7050-T652鍛板開裂原因分析

袁少紅，竭艷麗，趙志國

（1.航鑫材料科技有限公司，山東 煙臺 265700；2.南山鋁業(yè)股份有限公司 國家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東 煙臺 265700）

1 背景信息

7050-T652的鍛板經(jīng)過鍛造、探傷、機(jī)加工、淬火、冷變形多道工藝，在人工時效過程中發(fā)生開裂。經(jīng)初步觀察，裂紋自鍛板端部開裂，沿板材中心偏下位置延伸。經(jīng)鋸切將裂紋打開，在裂紋開裂起始與尖端位置分別取樣[1]。采用OM、SEM、EDS對裂紋不同位置的顯微組織、形貌及成分進(jìn)行分析產(chǎn)生開裂的根本原因，為日后生產(chǎn)的工藝改進(jìn)提供幫助。

2 宏觀形貌分析

通過宏觀形貌觀察鍛板裂紋的縱向和橫向照片，裂紋起始于端面中部偏下位置，貫穿整個端面，并沿長向擴(kuò)展，裂紋比較平直無分叉，擴(kuò)展方向略微向上傾斜。觀察裂紋四周，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀塑性變形[2]。將鍛板裂紋鋸開，根據(jù)宏觀斷口形貌在端部中心位置找到鍛板開裂的裂紋源。圖1為裂紋源附近斷口宏觀形貌，斷口表面相對齊平，基本平行于長向，表面無腐蝕，在一定程度上呈現(xiàn)晶粒的外形。裂紋由紅色箭頭標(biāo)識位置開始萌生，并向周圍擴(kuò)展形成弧形?；⌒螀^(qū)域內(nèi)斷口比較平滑，區(qū)域外斷口相對粗糙，并構(gòu)成較典型的放射臺階和人字紋花樣[3]?；痉洗嘈詳嗫诘暮暧^形貌特征，初步判斷鍛板開裂為脆性斷裂。

3 顯微組織分析

采用OM對裂紋附近顯微組織進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)夾渣、疏松、氣孔等冶金缺陷，也未發(fā)現(xiàn)過燒現(xiàn)象。典型顯微組織形貌見圖2，圖2a表明，晶粒類型以等軸晶為主，晶粒內(nèi)可以觀察到清晰的亞晶晶界。裂紋基本沿晶界擴(kuò)展，表明鍛板斷裂類型屬于沿晶。圖2b表明，不同類型的第二相在晶界處呈網(wǎng)狀分布。一類黑色第二相呈圓形單個分布，測量圖片最大相尺寸為7.62μm。另一類黑色第二相呈圓形沿晶界呈鏈狀聚集分布，長度可達(dá)28.35μm。

圖1 裂紋源斷口照片

圖2 裂紋附近顯微組織形貌

4 掃描及能譜分析

圖3 裂紋源斷口顯微形貌

采用SEM對裂紋源處斷口微觀形貌進(jìn)行分析，結(jié)果見圖3。其中，圖3a、c中白色球狀顆粒為第二相在CBS模式下的形貌。圖3a、b表明，第二相沿網(wǎng)狀分布，枝晶內(nèi)無明顯第二相析出。圖3c、d表明，該斷口的顯微形貌呈現(xiàn)出典型的巖石狀花樣，晶粒明顯，且立體感強(qiáng)，晶界面上多顯示光滑無特征形貌，為典型沿晶分離斷口形貌。斷口中第二相主要分為兩種，一種白亮第二相，尺寸較大沿晶界呈鏈狀分布，另一種顏色稍暗，沿晶界密集分布[4,5]。采用EDS對圖3c中典型特征位置進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。P1點位置為基體，主要元素為Al、Zn、Mg、Cu，為7050鋁合金的基本元素構(gòu)成。P2、P3點主要元素為Al、Cu、Mg，根據(jù)三種元素的原子比，基本可以認(rèn)定為S（Al2CuMg）相。P4、P5點的主要元素為Al、Mg、Fe，根據(jù)成分類型，認(rèn)定為難溶含鐵相，通過查找資料，推測其為Al7Cu2Fe。

表1 斷口表面化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

5 鍛板開裂原因及預(yù)防措施

5.1 鍛板開裂原因

從宏觀形貌觀察，斷口周圍無明顯塑性變形，裂紋擴(kuò)展方向比較平直，裂紋源斷口表面存在人字紋，總體呈現(xiàn)脆性斷裂特征；掃描斷口裂紋源及裂紋尖端未發(fā)現(xiàn)夾渣、疏松、氣孔等冶金缺陷，顯微組織未發(fā)現(xiàn)過燒特征；微觀斷口形貌呈沿晶斷裂，裂紋源位置表面第二相呈網(wǎng)狀分布，尖端位置表面存在大量沿晶界析出的T相。

由此分析裂紋產(chǎn)生原因如下：7050鍛板開裂是在淬火、冷變形內(nèi)應(yīng)力作用下，由于材料晶界強(qiáng)度過低產(chǎn)生脆性斷裂。鍛板尺寸較大，淬火過程中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，鍛板冷變形過程中也會產(chǎn)生一定量的內(nèi)應(yīng)力。材料中部分結(jié)晶相呈網(wǎng)狀分布，鍛造過程未能成功將其破碎，裂紋尖端殘留大量的T相沒有充分固溶；另外可能是鍛板尺寸過大，芯部冷速不夠則可能是導(dǎo)致晶界析出嚴(yán)重，降低了晶界強(qiáng)度，而這些因素成為裂紋開裂的源頭，整個鍛板開裂方式為沿晶脆性斷裂。

5.2 預(yù)防措施

建議在以下幾個方向進(jìn)行改進(jìn)：

（1）加強(qiáng)鍛前坯料檢查，確保坯料成分、組織均滿足要求，避免采用偏析嚴(yán)重的坯料；

（2）在避免過燒的前提下提高開鍛溫度，增大鍛造變形量，徹底破碎鑄造組織；

（3）改進(jìn)固溶淬火工藝，使鍛板充分固溶，淬火轉(zhuǎn)移時間要快，在保證不淬裂的情況下，提高冷卻速度，增加淬火時間，確保鍛件芯部固溶良好；

（4）嚴(yán)格控制冷變形的變形量和壓下速度。

6 結(jié)論

（1）7050鍛板開裂不是冶金缺陷引起開裂；

（2）7050鍛板開裂是在淬火、冷變形內(nèi)應(yīng)力作用下，由于材料晶界強(qiáng)度過低，在時效加熱過程中使裂紋擴(kuò)展加劇產(chǎn)生脆性斷裂。