熔模铸造铝合金结构件断裂原因分析及改进措施
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|1.微顶管产品结构特点
对于材质为-T6铝合金的熔模铸件，图1为铸件断裂后的形貌，它通过两个燕尾榫用螺栓固定在设备上，其中一个燕尾榫在使用过程中从根部断裂。同批次送检样品3个，其中对比样品2个（记为1号、2号），失效件1个，其形貌如图2所示。1号中椭圆线标记的位置与失效件燕尾榫的断裂位置相同，此位置在内壁凹槽内。从结构分析看，断裂的燕尾榫处于弱应力区域，断裂区域A位于凹槽与本体的凸凹交界处。对1号件采用有限元模拟进行结构应力分析，2号件进行理化试验分析。 对失效件进行扫描电镜显微断口分析,将断口划分为A~D4个区域。
图1 断裂部位及形貌
（一）1号
（b）2号
（c）零件故障
图2 三个样品的形貌
2 成分分析
对试样的化学成分进行分析（取样位置见图1b），结果如表1所示，成分符合GB/T 1173-1995[1]中对合金的要求。
表1 合金化学成分
3. 组织与硬度分析
取2个金相试样，取样位置及编号如图1b所示。编号为I的位置与失效燕尾槽位置相同，金相分析主要以试样I为准。试样I的形貌如图3所示，试样内部存在微观孔洞，结合图4、图5a可知孔洞主要为枝晶间缩孔，这是因为取样位置位于浇口附近，浇注过程中覆盖区过热，容易产生缺陷。
利用ZEISS 7946.1-1999标准[3]规定，经过充分变质处理的铝合金铸件晶粒应细小、分布均匀，共晶硅形貌应细小、呈点状或虫状。而试样I上分布的共晶硅粗大、较长，这是未变质或变质不充分造成的。
图3 样品I的形貌
图4 样品I的二次枝晶间距测量
（一）×50 （二）×200
图5 试样Ⅰ金相组织
试样Ⅱ的形貌如图6所示，试样中同样存在显微孔洞，二次枝晶间距约为0.28mm，如图7所示。金相组织为α（Al）+共晶Si+含Fe相，其中共晶Si粗大呈片层状，部分含Fe相呈鱼骨状分布，如图8所示。
图6 样品Ⅱ的形貌
图7 试样II的二次枝晶间距测量
（a）50× （b）200×
图8 试样Ⅱ的金相组织
对样品I进行金相分析后进行布氏硬度试验，结果如表2所示，结果表明，样品硬度符合标准要求。
表2 布氏硬度（HBW）
4 断裂分析
将4个失效件燕尾断口置于FEI扫描电镜下观察其周围断口情况，断口位置如图2c所示。
断口A的低倍形貌如图9a所示，未发现明显的机械加工痕迹等缺陷。从图9b可以看出，断口A内壁有摩擦挤压的痕迹，内壁大部分区域被挤压。根据挤压痕迹结合实际工况可以判断，裂纹从外壁延伸到内壁。从外壁表面向内壁可以观察到断口沿较厚较长的条状共晶硅表面断裂，呈现脆性断裂特征。此外，在外壁表面或亚表面可见一些疏松的孔洞，如图9c和9e所示。对图9c中断口1位置的能谱分析可知铸造铝合金，1位置的Si含量较高，说明此处的断口沿较厚较长的针状共晶硅表面断裂。
对断口B~D进行观察，发现断口呈沿粗长条共晶硅表面断裂的脆性断裂特征。对图10b中位置2的能谱分析表明，A区中位置2处的成分与位置1处接近。B区内壁也存在摩擦压缩痕迹，但与A区相比，A区的摩擦压缩更为严重。因此，也可以判定断裂首先从A区外壁开始，如图10所示。
（g）位置1的能谱结果
图9：断口A面形貌及能谱结果
（g）位置 2 处的能谱结果
图10 B、C、D侧断口形貌
5 有限元建模与分析
根据客户提供的图纸，结合表3中合金的具体参数建立模型，采用ANSYS软件进行有限元分析，主要以六面体单元进行网格划分，分析静载荷作用下的应力-应变分布状态。对瞄准距离施加固定约束，在燕尾螺栓连接孔处施加4kN载荷，进行有限元计算，加载情况如图12所示。
表3 具体材料参数
图11 加载方法
图13为载荷作用下试件的应力应变分布情况，可以看出Von-miss应力应变最大值出现在管体凸凹角部的倒角处，在施加4kN载荷下，Von-miss应力最大值达到376.9MPa，即沟槽与基体凸凹交界处应力最大。
图 12 Von-miss 应力分布
6 结果与讨论
金相组织为α-Al+共晶Si+含Fe相，其中共晶硅粗大，呈片状。根据JB/T 7946.1-1999标准，该试样为未变质或变质不充分。金相观察发现试样内部存在部分枝晶间缩孔（微缩孔），通过定量金相分析二次晶臂间距值约为0.3mm。
微断口各区域观察结果表明，断口多沿厚条状共晶Si发生，呈脆性断裂特征。结合实际工况（靶工况冲击载荷）及断口结果分析，燕尾形断口从A区域外壁开始。断口上可见疏松、孔洞等缺陷。
瞄准距离结构分析可知失效部位位于内壁凹槽区域，而A区域外壁开裂位置位于凹槽与底座凸凹交界处壁厚最薄处；有限元仿真受力分析结果可知凹槽与底座凸凹交界处凸凹交界处应力最大（376.9 MPa），即凹槽与底座凸凹交界处应力最大。
铸造铝合金的性能受多种因素影响，如孔隙、气孔等缺陷，二次枝晶间距，共晶Si的大小、数量和形态，富铁相的形态和尺寸等。铝合金初生相的性能主要由二次晶臂间距决定，而二次相的性能主要由共晶Si决定。有资料显示，铝液在铸造过程中易发生氢吸附和氧化[4-6]，导致出现孔隙、夹杂、疏松等铸造缺陷。如果这些缺陷存在于合金中，就会起到缺口的作用，成为裂纹形核的有利位置，从而降低合金的疲劳性能和强度。另外，铝硅铸件变质处理不充分，容易导致共晶Si以条带状分布在α固溶体中，影响基体的连续性，从而降低材料的塑性，增加铸件的脆性。 铁相和粗大共晶Si均属于脆性相，它们的存在会引起较高的应力集中，从而加速裂纹的萌生，降低基体的塑性和强度。
综上所述，红外测距燕尾槽的开裂方式为从A区外壁开始的脆性断裂。断裂原因一方面从测距组织及组织应力情况分析，断裂位置在壁厚最薄处，应力集中较大，在受到外力作用时，此区域应力最大；另一方面从材料本身分析，铸件未发生变质或变质处理不充分，导致共晶Si以粗大条状分布于α固溶体中，降低了材料的塑性，增加了脆性；另外还有疏松孔隙，降低了材料的抗疲劳性能和强度，这些都使裂纹容易形成和扩展。以上因素的综合作用导致测距燕尾槽在冲击载荷作用下根部产生裂纹，裂纹逐渐扩展而引起脆性断裂。
7 结论
（1）铝合金结构件燕尾榫的开裂方式为脆性开裂，裂纹萌生位置位于凸起处及管体的倒角外壁处。
（2）铝合金结构件断裂原因：一方面从铸件组织和组织受力情况看，断裂部位在壁厚最薄处，应力集中较大，受到外力作用时，此区域应力最大；另一方面从材料本身看，铸件变质处理不充分，枝晶间存在缩孔，降低了材料的塑性和抗疲劳性能。