7075高強度鋁合金操作桿斷裂失效分析

史潤軍 王曉生

摘 要：【目的】高壓開關設備斷路器試驗樣機內部高強度鋁合金操作桿在特殊機械故障模擬試驗過程中發生斷裂，需要查明7075高強度鋁合金操作桿斷裂失效原因。【方法】利用宏觀觀察、化學成分分析、硬度測試、金相檢驗、掃描電鏡斷口分析等失效分析法對該操作桿斷裂原因進行分析。【結果】研究發現，該操作桿的斷口表面主要呈輝紋特征，屬疲勞斷裂。【結論】7075高強度鋁合金操作桿斷裂失效是由硬度偏低、強度不足造成的，當操作桿在模擬試驗累計動作時萌生疲勞裂紋，最終導致操作桿發生裂紋的擴展和斷裂。

關鍵詞：高強度鋁合金；輝紋；疲勞斷裂；失效分析

中圖分類號：TG115.28 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）14-0040-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.14.008

Fracture Failure Analysis of 7075 High-Strength Aluminum Alloy

Operating Rod

SHI Runjun ?WANG Xiaosheng

（Henan Pingzhi High Voltage Switch Co.，Ltd.，Pingdingshan 467013，China）

Abstract： [Purposes] The reason of fracture of 7075 high-strength aluminum alloy operating rod in the circuit breaker test prototype of high-voltage switchgear broke during a special mechanical failure simulation test needs to be discovered. [Methods] Failure analysis methods such as macroscopic observation， chemical composition analysis， hardness test， metallographic examination， SEM fracture analysis were used to analyze the fracture causes. [Findings] the fracture surface of the manipulator was characterized by striations and belonged to fatigue fracture. [Conclusions] the fracture failure of 7075 high strength aluminum alloy manipulator is due to its low hardness and insufficient strength. When the manipulator is subjected to the accumulative action of the simulated test， fatigue cracks appear， finally， crack propagation and fracture occurred in the manipulator.

Keywords： high strength aluminum alloy; glow veins; fatigue fracture; failure analysis

0 引言

7075鋁合金是一種冷處理鍛壓合金，為高強度鋁合金，具有良好的機械性能，易于加工，耐磨性好，抗腐蝕性能強、抗氧化性好［1-3］。在高壓開關設備中，常采用7075-T6高強度鋁合金來制造強度要求高、重量要求輕的關鍵部件，如斷路器用密封桿、帶合閘電阻斷路器用操作桿、拐臂等。本研究對7075高強度鋁合金操作桿斷裂失效原因進行分析。

1 樣機試驗

對高壓開關設備斷路器試驗樣機進行機械故障模擬試驗，在試驗過程中樣機發生拒動，拆解調查后發現，操作桿接頭退刀槽位置出現斷裂。工況及操作桿信息如下：該機械故障模擬試驗設計動作10 000次，操作桿累計動作9 975次后發生斷裂。操作桿材質為7075-T6，其失效端與接頭（材料為35CrMo合金鋼）采用螺紋連接，另一端與接頭（Q235A）連接。操作桿是直動傳動的，驅動35 kg設備進行往復運動。往復運動過程中徑向有一定位移，存在一定的彎曲載荷。直動傳動速度很快，傳動過程中承受較大的沖擊載荷。操作桿斷裂后的實物照片如圖1所示。

2 化學成分分析

在斷裂的操作桿上取樣，采用OES型直讀式光譜儀進行化學成分分析，分析結果見表1。由表1可知，失效操作桿的化學成分符合標準《變形鋁及鋁合金化學成分》（GB/T 3190—2020）中牌號7075的技術要求。

