7A04鋁合金厚壁管材加工零件裂紋成因分析

馬小前

(西北鋁業有限責任公司，甘肅 隴西 748111)

7xxx系鋁合金是以鋅為主要合金元素的鋁合金，屬于熱處理可強化鋁合金，合金中加鎂，則為Al-Zn-Mg合金，合金具有良好的熱變形性能，淬火范圍很寬，在適當的熱處理條件下能夠得到較高的強度，焊接性能良好，一般耐蝕型較好，有一定的應力腐蝕傾向，是高強可焊的鋁合金。Al-Zn-Mg-Cu合金是在Al-Zn-Mg合金基礎上通過添加Cu發展起來的，該系鋁合金是目前生產的室溫強度最高的一類鋁合金，它比2xxx系高強鋁合金有更高的強度，因此稱為超高強鋁合金。合金的屈服強度接近于抗拉強度，屈強比高，比強度也高，但塑性和高溫強度較低，可用作常溫、120℃以下使用的承力結構件，合金易于加工，有較好的耐腐蝕性能和較高的韌性。該系合金廣泛用于航空、航天等領域，并成為這個領域中最重要的結構材料之一。本公司近期生產的個別批次7A04鋁合金Φ120mm×45mm管材，用戶加工成零件后出現破裂現象，為了確定裂紋的形成原因，進一步改善管材的質量，避免此類現象的再次發生，對存在裂紋的試樣進行了分析。

1 試驗過程及結果

從用戶帶回有裂紋缺陷的零件上切取和制備試樣，分別對裂紋處目測觀察、成分分析、顯微組織及掃描電鏡觀察與分析。對7A04合金管材加工零件裂紋處進行宏觀照相觀察(圖1)，可以看出，在零件破裂斷口處存在部分黑色部位，與正常斷口組織存在明顯的顏色差異。

圖1 零件裂紋處宏觀組織Fig. 1 Macrostructure of cracks in 7A04 pipe processing parts

(1)成分分析。沿管材周向，由裂紋斷口近端至遠端分別編號為1、2、3、4、5、6，其化學成分見表1。從管材周向成分分析看，所有分析點元素化學成分均符合國標要求，靠近裂紋處成分含量較其余部位高。

(2)顯微組織分析。分別對該零件靠近裂紋處和正常部位進行了金相顯微組織檢測(圖2)，可以看出，裂紋處化合物組織較正常部位偏多。

(3)掃描電鏡分析。為了進一步分析零件裂紋形成的原因，利用掃描電鏡觀察了樣品斷口處的形貌以及相分布情況，發現在斷口處有非常明顯的第二相顆粒聚集，如圖3所示。

表1 化學成分(質量分數，%)

圖2 零件顯微組織分析(250X)Fig.2 Microstructure analysis of parts(250X)

圖3 試樣斷口處形貌分析Fig.3 Analysis of sample fracture morphology

對這些區域的相成分進行分析，結果見表2。對比A、B兩個位置的能譜結果可以判斷，A位置主要為粗大Fe相。為了進一步確認此第二相顆粒聚集區域元素的分布情況，又對圖3(b)所示區域做了面掃描分析，如圖4所示。由此可見，在第二相顆粒聚集區域主要以Fe元素的偏聚為主。

表2 A、B位置的能譜結果(質量分數，%)

圖4 圖3(b)所示區域面掃描分析Fig.4 Area scan analysis shown in Fig. 3(b)

2 分析與討論

2.1 Al-Zn-Mg-Cu合金雜質元素及作用

Al-Zn-Mg-Cu合金為熱處理可強化合金，起主要強化作用的元素為Zn和Mg，Cu也有一定強化效果，但其主要作用是為了提高材料的抗腐蝕性能。合金中有少量的Mn、Cr、Zr、V、Ti、B等微量元素，Fe和Si在合金中是有害雜質，其相互作用如下。

