中北大学
铝合金材料的失效分析
《零件失效分析》课程 应用研究进展报告
姓 名: 翁志坤 学 号： 39
学院(系): 材料科学与工程 专 业:
金属材料工程
指导教师： 叶云
评 阅 人： 叶云
2012年 12月 4 日
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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
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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【1】。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【2】，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【3】。
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
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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。
① 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。
② 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
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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
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