3 硬度測試

在斷裂的操作桿上取樣，采用布氏硬度計進行硬度測試，測試結果見表2。由表2可知，失效操作桿芯部的硬度范圍為106～145 N/mm2。

在斷裂的操作桿上取樣，采用顯微維氏硬度計進行硬度測試，測試結果見表3。由表3可知，失效操作桿近表面和芯部的平均硬度分別為118 N/mm2和137 N/mm2。

4 宏觀檢測與SEM分析

采用體視顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察失效操作桿斷口的宏觀和微觀形貌，結果如圖2到圖9所示。圖2為失效操作桿斷口表面的宏觀形貌，選取A、B、C三個區域進行斷口分析。圖3中A-1、B-1、C-1為操作桿斷口近內壁區域，A-2、B-2、C-2為操作桿斷口近外壁區域。由圖4、圖6、圖8可以看出，失效操作桿斷口近內壁的斷口較為平坦，微觀形貌主要是在交變應力下產生的疲勞輝紋，為疲勞斷裂的典型特征。由圖5、圖7、圖9可以看出，失效操作桿斷口近外壁區域斷口呈不規則的纖維狀，在這個區域內發生了明顯的塑性變形，斷口形貌呈現“韌窩”狀，這是塑性斷裂的典型特征，可視為斷裂瞬斷區［4］。操作桿在交變載荷的作用下，材料失穩，最終在外壁區域發生過載斷裂。

5 金相測試

根據《金屬顯微組織檢驗方法GB/T 13298—2015》中的要求，在失效操作桿斷口附近區域的橫向和縱向制取金相試樣，依次鑲嵌、磨拋和腐蝕，然后采用金相顯微鏡進行觀測，觀察結果如圖10到圖14所示。由圖可知，該失效操作桿的組織為 α（Al）+析出相［5］。此外，在該失效操作桿螺牙處還觀察到腐蝕現象。

6 分析與討論

由化學成分分析可知，失效螺桿的化學成分符合標準《變形鋁及鋁合金化學成分》（GB/T 3190—2020）中牌號7075的技術要求。金相測試結果顯示，該失效操作桿的組織為α（Al）+析出相。此外，在該失效件螺牙處還觀察到腐蝕現象。宏觀檢測與SEM分析結果表明，失效操作桿斷口近內壁的微觀形貌主要呈疲勞輝紋特征，其斷口面近外壁區域為過載斷口形貌。

硬度測試結果顯示，失效操作桿芯部的硬度范圍為106～145 N/mm2。失效操作桿近表面和芯部的平均硬度分別為118 N/mm2和137 N/mm2。由于尺寸限制，該失效件不能進行拉伸測試，提供換算可知，由于標準中參考示例7系鋁合金只有7A04，無7075對應規定值，而7A04 和7075 的化學成分相似，金相組織均為α（Al）+析出相，故參考的硬度換算示例選用7A04。操作桿圖紙要求7075-T6鋁合金抗拉強度在560 MPa以上。查詢相關資料可知［6］，7A04 鋁合金人工時效后抗拉強度在560 MPa，布氏硬度不小于156.0 N/mm2、維氏硬度不小于164.4 N/mm2。結合失效操作桿布氏硬度和維氏硬度實測值，該失效件硬度不合格，強度不合格。

綜上所述，該失效操作桿的化學成分符合標準要求，金相組織正常，其斷口表面主要呈輝紋特征，屬疲勞斷裂。結合布氏硬度和維氏硬度結果，參考《機械設計手冊》［6］進行換算后可知該失效操作桿硬度不合格、強度不合格，無法滿足圖紙設計要求。因此，該操作桿的斷裂失效是由零件自身硬度偏低、強度不足所致，當操作桿在模擬試驗累計動作時萌生疲勞裂紋，最終導致操作桿發生裂紋的擴展和斷裂。后續重新制造性能合格的操作桿，裝機前要通過試驗驗證。

參考文獻：

［1］鄧運來，張新明.鋁及鋁合金材料進展［J］.中國有色金屬學報，2019（9）：2115-2141.

［2］DAS T，KARUNANITHI R，SINHA A，et al.Deformation，decomposition and hardening behavior of nano Al7075 alloy prepared by mechanical milling and hot pressing［J］.Advanced Powder Technology，2016（4）：1874-1877.

［3］蔣宏婉，任仲偉，袁森，等.7075鋁合金加工表面質量研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2022（8）：137-139，143.

［4］肖洪秀，伍曾，黃新杰.高鐵扣件彈條疲勞斷裂原因分析［J］.工業安全與環保，2021（2）：50-54.

［5］晁代義，于芳，李紅萍，等.均勻化工藝對大尺寸7075鋁合金組織和性能的影響［J］.材料導報，2020（S2）：1362-1364.

［6］聞邦春.機械設計手冊［M］.6版.北京：機械工業出版社，2018.