零件失效分析》课程。
应用研究进展报告。
指导教师叶云。
评阅人。2023年 12月 4 日。
目录。1、前言3
2.造成铝合金零件的各种失效3-4
2.1阳极氧化膜引起的疲劳失效5
2.2表面加工精度差造成的疲劳损5
2.3热处理和加工工艺失效5
2.4应力腐蚀引起的开裂5-6
2.5腐蚀疲劳引起的失效6
2.6引起腐蚀疲劳失效的原因7
3.防止铝合金材料失效的措施8
4.铝合金失效分析的意义8
铝合金材料的失效分析。
摘要：铝合金是目前一种最广泛应用的合金材料，由于铝合金材所构成的零件在机器运转过程中会受到各种载荷和工作环境的影响，因此经过一定的使用年限后铝合金材料会出现各种形式的失效。本文主要论述造成铝合金各种失效引起的原因及相应采取的预防措施。
关键词：断裂、失效、裂纹、疲劳。
1.前言。铝和铝合金具有密度小、导电性好、耐蚀性强、散热性好、比强度高和易于进行多种加工等特点，使其在各行业得到广泛应用【】。
其中压铸铝合金是目前一种最广泛应用的合金材料，主要有al-si系和al-mg系合金，al-si系合金具有优良的流动性和气密性，较小的收缩率和热裂倾向性，良好的力学性能、物理性能和耐蚀性能。压铸al-si系合金中主要元素有si、cu、mn、fe、al、zn。cu是铝合金中的主要合金化元素之一，添加cu能够提高合金的抗拉强度与疲劳强度，而不会使其铸造性能下降【】，并且有良好机加工性能，这类合金常常应用于如汽车的支架、托架、滑板、刹车毂、泵体、支臂等结构件。
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【】。
2.造成铝合金零件的各种失效。
常见的失效形式主要有：接触疲劳失效、断裂失效、表面损伤失效三种。
（1）接触疲劳失效：齿轮在运转过程中，受到周期变化的接触应力的作用，当接触应力超过一定值时，就会在齿面上产生微小的疲劳裂纹。此疲劳裂纹不断扩展、延伸，最终使小块金属脱落，形成不同形状的小凹坑。
齿面金属材料移失并出现凹坑是齿面疲劳损伤的特征形貌。
（2）断裂失效：机械因断裂而产生的失效。
韧性断裂失效：断裂前有明显的塑性变形。宏观变形方式为颈缩，典型断口呈韧窝状，韧窝是由于空洞的形成、长大并连接而导致韧性断裂产生的。
脆性断裂失效：断裂前无塑像变形。疲劳断裂、应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳断裂和蠕变断裂等均属于脆性断裂。
a.疲劳断裂。
在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，成为金属的疲劳断裂。
b.低应力脆性断裂失效
在工作应力远远低于材料的屈服应力作用下，由于材料自身固有的裂纹扩展导致的无明显塑性变形的突然断裂，成为低应力脆性断裂。低应力脆性断裂按其断口形貌可分为解理断裂和沿晶断裂。
（3）表面损伤失效。
由于磨损、疲劳、复试等原因，使零部件表面失去正常工作所必须的形状、尺寸和粗糙度造成的失效，称为表面损伤失效。
a.磨损失效，任何两个相互接触的零部件发生相对运动时，其表面发生磨损，造成零部件尺寸变化，精度降低而不能继续工作，这种现象称为磨损失效。主要有粘着磨损和磨粒磨损。
b.腐蚀失效，由于化学或电化学腐蚀而造成零部件尺寸和性能的改变而导致的失效称为腐蚀失效。
c.表面疲劳失效，是指连个互相接触的零部件相对运动时，在交变接触应力下，零部件表面层材料发生疲劳而脱落所造成的失效。
2.1阳极氧化膜引起的疲劳失效。
采用锻造7075铝合金制作的。液压缸，经时效处理后阳极镀膜，7075铝合金缸体疲劳裂纹的萌生与阳极氧化膜有关，阳极氧化膜较脆，其表面的微孔洞在循环应力作用下容易产生应力集中，从而成为疲劳裂纹形核的场所。建议将过渡圆弧半径加大以降低应力集中．减少疲劳裂纹萌生的可能性【4】。
2.2表面加工精度差造成的疲劳损失效。
由于材料表面的加工精度较差，经表面处理后仍可以观察到明显的机加工痕迹。经微孔洞洞形核的疲劳裂纹易于沿这些机加工痕迹逐渐扩展至阳极氧化膜下方的铝合金基体，引起疲劳裂纹在缸体材料内部的扩展【5】。
2.3热处理和加工工艺不规范引起的失效。
铝合金在热处理时加工工艺的不规范造成材料内部组织结构不均匀，存在明显的缺陷。材料内部较大的孔洞和几何结构上的阶梯尖角极容易产生较大的应力集中，是材料发生脆性断裂的主要原因。当铝合金内部存在较为严重的疏松缺陷，疏松在压力成型过程中形成内部疏松导致严重的应力集中，在后序工艺过程中的应力作用下沿结合薄弱部位萌生裂纹并扩展开裂。
2.4应力腐蚀引起的开裂。
铝合金零件腐蚀的主要形式包括：点腐蚀、缝隙腐蚀、剥落腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等。它们往往严重降低零件的使用寿命，甚至造成重大事故。
应力腐蚀断裂是一种相当普遍的现象，它是在腐蚀环境和应力的协同作用下发生的低应力腐蚀性破断，是铝合金最容易发生的失效形式之一，一般铝合金中在含有cu、mg、si和zn等可溶性合金元素后即容易产生应力腐蚀破裂。应力腐蚀破裂是指金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下引起的低应力脆性断裂现象【6】。
