MB15模鍛件裂紋原因分析

摘 要：【目的】某MB15模鍛件在進行裝配鉚接過程中，沿鉚接孔縱向及孔附近出現肉眼可見的裂紋，裂紋平直，局部位置有多條裂紋出現，亟須查明原因。【方法】通過宏觀觀察、微觀觀察、能譜分析、金相檢查及硬度測試、化學成分分析等手段，對該裂紋的開裂性質及開裂原因進行分析。【結果】結果表明：裂紋開裂性質為沿晶脆性開裂，該裂紋產生于鍛造階段，裂紋部位再結晶不完全，與鍛造變形溫度較低有關。【結論】建議嚴格控制鎂鍛件的鍛造工藝過程，嚴格控制變形溫度，變形速率等條件，增加零件出廠前檢測工序，以降低零件開裂問題，提高供貨質量。

關鍵詞：MB15；鍛造；再結晶；變形溫度

中圖分類號：TG319 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）15-0085-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.019

Analysis of the Cause of Cracks of MB15 Die Forging

SONG Lulu LIU Dongmei YUAN Jie TIAN Ruihuan

（AVIC Aerospace Life-Support Industries， Ltd.， Xiangyang 441003，China）

Abstract：[Purposes] During the assembly riveting process of MB15 die forging， it was found that visible cracks appeared along the longitudinal and near the riveting hole.The cracks were straight， and multiple cracks appeared in local positions.Therefore， it is urgent to find out the cause of cracks.[Methods] Through macroscopic observation， microscopic observation， energy spectrum analysis， metallographic examination and hardness test， chemical composition analysis， the cracking properties and causes of the crack were discussed.[Findings] The results show that the cracking property of the crack is intergranular brittle cracking， the crack occurs in the forging stage， the incomplete recrystallization at the crack site is related to the lower forging deformation temperature.[Conclusions] It is suggested to strictly control the forging process of magnesium forgings， strictly control the deformation temperature， deformation rate and other conditions， and increase the testing process of parts before leaving the factory， so as to decrease the cracking problem of parts and improve the supply quality.

Keywords： MB15; casting; recrystallzation; deformation temperature

0 引言

鎂合金作為目前密度最小的金屬結構材料之一，可滿足航空航天等高科技領域對輕質材料吸噪、減震、防輻射的要求，大大提高飛行器的氣體動力學性能，明顯減輕結構的質量，被廣泛應用于航空、航天、工業和軍事等領域［1］。目前，大量鎂合金產品主要通過鑄造的生產方式獲得，但通過擠壓、鍛造、軋制等工藝生產出的變形鎂合金產品，比鑄造材料具有更高的強度、更好的延展性、更多樣化的力學性能，可以滿足更多結構材料的需求。變形鎂合金材料具有鑄造材料無法替代的優秀性能。研制與開發變形鎂合金產品，生產高質量的板、棒、型材產品，制定變形鎂合金生產新工藝是國際鎂協會提出的開發鎂合金產品的一項長遠目標，對鎂合金產品獲得更廣泛的應用具有重要意義［2］。

變形鎂合金產品的生產有其特殊性和困難。一般認為［3］，金屬鎂具有的密排六方晶體結構，滑移系少，因此鎂及鎂合金材料比其他常見的金屬（如鋁、鐵等）的塑性變形能力更差。但變形加工鎂合金的研究也逐漸成為材料領域的研究熱點之一。相較于鑄造成形產品，變形產品具有更多優點，比如強度更高，可以制成尺寸更精確、形狀更復雜、表面質量更好的產品。MB15是鎂-鋅-鋯系可熱處理強化的高強度變形鎂合金。該合金的工藝屬性、塑性低于中等強度的MB2、MB3、MB8合金，因此，生產的品種限于擠壓制品、鍛件和模鍛件。該合金主要用于制作飛機長桁及操作系統的搖臂、支座等受力構件［4］。

某批MB15隔框在進行裝配鉚接過程中，發現沿鉚接孔縱向及孔附近出現了裂紋。其生產工藝為：棒料模具加熱—鍛壓制坯—銑加工坯料—坯料模具加熱—二鍛成型—打磨飛邊—熱處理—表面處理—刻字—機加—表面氧化—涂漆—裝配。

