鋁合金水管接頭失效分析

王 偉，趙曉康，朱紹峰

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

變形鋁合金具有很好的強度與韌性配合，有較好的比強度和比剛度，是各類航空航天部件中的主要結構材料，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，具有良好的強度與塑性，綜合性能較好，可以采用熱處理工藝強化，有一定的耐熱性能，可制作150℃以下工作的構件，是硬鋁中用量最大的合金[1]。鋁合金主要的強化手段主要有固溶強化、冷變形強化以及細晶強化等，對鋁合金鑄錠、退火、成型、固溶處理、時效等過程的工藝參數應進行嚴格控制，以確保構件的質量。2A12鋁合金熱軋溫度390℃～440℃，淬火溫度485℃～498℃，過燒溫度502℃，有很強的過燒敏感性，固溶處理溫度應嚴格控制。另一方面，為保證時效過程有好的強化效果，應盡量提高加熱溫度，以使強化相固溶。某水管接頭產品采用2A12鋁合金制造，用熱處理狀態為T4的棒料直接加工而成。該構件在服役過程中承受交變載荷，水管內流動介質為蒸餾水。經一段時間服役后，發現水管接頭出現早期開裂。

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處為進水口。斷裂發生于出水口根部約90°的交界處。斷口呈橢圓形，最大內徑約6.44mm，最小內徑約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

2.1 化學成分分析

采用化學分析方法對斷裂樣品進行成分分析，根據GB/T 3190-2008標準，開裂水管接頭樣品化學成分符合2A12材料成分要求。

表1 樣品化學成分分析（wt%）

2.2 金相檢驗

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化相。高倍下未見過燒現象（圖3b）。

圖3 水管接頭顯微組織

2.3 斷口微觀形貌

斷口表面已嚴重損壞，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 力學性能測試

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

3 結果分析

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件所使用的材料未進行有效的強化熱處理（如保溫溫度較低、保溫時間不夠長或冷卻速率不夠快等），材料力學性能較差[3]。

2A12鋁合金中存在大量的強化相和過剩相，鑄態組織中還存在共晶混合物，這些物質通常硬度高、脆性大，呈網狀分布于晶界上。另外，由于鑄造時冷卻條件，這些物相在鑄錠中形成區域偏析、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度和塑性。超過一定范圍和，增加變形，縱向性能會繼續提高，橫向性能急劇下降，出現性能各向異性。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化相，這將容易萌生裂紋。從力學性能測試可以看出，該樣品強度略低于標準值，在服役過程中，水管接頭產品承受交變載荷，在上述部位產生裂紋源而導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)相區右側，主要強化相為S相，其次是θ相，淬火加熱時強化相溶入固溶體，得到過飽和固溶體，經時效使合金強化。因此，淬火時應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，雜質元素鐵、硅的含量對材料的韌性以及強度等也有明顯影響，它們易形成金屬間化合物，如AlFeMnSi，Mg2Si，Al6(FeMn)等，這些化合物聚集區也會成為裂紋萌生的位置[6]。實際操作中，加熱溫度或保溫時間控制不當，強化相及金屬化合物未能完全溶解，仍存在于晶界處，引起強度降低。

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力，且最大拉應力在接頭管件的表面，因此，裂紋應萌生于表面。從金相分析可以看出，拉應力方向垂直于鋁合金的纖維方向，由于橫向層狀組織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強化相，拉應力促進了裂紋的萌生和擴展，造成水管接頭出現早期斷裂。從力學性能看，雖然斷裂水管接頭強度接近2A12鋁合T4狀態的要求，由于受力垂直于材料的纖維方向，其疲勞強度會大大降低。

4 結論

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化相，表明在熱處理過程中加熱不足，帶狀組織未消除。構件在使用過程中所受的交變應力垂直于橫向組織，加速了裂紋的形成和擴展。因此，水管接頭是由于結構設計不合理、熱處理工藝存在缺陷而引起的疲勞斷裂。