陳皓 楊嘉珞 黨鵬 陳乃川 高生輝 楊莉 胡洋

（新疆湘潤(rùn)新材料科技有限公司，新疆哈密 839000）

0 引言

車床加力桿是加緊試樣，防止試樣脫落、飛出車床傷人的重要緊固工具，加力桿的安全性與可靠性嚴(yán)重影響著操作人員的生命安全。某車床操作工在正常使用TC4 加力桿夾緊試樣時(shí)，其突然發(fā)生脆性斷裂，因操作人員躲避及時(shí)，未對(duì)身體造成嚴(yán)重傷害。為了防范避免此類事故的再次發(fā)生，故對(duì)材料斷裂原因進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，以便后續(xù)采取措施防范于未然。

1 試驗(yàn)與分析

1.1 宏觀檢驗(yàn)

由圖1加力桿工具的宏觀圖片可知，加力桿的斷裂位置為材料的1/2 處，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況加力桿平時(shí)操作時(shí)主要受到水平方向的剪切力，初步判斷斷裂引起的原因?yàn)榧羟袘?yīng)力下的疲勞斷裂。圖2 為加力桿斷裂形貌，一端由于保護(hù)不及時(shí)，已經(jīng)損壞，但通過(guò)觀察另一半的斷口宏觀形貌圖3，斷裂部位未見(jiàn)明顯的塑性變形。斷口顏色為暗灰色，無(wú)氧化色彩，在圖2a的A 處，為明顯光亮細(xì)膩的疲勞源區(qū)，往左便是呈現(xiàn)圓弧形的貝紋線即裂紋擴(kuò)展區(qū)和呈現(xiàn)纖維狀的瞬時(shí)脆性斷裂區(qū)。通過(guò)缺口可以發(fā)現(xiàn)，裂紋產(chǎn)生于試樣表面，貝紋線呈圓弧形，瞬時(shí)斷裂區(qū)的面積明顯大于裂紋擴(kuò)展區(qū)的面積[1]，可以推斷出斷裂前的應(yīng)力很大，但沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中[2]。由圖2b 可知，宏觀低倍檢查低倍組織無(wú)裂紋、折疊、氣孔、偏析、金屬或非金屬夾雜及其他目視可見(jiàn)的冶金缺陷。

圖2 加力桿斷裂形貌圖

圖3 加力桿截面維氏硬度測(cè)試結(jié)果

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂試樣一端進(jìn)行取樣，并使用ICP 和CS 設(shè)備對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。通過(guò)對(duì)比GB/T 3620-2016《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》，得出TC4加力桿化學(xué)成分含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 加力桿化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

1.3 維氏硬度檢測(cè)

在斷裂處附近取樣，根據(jù)《GB/T 4340.1-2009 金屬材料-維氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》，使用型號(hào)為310HVS-5 的維氏硬度計(jì)對(duì)樣品截面進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)。分別對(duì)試樣的心部，D/4處和邊部進(jìn)行檢測(cè)。由圖3可知，硬度心部數(shù)值最低，邊部最高，心部到邊部呈增大趨勢(shì)，但仍符合TC4 維氏硬度的一般范圍（≤350）。

1.4 拉伸性能檢測(cè)

對(duì)斷裂加力桿剩余部分拉伸取樣，根據(jù)GBT 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，將拉伸試樣加工成R7 規(guī)格，使用CMT5205美特斯拉伸機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試結(jié)果符合對(duì)一般TC4 的性能要求，其具體拉伸性能為抗拉強(qiáng)度（Rm）為1000 MPa、屈服強(qiáng)度（Rp0.2）為916 MPa、斷后伸長(zhǎng)率（A）為14%、斷面收縮率（Z）為31.5%、彈性模量（E）為118 GPa，其它項(xiàng)性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求（Rm≧895 MPa、Rp0.2≧825 MPa、A≧10%、Z≧25%、E≧110 GPa）。

1.5 金相檢驗(yàn)

在斷裂端附近的截面（圖4）和垂直于截面的剖面（圖5）進(jìn)行金相檢查，經(jīng)磨拋后腐蝕后，使用ICX41M金相顯微鏡對(duì)截面進(jìn)行多視場(chǎng)、不同倍數(shù)觀察，由圖4、圖5可知，顯微組織為正常的α+β兩相區(qū)加工形成的組織，轉(zhuǎn)變?chǔ)禄w上的等軸α和拉長(zhǎng)α相，所有原始β晶界充分破碎，不存在連續(xù)的晶界α相。

圖4 加力桿截面顯微組織

圖5 加力桿垂直于截面的剖面顯微組織

圖6 加力桿ABAQUS6.14有限元分析

1.6 ABAQUS6.14有限元建模分析

根據(jù)材料的現(xiàn)場(chǎng)使用情況，使用ABAQUS6.14對(duì)現(xiàn)實(shí)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，由圖6 可知，在使用時(shí)，兩端施加集中力，繞中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，故可將中心支點(diǎn)在軟件中模擬單邊固定，另一邊定義施加集中力。軟件建模定義材料的參數(shù)根據(jù)拉伸性能可知，楊氏模量為118255 MPa，抗拉強(qiáng)度為1000 MPa，查閱資料可得TC4 的泊松比為0.34。根據(jù)軟件模擬結(jié)果可知應(yīng)力集中區(qū)域和斷裂位置相吻合，結(jié)合顯微組織可以初步推斷出材料斷裂因素由組織不均勻和大量的拉長(zhǎng)α 的存在和長(zhǎng)期頻繁的應(yīng)力集中引起材料的脆性斷裂。

2 綜合分析

以上理化檢驗(yàn)結(jié)果表明材料基本參數(shù)正常，但通過(guò)觀察斷裂失效的加力桿具有以下特點(diǎn)，宏觀上看斷口具有明顯的疲勞斷裂特征，結(jié)合加力桿的使用和斷裂位置，斷裂位置處于高應(yīng)力位置，可推出斷裂的原因?yàn)榧庸ひ鸬谋砻媪鸭y，在“切口”尖端處由于應(yīng)力集中，因而產(chǎn)生初始疲勞裂紋源[3]，降低構(gòu)件的承載能力。同時(shí)分析工作環(huán)境，在長(zhǎng)期交變載荷工作環(huán)境中，在剪切力的作用下，為疲勞裂紋提供了有效的動(dòng)力源[4]。

3 結(jié)論

1）加力桿的失效模式為剪切應(yīng)力下的疲勞斷裂，應(yīng)該降低工件表面粗糙度，避免加工材料產(chǎn)生劃傷，為斷裂提供裂紋源。

2）在材料選擇方面考慮材料的有效應(yīng)力集中因素、尺寸因素和表面質(zhì)量因素，避免材料的疲勞斷裂?；蛘咄ㄟ^(guò)熱處理來(lái)改善材料的性能。