鋁合金水管接頭失效分析

王 偉，趙曉康，朱紹峰

(1.安徽省機(jī)械科學(xué)研究所，安徽 合肥 230022；2.安徽建苑質(zhì)量檢測有限公司，安徽 合肥 230022；3.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 2300222)

變形鋁合金具有很好的強(qiáng)度與韌性配合，有較好的比強(qiáng)度和比剛度，是各類航空航天部件中的主要結(jié)構(gòu)材料，在工程上廣泛使用。2A12（LY12）鋁合金為鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金，具有良好的強(qiáng)度與塑性，綜合性能較好，可以采用熱處理工藝強(qiáng)化，有一定的耐熱性能，可制作150℃以下工作的構(gòu)件，是硬鋁中用量最大的合金[1]。鋁合金主要的強(qiáng)化手段主要有固溶強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)化以及細(xì)晶強(qiáng)化等，對鋁合金鑄錠、退火、成型、固溶處理、時(shí)效等過程的工藝參數(shù)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制，以確保構(gòu)件的質(zhì)量。2A12鋁合金熱軋溫度390℃～440℃，淬火溫度485℃～498℃，過燒溫度502℃，有很強(qiáng)的過燒敏感性，固溶處理溫度應(yīng)嚴(yán)格控制。另一方面，為保證時(shí)效過程有好的強(qiáng)化效果，應(yīng)盡量提高加熱溫度，以使強(qiáng)化相固溶。某水管接頭產(chǎn)品采用2A12鋁合金制造，用熱處理狀態(tài)為T4的棒料直接加工而成。該構(gòu)件在服役過程中承受交變載荷，水管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為蒸餾水。經(jīng)一段時(shí)間服役后，發(fā)現(xiàn)水管接頭出現(xiàn)早期開裂。

1 基本情況

圖1是水管接頭示意圖，A處為出水口，與軟管連接；B處為進(jìn)水口。斷裂發(fā)生于出水口根部約90°的交界處。斷口呈橢圓形，最大內(nèi)徑約6.44mm，最小內(nèi)徑約6.40mm。斷口平面與軸線約呈45°角，對稱分布，斷面無明顯塑性變形，斷口呈木紋狀（圖2）。

圖1 水管接頭示意圖

圖2 斷裂水管接頭宏觀形貌

2 理化檢驗(yàn)

2.1 化學(xué)成分分析

采用化學(xué)分析方法對斷裂樣品進(jìn)行成分分析，根據(jù)GB/T 3190-2008標(biāo)準(zhǔn)，開裂水管接頭樣品化學(xué)成分符合2A12材料成分要求。

表1 樣品化學(xué)成分分析（wt%）

2.2 金相檢驗(yàn)

在平行于斷面方向取樣，采用混合酸溶液腐蝕，顯微鏡下觀察為帶狀組織（圖3a），組織不均勻，層狀組織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相。高倍下未見過燒現(xiàn)象（圖3b）。

圖3 水管接頭顯微組織

2.3 斷口微觀形貌

斷口表面已嚴(yán)重?fù)p壞，未能觀察到原始斷裂特征。圖4為斷口表面上損傷痕跡。呈層狀斷口。

圖4 失效水管接頭斷口形貌

2.4 力學(xué)性能測試

對斷裂水管接頭進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，平均結(jié)果為132Hv。根據(jù)HB/Z 215-1992《鋁合金板材硬度與強(qiáng)度換算值》，估算樣品抗拉強(qiáng)度為412MPa，略低于GB/T3191-2010《鋁及鋁合金擠壓棒材》對T4狀態(tài)2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度的技術(shù)要求（≥420MPa）。

3 結(jié)果分析

水管接頭斷裂于水管根部，斷口呈層狀，斷面上未觀察到塑性變形的特征，說明該構(gòu)件保留了成型過程中的纖維狀變形組織特征[2]。層狀斷口特征表明該構(gòu)件所使用的材料未進(jìn)行有效的強(qiáng)化熱處理（如保溫溫度較低、保溫時(shí)間不夠長或冷卻速率不夠快等），材料力學(xué)性能較差[3]。

2A12鋁合金中存在大量的強(qiáng)化相和過剩相，鑄態(tài)組織中還存在共晶混合物，這些物質(zhì)通常硬度高、脆性大，呈網(wǎng)狀分布于晶界上。另外，由于鑄造時(shí)冷卻條件，這些物相在鑄錠中形成區(qū)域偏析、枝晶偏析和晶間偏析，還有氣孔、縮孔等缺陷，使鋁合金鑄錠的塑性大大降低。通過塑性變形可以改善鋁合金的鑄態(tài)組織。研究表明[4]，在擠壓塑性變形量小于70%之前，擠壓變形后獲得的纖維組織有利于改善鋁合金的強(qiáng)度和塑性。超過一定范圍和，增加變形，縱向性能會(huì)繼續(xù)提高，橫向性能急劇下降，出現(xiàn)性能各向異性。帶狀組織是變形鋁合金棒材在擠壓過程中形成的。從金相分析可以看出，層狀組織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相，這將容易萌生裂紋。從力學(xué)性能測試可以看出，該樣品強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)值，在服役過程中，水管接頭產(chǎn)品承受交變載荷，在上述部位產(chǎn)生裂紋源而導(dǎo)致零件早期斷裂失效[5]。2A12鋁合金鎂含量高，處于α(Al)+θ(Al2Cu)+S(Al2CuMg)相區(qū)右側(cè)，主要強(qiáng)化相為S相，其次是θ相，淬火加熱時(shí)強(qiáng)化相溶入固溶體，得到過飽和固溶體，經(jīng)時(shí)效使合金強(qiáng)化。因此，淬火時(shí)應(yīng)該選擇盡可能高的淬火溫度，以使合金元素盡可能多的固溶。另外，雜質(zhì)元素鐵、硅的含量對材料的韌性以及強(qiáng)度等也有明顯影響，它們易形成金屬間化合物，如AlFeMnSi，Mg2Si，Al6(FeMn)等，這些化合物聚集區(qū)也會(huì)成為裂紋萌生的位置[6]。實(shí)際操作中，加熱溫度或保溫時(shí)間控制不當(dāng)，強(qiáng)化相及金屬化合物未能完全溶解，仍存在于晶界處，引起強(qiáng)度降低。

從斷裂位置看，水管接頭斷裂于根部約90°的交界處，在服役過程中，該位置承受交變的彎曲應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力在接頭管件的表面，因此，裂紋應(yīng)萌生于表面。從金相分析可以看出，拉應(yīng)力方向垂直于鋁合金的纖維方向，由于橫向?qū)訝罱M織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相，拉應(yīng)力促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展，造成水管接頭出現(xiàn)早期斷裂。從力學(xué)性能看，雖然斷裂水管接頭強(qiáng)度接近2A12鋁合T4狀態(tài)的要求，由于受力垂直于材料的纖維方向，其疲勞強(qiáng)度會(huì)大大降低。

4 結(jié)論

斷裂水管接頭成分符合2A12鋁合金要求，金相組織中存在帶狀組織，層狀組織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相，表明在熱處理過程中加熱不足，帶狀組織未消除。構(gòu)件在使用過程中所受的交變應(yīng)力垂直于橫向組織，加速了裂紋的形成和擴(kuò)展。因此，水管接頭是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、熱處理工藝存在缺陷而引起的疲勞斷裂。