本研究通過對裂紋斷口進行宏觀觀察、微觀觀察、能譜分析、金相檢查及硬度測試，并與完好批零件進行對比分析，確定了裂紋的開裂性質及開裂原因。

1 試驗過程

1.1 宏觀觀察

隔框宏觀形貌如圖1所示。由圖1（a）可知，鍛件表面經化學氧化和涂漆處理，呈黑色，其中前壁板、后壁板較薄，中間圓筒較厚，裂紋分布在前側壁和后側壁上，部分裂紋從外壁穿透整個厚度，部分裂紋未穿透。由圖1（b）可知，裂紋平直，沿著側壁軸向分布，局部位置厚度方向可見多條裂紋。

將裂紋位置人工打開進行宏觀觀察。裂紋從外壁向內擴展，斷口較為平齊，原始開裂區呈深灰色，局部呈黃褐色，可見小臺階特征，人工打斷斷口呈銀灰色。分別在體視顯微鏡下對原始開裂區和人工打斷區進行觀察，原始開裂區可見臺階特征和反光刻面特征，人工打斷區斷口呈纖維狀，如圖2所示。

取完好批側壁位置人工打開進行宏觀觀察。其斷口特征與故障件人工打斷斷口特征基本相同，可見一定層狀開裂特征，其開裂她程度較故障件的輕，斷口呈纖維狀，如圖3所示。

1.2 微觀觀察

將裂紋斷口置于掃描電鏡內進行觀察，裂紋斷口微觀形貌如圖4所示。裂紋初始開裂區斷口平齊，可見大量的氧化物覆蓋，局部可見清晰的沿晶特征，未見冶金缺陷，如圖4（a）所示；擴展中期斷口平齊，可見層狀開裂特征，放大后觀察斷口為沿晶特征，晶面可見明顯的氧化物附著，如圖4（b）所示；擴展末期和擴展中期斷口特征基本相同，放大后觀察斷口為沿晶特征，晶面存在氧化特征，如圖4（c）所示；人工打斷斷口為類解理特征，如圖4（d）所示。

從完好批2#隔框側壁切取試樣，人工打斷后在掃描電鏡內進行微觀觀察。斷口較為平齊，放大后觀察為準解理特征，如圖5所示。

1.3 能譜分析

分別對裂紋斷口源區和人工打斷區域進行能譜分析。裂紋源區可見較多的O、F、Na、Cr等元素，F、Na、Cr等元素來源于化學氧化，表明裂紋斷口在化學氧化時已經開裂（見表1、圖6）。人工打斷斷口O元素明顯降低，其來源于自然氧化，主要合金元素種類及含量符合MB15合金要求（見表2、圖7）。

1.4 金相分析

分別對裂紋位置及完好位置進行金相組織檢測。發現裂紋基本沿晶擴展，裂紋兩側匹配性較好，同時可見大量拉長的變形晶粒和變形帶，局部可見少量等軸晶，如圖8（a）所示；擴展期裂紋兩側可見二次裂紋，裂紋沿晶擴展，如圖8（b）所示；組織均未見過熱、過燒現象。

故障件側壁位置可見大量的變形晶粒和少量的等軸晶，且可見大量的變形帶，表明其未完成再結晶，如圖9所示。故障件圓筒位置可見少量變形晶粒以及變形晶粒之間細小的等軸晶，同時局部可見變形帶，表明其未完成再結晶，但其再結晶程度較故障件裂紋位置和完好側壁位置高，如圖10所示。

完好批晶粒組織較為均勻，基本為等軸晶，晶粒尺寸較故障件圓筒位置大，晶內可見黑色第二相分布，表明其已完成再結晶，如圖11所示。

1.5 硬度檢查

分別對裂紋附近位置、壁板位置（裂紋類似位置）、圓筒位置以及完好批進行顯微硬度檢測測試，測試結果見表3。從表中可知，各個位置顯微硬度均勻，不同位置、不同批次顯微硬度未見明顯差異。