无论是塑性材料还是脆性材料都可能发生应力腐蚀，它与单纯由应力或腐蚀应力造成的破坏不同，特定条件下在很低力水平或腐蚀性很弱的的介质中，裂纹一旦形成，其裂纹扩展速率要比其他类型的局部腐蚀快，应力腐蚀断裂速率在0.0001-3mm/h之间，大于一般的腐蚀速率【7】。府力腐蚀腐蚀断口平齐．没有明显的塑性变形痕迹，并且裂纹常常被腐蚀产物所覆盖。
裂纹扩展是在金属内部．会使金属结构强度大大下降．从而使得应力蹰蚀断裂成为断裂之前没有明显征兆的突然性断裂，不易预防，不易预防，危害性极大，往往会造成灾难性后果。合金中存在很多尺寸比较大的铸造疏松缺陷以及大量长条形和片状析出相，合金si含量大，由于si的脆性大，因此这些析出相的形貌和缺陷都会加速裂纹萌生和扩展，其暴露在表面无疑会增大合金暴露面积，会同时加速腐蚀过程，从而促进应力腐蚀开裂更易发生【8】。
2.5腐蚀疲劳引起的失效。
铝合金材料在交变载荷和腐蚀环境共同作用下疲劳断裂能力明显下降，材料常常在低应力、弱腐蚀介质下发生破坏，具有突发性强、危害性大的特点。由于冶金、环境、环境的化学与电化学以及材料或构件的受力状态等因素彼此交织在一起，互相影响、互相作用，使得环境敏感断裂错综复杂。张正贵【9】等在应力作用下对带有涂层的高强度铝合金构件在3．5％nacl溶液中腐蚀疲劳断口进行了研究。
结果表明：在腐蚀条件下高强度铝合金构件断口上不仅出现疲劳辉纹，还出现准解理、解理、沿晶等断裂特征，腐蚀疲劳过程属于阳极溶解机制控制。失效形式为多裂纹断裂，在各个铆扎处均有裂纹萌生，其中有一处为主裂纹，其位置不固定，主裂纹扩展距离较长，最后与其它裂纹汇合，最终导致疲劳断裂。
铝合金在3．5％nacl水溶液中腐蚀疲劳开裂属于阳极溶解机制控制，但其裂纹扩展微观断口仍然显示出脆性特征，可以观察到解理、准解理形貌。如下图所示。
2.6引起腐蚀疲劳失效的原因。
阳极溶解能降低原子间的结合力及断裂应力【10】，使腐蚀疲劳断口出现脆性特征。阳极溶解过程只能促进表面材料的变形硬化溶解，对远离变形区的材料力学性能过程没有直接的影响，因此在裂纹尖端受阳极溶解过程影响而发生软化的区域非常小。这一小部分软材料被硬材料包围时，软材中塑性滑移受到抑制，产生较大的三向应力，在这种情况下即使延性材料也发生脆性断裂。
疲劳裂纹沿晶扩展过。
程可能是“表面晶界弱化一受一个循环应力作用破坏一新表面的晶界再弱化、再破坏。”腐蚀不仅损伤金属，同时还改变金属的力学性能【11】。在电化学反应的影响下，金属会发生细微结构的变化，起增塑作用，在裂纹尖端，促进表面位错移出，而位错的移出结果又促进力学化学效应，即加速金属腐蚀，后者反过来又促进位错移出，从而导致裂纹尖端处化学力学损伤的自催化过程【12】。
3.防止铝合金材料失效的措施。
针对铝合金材料可能存在的各种失效，我们可以相应采取一些预防措施，这些措施如下：
1）针对阳极氧化膜引起的疲劳失效，应将零件有过度圆弧的地方的圆弧半径加大以降低应力集中．减少疲劳裂纹萌生的可能性【13】。
2）针对表面加工精度差造成的疲劳损失效，建议提高铝合金材料表面加工精度，降低材料表面粗糙度。
3）针对热处理和加工工艺不规范引起的失效，应严格控制铸造温度和凝固速度，使材料组织均匀，控制产生孔洞及防止材质疏松等缺陷。进行规范的热处理工艺操作。对于压铸铝合金采用低温回火的方法，将工件加热到290℃~300℃，并保温2 ~ 4h，炉冷，以改善塑性，降低内应力，提高尺寸稳定性，同时保持一定的加工硬化效果，提高材料的性能【14】。
也通过增加工作面的厚度，以增加零件的抗拉强度，避免零件过早失效。
4）针对应力腐蚀引起的断裂，需要加强铝合金表面防护工艺。由于腐蚀断裂一般是由氯离子等介质引起的，故一定要防止材料与氯离子等介质接触。
4.铝合金失效分析的意义。
失效分析是一项复杂的技术工作，它不仅要求失效分析工作人员具备多方面的专业知识，而且要求多方面的工程技术人员，操作者及有关的科学工作者的相互配合，才能圆满地解决问题。因此，如果在分析以前没有设计出一个科学的分析程序和实施步骤，往往就会出现工作忙乱、漏取数据、工作缓慢或走弯路，甚至把分析时步骤搞颠倒，使某些应得的信息被另一提前的步骤给毁掉了。在零件失效后，通过失效分析和物理检测的方法可以确定失效件的失效原因和影响因素，能够减少和预防同类机械零件的失效现象重**生，在工程安全和质量管理中具有重大的意义，能产生巨大的经济效益和社会效益。
参考文献：1】姜伟，李春泉，蒋建献·一种7075铝合金液压油缸的失效分析·材料热处理技术，2011，40（18），2】李荣德，于海朋，袁晓光·合金元素在压铸合金中的作用及研究现状·特种铸造及有色合金，2008，136（1）
3】郑真，范映伟·某zl101铝合金零件裂纹失效分析·北京航空材料研究院检测研究中心，2011,8（2）
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