāng)?shù)陌踩[患。針對(duì)上述問題,對(duì)型材的原材料理化性能、斷口進(jìn)行了分析,并結(jié)合機(jī)加工工藝,查明型材開裂的原因,為防止今后發(fā)生類似問題提供了科學(xué)依據(jù)。
斷口宏觀觀察
開裂邊梁型材斷口宏觀形貌見圖2,斷口呈現(xiàn)雙面多源開裂特征(疲勞源見圖中型材表面小箭頭處),可見交變應(yīng)力條帶,裂紋擴(kuò)展方向由翼板根部表面向板厚中心擴(kuò)展(見圖中斷面上小箭頭處),板厚中心為最終斷裂區(qū),斷口右側(cè)為取樣時(shí)人工扳斷區(qū)。
斷口SEM分析
對(duì)邊梁型材斷口進(jìn)行掃描電鏡斷口分析,斷口經(jīng)酒精超聲波清洗后,采用EV0-18掃描電子顯微鏡(SEM)觀察邊梁斷口形貌,斷口低倍形貌見圖3a,可見斷口經(jīng)過反復(fù)擠壓的擦傷痕跡;疲勞源區(qū)SEM形貌見圖3b,可見輪胎花樣疲勞特征;疲勞擴(kuò)展區(qū)SEM形貌見圖3c,可見疲勞條帶及平行于疲勞條帶的二次裂紋形貌;最終斷裂區(qū)SEM形貌見圖3d,可見嚴(yán)重的擠壓擦傷及次生裂紋形貌。
擠壓焊縫檢驗(yàn)
對(duì)邊梁型材依據(jù)TB/T3260.4-2011《動(dòng)車組用鋁及鋁合金 第4部分:型材》進(jìn)行擴(kuò)口試驗(yàn),邊梁型材設(shè)計(jì)焊縫位置及實(shí)際焊縫位置見圖3,邊梁型材擴(kuò)口試驗(yàn)試樣見圖4。結(jié)果表明型材的擠壓焊縫不存在焊合不良現(xiàn)象。
化學(xué)成分分析
使用ARL4460直讀光譜儀,依據(jù)GB/T7999-2015《鋁及鋁合金光電直讀發(fā)射光譜分析方法》對(duì)邊梁型材進(jìn)行化學(xué)成分分析,測(cè)試結(jié)果見表1。
結(jié)果表明邊梁型材的化學(xué)成分均符合EN573-3-2013《鋁和鋁合金 鍛制產(chǎn)品的化學(xué)成份和形式 第3部分:化學(xué)成份》標(biāo)準(zhǔn)中6005牌號(hào)鋁合金化學(xué)成分技術(shù)要求。
力學(xué)性能測(cè)試
使用CMT5205-微機(jī)控制材料試驗(yàn)機(jī),依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第一部分室溫試驗(yàn)方法》對(duì)邊梁型材進(jìn)行拉伸性能檢測(cè);使用WE-100液壓萬能試驗(yàn)機(jī),依據(jù)GB/T232-2010《金屬材料 彎曲試驗(yàn)方法》對(duì)邊梁型材進(jìn)行彎曲性能檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見表2,邊梁型材力學(xué)性能測(cè)試試樣見圖5。
結(jié)果表明邊梁型材的拉伸性能與彎曲性能符合EN755-2-2016《鋁和鋁合金擠壓桿材/棒材、管材及型材第二部分:機(jī)械性能》 標(biāo)準(zhǔn)中6005牌號(hào)鋁合金技術(shù)要求。
微觀金相分析
對(duì)邊梁型材開裂位置附近取樣,使用D1m金相顯微鏡與放大鏡,依據(jù)GB/T3246.1-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第1部分 顯微組織檢驗(yàn)方法》和GB/T3246.2-2012《變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法 第2部分 低倍組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行金相檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果見表3。邊梁型材金相組織形貌見圖6。
機(jī)加工工藝分析
邊梁型材翼板開裂時(shí)機(jī)加工程序見圖7,刀具前進(jìn)方向及刀具轉(zhuǎn)向見圖中箭頭處。可見邊梁翼板開裂位置在機(jī)加工的最后工序,在加工該部位時(shí),翼板整體已不連續(xù),加工部位已呈獨(dú)立承載壯態(tài),且受工裝長(zhǎng)度所限,該部位無工裝加固,懸空近320mm左右,在加工過程中翼板根部承受交變彎曲應(yīng)力。
分析與討論
(1)邊梁型材成份、拉伸和彎曲性能、宏微觀組織均符合標(biāo)準(zhǔn)要求,開裂位置與型材焊縫不重合。
(2)邊梁型材裂紋斷口呈多源性疲勞特征,在加工過程中受交變彎曲應(yīng)力與振動(dòng)疊加作用,在邊梁翼板根部萌生疲勞源,并由表面向根部心部擴(kuò)展。
(3)開裂批次邊梁型材的機(jī)加工與前期生產(chǎn)的批次由于加工工位的變更,機(jī)加工工藝作了調(diào)整,主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:一是原來加工方向?yàn)橛蛇吜憾瞬块_始加工,改為邊梁端部最后工序加工;二是加工進(jìn)給量增加;三是采用垂向銑刀。
結(jié)論及建議
(1)型材開裂的主要是由于機(jī)加工工藝不當(dāng),造成型材端部翼板受到較在交變彎曲應(yīng)力與振動(dòng)作用所致。
(2)建議對(duì)機(jī)加工工藝進(jìn)行如下調(diào)整:1、改變加工方向;2、減少進(jìn)給量;3、改立銑為橫銑機(jī)加工方式。
以h 文章來源于機(jī)械裝備缺陷與失效分析 ,作者Arvin0924
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