鋁合金支架斷裂原因分析

王 宣

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

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鋁合金支架斷裂原因分析

王 宣

(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009)

某設備支架零件在試驗過程中發生斷裂，支架材料為T6態ZL114A鑄造鋁合金。對斷裂的支架零件進行了宏觀分析、化學成分分析、硬度測試、斷口及金相分析，結果表明，斷裂零件由于內部存在較多疏松缺陷、雜質元素Fe含量超標導致金相組織中出現大量針狀分布的脆性第二相，最終造成材料的韌性和塑性下降，在試驗過程中由于外力作用一次性斷裂。對該零件斷裂失效提出了改進措施。

ZL114A鋁合金 疏松缺陷 脆性第二相 一次性斷裂 失效分析

中航工業某研究所的鋁合金支架零件在試驗過程中發生斷裂，零件所用材料為T6態ZL114A鑄造鋁合金。

對發生斷裂支架零件的斷口進行了各種試驗分析。

1 綜合分析

1.1 斷口分析

1.1.1 宏觀分析

使用體視鏡對斷裂零件的斷口進行宏觀觀察。斷裂支架左右兩側斷口的宏觀形貌見圖1(a)和圖1(b)。可以看出，兩側斷口均未發現明顯的塑性變形，斷口凹凸不平，存在許多光亮的小刻面。將兩側斷口進一步放大觀察，見圖1(c)和圖1(d)，可以看到部分暗灰色的疏松區域，在該區域內可觀察到部分黑色針孔。

1.1.2 微觀分析

通過掃描電子顯微鏡對斷裂支架的斷口形貌進行微觀觀察，斷口表面存在大量鑄造疏松缺陷(見圖2)。將缺陷進一步放大，該處孔隙較大，呈黑色空穴狀，與基體產生極大的反差，可以看到鋁合金凝固時形成的枝晶立體形貌(見圖3)。整個斷面微觀形貌呈解理+部分韌窩的混合斷裂特征(見圖4)，平坦的解理面臺階在宏觀斷口上表現為光亮的小刻面。

1.2 化學成分分析

在斷裂支架的斷口附近取樣，使用熒光光譜

分析儀進行化學成分分析，分析結果見表1。斷裂支架的化學成分不符合HB 962—2001《鑄造鋁合金》中ZL114A的化學成分要求，Fe含量嚴重超標。

圖1 支架零件斷口宏觀形貌

1.3 硬度測試

在斷裂支架的斷口附近取樣進行顯微維氏硬度測試，再轉換為布氏硬度，測試結果符合HB 962—2001《鑄造鋁合金》中ZL114A材料T6態要求，如表2所示。

圖2 支架零件斷口微觀形貌

圖4 解理+韌窩斷裂形貌特征

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表2 硬度測試結果

1.4 金相組織分析

在斷口背面取樣，經研磨、拋光、浸蝕后，對金相組織進行觀察，其形態見圖5(a)。斷裂支架的金相組織中可觀察到粗大枝晶狀的α(Al)固溶體，灰色共晶硅聚集成網狀分布，黑色不規則的沿晶孔洞為鑄造缺陷。同時發現合金中存在大量灰色寬針狀第二相，見圖5(b)。寬針狀第二相在掃描電子顯微鏡下的形態見圖6，第二相呈灰白色，形態粗大，部分貫穿于枝晶間。

圖5 斷裂支架金相組織

圖6 針狀第二相組織

針狀第二相的能譜分析見圖7，結果見3。由表3表明該相為一種富Fe化合物相。

圖7 針狀第二相能譜分析結果

w,%

2 分析與討論

由以上理化分析結果可知，斷裂支架的硬度符合相關標準對ZL114A 材料T6態要求，但是其化學成分不合格，Fe含量超標嚴重。宏觀上斷口未發現塑性變形，微觀呈解理+部分韌窩的混合斷裂形貌，為脆性斷裂特征，斷口上存在大量的鑄造疏松缺陷，斷口附近金相組織中含有較多粗針狀富Fe的化合物相。下面針對故障零件中存在的缺陷及其對零件性能的影響做簡單分析。