(1)Mn和Cr。添加少量的過渡族元素Mn、Cr等對合金的組織和性能有明顯影響。這些元素可在鑄錠均勻化退火時產生彌散的質點，阻止位錯及晶界的遷移，從而提高了再結晶溫度，有效阻止了晶粒長大，可細化晶粒，并保證組織在熱加工及熱處理后保持未再結晶或部分再結晶狀態，使強度提高的同時具有較好的抗應力腐蝕性能。在提高抗應力腐蝕性能方面，加Cr比加Mn效果好，加入0.45%的Cr比加同量的Mn的抗應力腐蝕開裂壽命長幾十至上百倍。

(2)Zr。Zr可大大提高合金的再結晶溫度，無論是熱變形還是冷變形，在熱處理后均可得到未再結晶組織，Zr還可提高合金的淬透性、可焊性、斷裂韌性、抗應力腐蝕性能等。

(3)Ti和B。Ti、B能細化合金在鑄態時的晶粒，并提高合金的再結晶溫度。

(4)Fe和Si。Fe和Si在Al-Zn-Mg-Cu系合金中是不可避免存在的有害雜質，其主要來自原材料及熔煉鑄造中使用的工具和設備。這些雜質主要以硬而脆的FeAl3和游離的Si形式存在，這些雜質還與Mn、Cr形成(FeMn)Al6、(FeMn)Si2Al5、Al(FeMnCr)等粗大化合物。FeAl3有細化晶粒的作用，但對抗蝕性影響較大，隨著不溶相含量的增加，不溶相的體積百分數也在增加，這些難溶的第二相在變形時會破碎并拉長，出現帶狀組織，粒子沿變形方向呈直線狀排列，由短的互不相連的條狀組成。由于雜質顆粒分布在晶粒內部或者晶界上，在塑性變形時，在部分顆粒-基體邊界上發生孔隙，產生微細裂紋，稱為宏觀裂紋的發源地，同時它也促使裂紋過早發展。此外，它對疲勞裂紋的成長速度也有較大影響，在破壞時它具有一定的減少局部塑性的作用，這可能和雜質數量增加使顆粒之間距離縮短，從而減少裂紋尖端周圍塑性變形流動性有關。因為含Fe、Si的相在室溫下很難溶解，起到缺口作用，容易成為裂紋源而使材料發生斷裂，對伸長率特別對合金的斷裂韌性有非常不利的影響[1]。

2.2 形成裂紋缺陷的原因

從顯微組織分析看，裂紋處化合物組織偏多，零件開裂原因為開裂處組織中有化合物聚集，在樣品受較大外力時，在這種位置易于引起應力集中，從而引起開裂。從掃描電鏡分析結果看，樣品的開裂是由于組織中有大量粗大的Fe相聚集，樣品受力時，在這種位置易引起應力集中，從而引起開裂。

2.3 形成機理

在鋁合金半連續鑄造中，高合金化7A04合金元素較多，成分復雜，合金化程度高，結晶范圍寬，在熔煉鑄造工序，隨著金屬熔體凝固的進行，和液體共存的固體或互不相溶的液相之間存在比重差，含Fe、Cu、Mg、Zn等較重的金屬間化合物析出時易出現聚集，則在鑄錠底端易出現化合物偏析現象。同時冷卻強度越高，結晶速度加快，使相濃度梯度加大，化合物偏析增加。

2.4 改進措施

1)在實際生產中通過工藝操作和工藝保證來控制化合物聚集的產生；2)高溫均勻化退火；3)降低冷卻強度；4)細化晶粒[2]；5)控制鑄錠中Fe含量，在生產控制時除采用高純金屬原料外，在熔煉鑄造過程中也可采取相應措施，避免Fe元素混入合金中[2]。

3 結論

由以上試驗分析可以看出：

(1)7A04合金厚壁管材加工后開裂形成原因為組織中有大量粗大的Fe相聚集，樣品受力時，在這種位置易引起應力集中，從而引起開裂；

(2)在實際生產中通過工藝操作和工藝保證來控制化合物聚集的產生，通過高溫均勻化退火、降低冷卻強度、細化晶粒等可以避免化合物偏析。