失效案例：铝型材开裂原因分析

　　某地铁生产用铝合金车体底架边梁型材在机加工过程中，出现批量性型材板翼板端部位置出现贯穿性裂纹（见图1），该型材翼板系地铁车下设备安装的承载部位，裂纹的存在对列车运行具有相当的安全隐患。针对上述问题，对型材的原材料理化性能、断口进行了分析，并结合机加工工艺，查明型材开裂的原因，为防止今后发生类似问题提供了科学依据。

　　断口宏观观察

　　开裂边梁型材断口宏观形貌见图2，断口呈现双面多源开裂特征（疲劳源见图中型材表面小箭头处），可见交变应力条带，裂纹扩展方向由翼板根部表面向板厚中心扩展（见图中断面上小箭头处），板厚中心为最终断裂区，断口右侧为取样时人工扳断区。

　　断口SEM分析

　　对边梁型材断口进行扫描电镜断口分析，断口经酒精超声波清洗后，采用EV0-18扫描电子显微镜（SEM）观察边梁断口形貌，断口低倍形貌见图3a，可见断口经过反复挤压的擦伤痕迹；疲劳源区SEM形貌见图3b，可见轮胎花样疲劳特征；疲劳扩展区SEM形貌见图3c，可见疲劳条带及平行于疲劳条带的二次裂纹形貌；最终断裂区SEM形貌见图3d，可见严重的挤压擦伤及次生裂纹形貌。

　　挤压焊缝检验

　　对边梁型材依据TB/T3260.4-2011《动车组用铝及铝合金第4部分：型材》进行扩口试验，边梁型材设计焊缝位置及实际焊缝位置见图3，边梁型材扩口试验试样见图4。结果表明型材的挤压焊缝不存在焊合不良现象。

　　化学成分分析

　　使用ARL4460直读光谱仪，依据GB/T7999-2015《铝及铝合金光电直读发射光谱分析方法》对边梁型材进行化学成分分析，测试结果见表1。

　　结果表明边梁型材的化学成分均符合EN573-3-2013《铝和铝合金锻制产品的化学成份和形式第3部分：化学成份》标准中6005牌号铝合金化学成分技术要求。

　　力学性能测试

　　使用CMT5205-微机控制材料试验机，依据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验第一部分室温试验方法》对边梁型材进行拉伸性能检测；使用WE-100液压万能试验机，依据GB/T232-2010《金属材料弯曲试验方法》对边梁型材进行弯曲性能检测，检测结果见表2，边梁型材力学性能测试试样见图5。

　　结果表明边梁型材的拉伸性能与弯曲性能符合EN755-2-2016《铝和铝合金挤压杆材/棒材、管材及型材第二部分：机械性能》标准中6005牌号铝合金技术要求。

　　微观金相分析

　　对边梁型材开裂位置附近取样，使用D1m金相显微镜与放大镜，依据GB/T3246.1-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法第1部分显微组织检验方法》和GB/T3246.2-2012《变形铝及铝合金制品组织检验方法第2部分低倍组织检验方法》进行金相检验，检验结果见表3。边梁型材金相组织形貌见图6。

　　机加工工艺分析

　　边梁型材翼板开裂时机加工程序见图7，刀具前进方向及刀具转向见图中箭头处。可见边梁翼板开裂位置在机加工的最后工序，在加工该部位时，翼板整体已不连续，加工部位已呈独立承载壮态，且受工装长度所限，该部位无工装加固，悬空近320mm左右，在加工过程中翼板根部承受交变弯曲应力。

　　分析与讨论

　　（1）边梁型材成份、拉伸和弯曲性能、宏微观组织均符合标准要求，开裂位置与型材焊缝不重合。

　　（2）边梁型材裂纹断口呈多源性疲劳特征，在加工过程中受交变弯曲应力与振动叠加作用，在边梁翼板根部萌生疲劳源，并由表面向根部心部扩展。

　　（3）开裂批次边梁型材的机加工与前期生产的批次由于加工工位的变更，机加工工艺作了调整，主要体现在以下三个方面：一是原来加工方向为由边梁端部开始加工，改为边梁端部最后工序加工；二是加工进给量增加；三是采用垂向铣刀。

　　结论及建议

　　（1）型材开裂的主要是由于机加工工艺不当，造成型材端部翼板受到较在交变弯曲应力与振动作用所致。

　　（2）建议对机加工工艺进行如下调整：1、改变加工方向；2、减少进给量；3、改立铣为横铣机加工方式。