故障件的金相組織中存在大量寬針狀的富Fe化合物相，由于Fe雜質元素含量過高，合金中的Fe元素過飽和后形成富Fe第二相析出，是一種化合物相，脆性大，對合金材料的塑性變形將會產生不利影響。尤其是粗針狀第二相，隨著Fe含量的增加，脆性針狀富Fe相顯著長大，以粗大的形態穿過晶粒，在材料變形過程中易形成裂紋源，嚴重降低力學性能，大大增加了材料脆性[1]。故障件支架斷口宏觀上無塑性變形，微觀呈解理+部分韌窩的混合斷裂特征，符合典型的脆性斷裂特征。支架用材料為ZL114A，材料本身較脆，其合金組織中存在的大量寬針狀脆性第二相及疏松缺陷則進一步降低了材料的塑性。

故障件中發現的疏松缺陷是鑄件和鑄錠中所出現的材料組織不致密現象，疏松是金屬液體凝固結晶過程中形成的缺陷[2]。合金液態收縮大于固態收縮、凝固期過長及氣體含量過多等，都易在合金內部形成疏松缺陷。鑄件在凝固后期，由于溫度梯度小，其最后凝固部分的殘留液體金屬幾乎同時凝固和結晶。隨著晶粒長大,新晶粒仍不斷形成的過程，最后凝固部分會有許多結晶后晶粒與殘留的液體金屬完全隔離。由于液體金屬黏度很大，外界金屬液體很難經過細小通道補充，因此,這些被晶粒隔離的液體金屬幾乎處于孤立狀態，進一步凝固時形成許多細小的孔洞，形成疏松[3]。疏松缺陷的存在，割裂了晶粒間的聯系，破壞了材料的連續性，促進微裂紋快速擴展，將大大降低材料的強度。由于鋁合金中的疏松缺陷是在鋁液凝固結晶過程中形成的缺陷，因此它和鑄造工藝有密切聯系的。

綜合以上結果可以判斷，支架零件是由于Fe雜質含量超標形成粗針狀富Fe第二相，且合金中存在大量的鑄造疏松缺陷，導致材料的強度和塑性降低，從而在使用過程中發生過載斷裂。

3 結論與建議

斷裂支架由于內部存在較多疏松，組織中存在針狀分布的富Fe第二相，導致材料強度下降、脆性增大，從而在使用過程中發生一次性過載斷裂。

建議嚴格控制合金成分，調整鑄造工藝，減少鑄造疏松缺陷的數量、避免出現粗大的脆性第二相，以優化支架材料的力學性能。

[1] 丁惠麟，辛智華．實用鋁、銅及其合金金相熱處理和失效分析[M]．北京：機械工業出版社，2008：51-64．

[2] 《輔機零件失效及缺陷分析》編寫組．輔機零件失效及缺陷分析[M]．北京：《航空與航天》編輯部，1985：155-157．

[3] 陸慧．鋁合金輪轂斷裂分析[J]．理化檢驗:物理分冊，2013，49(增刊2)：238-240．

(編輯 王菁輝)

Failure Cause Analysis of Aluminium Alloy Trestle

WangXuan

(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China)

The material of cracked trestle in the test was ZL114A casting aluminum alloy in T6 state. The trestle was analyzed by means of macro analysis, chemical composition analysis, hardness analysis, SEM observation and metallographic examination. The results showed that many internal loose defects were found in cracked components, and lots of needle-like brittle second phase distributed in metallurgical structure because of excessive iron impurity, which resulted in reduction of material strength and plasticity, and one-off fracture under external force. Several measures were put forward to prevent such failure.

ZL114A aluminum alloy, loose defect, brittle second phase, one-off fracture, failure analysis

2017-02-28；修改稿收到日期：2017-03-21。

王宣，工程師，主要從事物理冶金理化分析及金屬構件失效分析工作。E-mail:racxuan@qq.com