從故障件上切取試樣進行布氏硬度檢測，檢測結果見表4。硬度均勻，平均硬度為HB86，符合設計要求HB≥60。

1.6 化學成分檢測

采用ICP根據GB/T 13748—2009《鎂及鎂合金化學分析方法》對故障件進行化學成分檢測，檢測結果見表5。結果表明，成分符合HB6690—1992要求。

2 分析與討論

該鍛件裂紋分布在平行于鍛件流線方向，并由外向內擴展；裂紋斷口平齊，未見冶金缺陷，原始開裂區呈深灰色，局部呈黃褐色，人工打斷斷口呈銀灰色；裂紋斷口初始開裂區覆蓋較多氧化產物，可見明顯的層狀開裂特征，斷口呈沿晶特征；擴展區斷口為沿晶特征，晶面上可見氧化特征；人工打斷斷口呈準解理特征。綜上認為，該鍛件為沿晶脆性開裂。裂紋附近組織為拉長的變形晶粒和少量細小的等軸晶，同時可見變形帶，表明其再結晶程度較低。

影響再結晶程度的主要因素為原始材料組織、變形溫度和變形速率。研究表明，較高的變形溫度有利于晶粒再結晶，因為高溫條件下晶界遷移速度較快，晶粒互相接觸的時間更長，使得晶粒發生滑移和扭曲后能夠更快地恢復其初生狀態。但是當變形溫度過高時，又會導致晶粒增大和顆粒形貌破壞，因此適宜的變形溫度需要在一定范圍內選擇。較小的變形速率有利于晶粒再結晶，能夠使得晶界遷移的速度減緩，晶粒互相接觸的時間變長，有利于晶粒的48BuwsyFtV+ggf42/PfnBMLDmGmDn+GroNmaxI3vtjg=再結晶。但過小的變形速率會導致變形過程中產生的應力不足以消去多晶的位錯密度，從而造成晶粒的新生晶界上仍然保留著多晶的位錯密度，影響晶粒的穩定性。

遠離裂紋位置再結晶程度較裂紋位置高，因此影響裂紋位置再結晶程度的主要因素可能為變形速率過快或者變形溫度較低，即鍛造變形速率過快或溫度較低。而鍛造變形速率過快會使晶內孿晶數量增加，孿晶多的位置其硬度值相應也比較高［5］。但是，通過對不同位置不同批次的零件進行硬度檢查發現各個位置顯微硬度均勻，未見明顯差異。

裂紋斷口初始區可見化學氧化產物覆蓋，表明裂紋產生于化學氧化之前；同時裂紋斷口內部僅可見氧化特征，且MB15鎂合金的時效溫度為165 ℃，明顯較低，不會導致沿晶開裂，因此認為裂紋產生于鍛造階段。鎂合金變形過程主要涉及位錯的滑移和孿生，位錯滑移在晶界、第二相、孿晶界等受阻時，產生位錯塞積，致使鎂合金內部位錯密度升高。當鎂合金在高溫下變形時，高密度的位錯能夠誘發再結晶的發生，致使鎂合金晶粒細化。細小的晶粒容易晶界滑移而協調變形。同時高溫下位錯更容易滑移甚至攀移，抗力較小［6］。因此，高溫有利于促進鎂合金塑性變形。當鍛造溫度比較低時，動態再結晶的程度比較弱，致使動態再結晶不完全，出現未再結晶組織，同時位錯不容易攀移。在后續變形過程中，位錯在晶界塞積，從而萌生微裂紋，最終因微裂紋連接而致使鍛件沿晶開裂。因此，鍛造溫度較低是該零件開裂的主要原因。

3 結論

隔框開裂性質為沿晶脆性開裂；開裂起始于鍛造階段，與鍛造過程存在異常有關；開裂部位成分和硬度符合設計要求，再結晶組織不完全，與鍛造過程中鍛造溫度較低有關。

參考文獻：

［1］ 余琨， 黎文獻， 王日初，等. 變形鎂合金的研究、開發及應用［J］.中國有色金屬學報， 2003（2）：277-288.

［2］余琨，黎文獻，李松瑞.變形鎂合金材料的研究進展［J］.輕合金加工技術，2001（7）：6-9，11.

［3］DECKER R F.The renaissance in magnesium［J］. Adv.Mater.＆Proc， 1998（9）； 31.

［4］《中國航空材料手冊》編輯委員會. 中國航空材料手冊第3卷 鋁合金 鎂合金［M］. 2版.北京：中國標準出版社， 2002.

［5］戴麗娟，張瑞，劉霞.MB15鎂合金組織及性能分析［J］.內蒙古石油化工，2007（11）：59-60.

［6］向峻伯，王從明，陳凱鑌，等.汽車用MB15鎂合金的表面改性與耐腐蝕性能［J］.金屬熱處理，2019，44（12）：186-192.