一种7075铝合金液压油缸的失效分析
Al-Zn-Mg-Cu 合金属于热处理强化型合金 ,具有密度低、比强度高和硬度、热加工性能好以及耐腐蚀性能和断裂韧性较好等优点。 广泛应用于航空航天领域, 并成为该领域中重要的结构材料之一。 近些年来,国内外材料学者通过优化合金的成分设计,改善合金的热处理工艺, 研制出各种高性能的超高强铝合金。
作为综合性能优良的工程材料7075 合金,被广泛应用于飞机和汽车制造工业、船舶和海洋工业、家电工业、采矿与冶金工业、石化工业、铁道和机车工程以及建筑工业等高应力下工作的机械零件[1-6]。 在工程机械行业中,液压缸体也开始采用锻造7075 铝合金制作,经时效处理后阳极镀膜。 其使用工况一般为:循环频率为 20~30 次 /min,承受压力≥10MPa,主要断裂形式为疲劳断裂。 然而,一些7075 铝合金制成的液压油缸在使用过程中发生瞬间断裂,严重影响经济效益。 为了提高产品使用寿命,降低故障率,分析失效产生的原因对于 7075 铝合金缸体的生产具有重大意义。
1室温力学性能测试
材料力学性能测试所需样品取自一个在使用过程中瞬间断裂的7075 铝合金液压油缸筒壁。室温力学性能测试在CSS-44100 型万能电子拉伸机上进行,拉伸速率为2 mm/min,一共测试 8 根试样,测试结果取平均值。 实际测得该合金的抗拉强度为470.5 MPa,屈服强度为410.1 MPa,伸长率为 6.9%。由测试结果可知, 失效缸体的力学性能远低于标准值,其典型性能为(T73/T7351):抗拉强度 503 MPa、屈服强度434 MPa、伸长率 13%。
2疲劳断口扫描分析
图1 为铝合金缸体的疲劳断口宏观形貌。 从图1(a)中可看到,靠近缸体内壁的断口处存在多处疲劳源区,如箭头所示。图1(b)即为图1(a)中方框所示区域,即本次疲劳断口失效分析区域,其中疲劳源区附近的浅灰色即为疲劳裂纹稳态扩展区,暗灰色为疲劳裂纹瞬断区。
图2 为缸体断口内壁阳极氧化膜的 SEM 形貌。 可以看出,阳极氧化膜的厚度为 20μm 左右,且在阳极氧化膜上可以观察到明显的刀痕和微孔。图3 为断口疲劳裂纹源区的 SEM 形貌,图3(b)为图3(a)中矩形框内的区域。 从图3(b)中可看到疲劳裂纹起始于阳极氧化膜微孔与基体的界面处(箭头所示)。 阳极氧化膜上微孔的存在有利于摩擦过程,但容易成为疲劳裂纹源,不利于材料的抗疲劳。图3(c)中是另一处裂纹源区的形貌,从箭头处可以看到疲劳裂纹形核于阳极氧化膜表面的微孔处,并沿着机加工痕迹扩展。
3微观组织透射电镜分析
从所提供的7075 铝合金缸体上线切割出一片厚度为1 mm 的薄片, 并在磨样机上水磨至 0.1 mm,随后冲成直径为3 mm 的小圆片。 小圆片在双喷仪上经过双喷电解抛光制备出所需的透射电镜样品。 制样温度为-20~-25℃, 采用硝酸和甲醇体积比为 2∶8的双喷液。
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