7050鋁合金型材開(kāi)裂成因分析

孫 娜，馮 旺，李 霜，黃啟波，辛 榮

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

7050合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是可通過(guò)熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)鋁合金。該合金具有比強(qiáng)度高、密度小、易于加工及韌性好等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、交通運(yùn)輸及其它要求輕量化、高強(qiáng)度及高應(yīng)力結(jié)構(gòu)件中[1]。在作為高性能或航空航天結(jié)構(gòu)材料時(shí)，高強(qiáng)度鋁合金的斷裂韌性、高比強(qiáng)度特征非常重要，必須避免或充分考慮高拉應(yīng)力區(qū)域或組織缺陷部位的裂紋萌生和擴(kuò)展[2]。但7×××系鋁合金合金化程度很高，具有較高的淬火敏感性[3-4]，淬火速率過(guò)快，易導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力過(guò)大[5]。因此該類(lèi)合金在高拉應(yīng)力區(qū)或者組織存在缺陷的區(qū)域易萌生裂紋，甚至在淬火后開(kāi)裂。

某公司生產(chǎn)的7050-O態(tài)T字形的型材壁厚為5 mm，用戶(hù)淬火后發(fā)現(xiàn)了沿型材邊部向下延伸的縱向裂紋，且筋條邊部的厚度方向已全部開(kāi)裂。為弄清型材開(kāi)裂原因，對(duì)開(kāi)裂樣品進(jìn)行了宏觀形貌、微觀組織、斷口能譜、化學(xué)成分等分析，以確定裂紋產(chǎn)生的原因。

1 試驗(yàn)方法

宏觀分析：采用體視鏡觀察樣品開(kāi)裂部位表面形貌；采用NaOH溶液對(duì)型材淬火態(tài)開(kāi)裂和未開(kāi)裂樣品的橫截面進(jìn)行低倍浸蝕。

微觀分析：切取開(kāi)裂部位樣品，鑲樣，采用自動(dòng)磨樣機(jī)磨制縱截面，采用凱勒試劑進(jìn)行浸蝕；采用Leica DM 4000M光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相組織觀察；采用HitachiS-400掃描電鏡進(jìn)行微觀觀察，加速電壓為20 kV；采用牛津X-Max能譜儀進(jìn)行成分分析。

根據(jù)GB/T 3190-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，采用ARL-4460光電光譜儀對(duì)7050合金型材進(jìn)行成分檢測(cè)，合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 7050合金型材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 宏觀分析

7050合金型材的宏觀形貌及裂紋的體視鏡形貌見(jiàn)圖1。從圖中可知，型材的筋條沿壁厚方向已全部開(kāi)裂，裂紋沿邊部向下延伸深度約為5 mm，淬火態(tài)開(kāi)裂型材未見(jiàn)其他表面損傷。

圖1 型材裂紋宏觀形貌

對(duì)開(kāi)裂和未開(kāi)裂的型材切取正常部位的截面，采用NaOH溶液進(jìn)行低倍浸蝕。圖2為淬火態(tài)型材開(kāi)裂與未開(kāi)裂樣品橫截面的低倍宏觀形貌圖，表2為型材橫截面低倍粗晶層情況。淬火態(tài)（開(kāi)裂）樣品筋條部位均存在明顯粗晶環(huán)，其中筋條和平板端部位置的粗晶層深度較大，開(kāi)裂型材的筋條端部粗晶層深度均為2.8 mm，平板端頭粗晶層深度分別為2.5 mm、2.6 mm；淬火態(tài)（未開(kāi)裂）樣品不同部位均未見(jiàn)粗晶環(huán)。

圖2 型材橫截面低倍宏觀形貌

表2 型材橫截面低倍粗晶層情況

2.2 顯微組織分析

對(duì)裂紋部位采用人工打開(kāi)裂口，對(duì)裂紋斷面進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析。斷面掃描電鏡見(jiàn)圖3，能譜結(jié)果見(jiàn)表3。淬火態(tài)樣品筋條開(kāi)裂部位斷口面干凈未見(jiàn)異物，未見(jiàn)氧化膜、夾雜等冶金缺陷。開(kāi)裂部位斷口面呈典型的沿晶開(kāi)裂特征，且晶粒較為粗大；正常人工斷口面呈細(xì)小韌窩狀。裂紋斷口面與正常部位的化學(xué)成分基本相當(dāng)。

表3 裂紋斷面及正常斷面能譜結(jié)果

圖3 裂紋斷面及正常斷面掃描電鏡圖

在淬火態(tài)（開(kāi)裂）樣品、淬火態(tài)（未開(kāi)裂）樣品筋條部位分別取樣磨制縱截面（筋條厚度中部），典型顯微組織見(jiàn)圖4。由圖可知，各樣品均未見(jiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，化合物分布相對(duì)彌散，未見(jiàn)聚集現(xiàn)象。淬火態(tài)（開(kāi)裂）樣品出現(xiàn)筋條開(kāi)裂現(xiàn)象，且均位于粗晶環(huán)區(qū)域，粗晶層深度約為2.6 mm，裂紋呈折線(xiàn)狀沿晶界分布；淬火態(tài)（未開(kāi)裂）樣品表層粗晶層深度約為35 μm，粗晶層不明顯。淬火開(kāi)裂樣品的未開(kāi)裂部位的再結(jié)晶程度高于為開(kāi)裂樣品。型材裂紋為沿晶開(kāi)裂，屬于淬火裂紋。由此可見(jiàn)，型材端部開(kāi)裂為型材淬火時(shí)產(chǎn)生的淬火裂紋。

圖4 筋條部位顯微組織金相圖

3 討論與分析

本批次生產(chǎn)的7050型材外筋條端部存在開(kāi)裂現(xiàn)象，由上述試驗(yàn)可知，裂紋為淬火裂紋。材料內(nèi)部存在著較大的內(nèi)應(yīng)力是產(chǎn)生淬火裂紋的主要原因，由于裂紋存在于棒材的粗晶環(huán)區(qū)，所以裂紋的產(chǎn)生也與粗大的再結(jié)晶晶粒有關(guān)[6]。

7050鋁合金是可熱處理強(qiáng)化材料，擠壓加工后通過(guò)淬火處理得到過(guò)飽和固溶體，從而可提高材料的力學(xué)性能。但型材在擠壓過(guò)程中易發(fā)生不均勻變形，型材端部由于三處表面均與擠壓筒發(fā)生摩擦，金屬發(fā)生劇烈的剪切變形，表層晶粒變形程度大于心部，晶粒儲(chǔ)存能和晶格畸變能也大于心部，表層晶粒再結(jié)晶溫度也低于心部。

淬火時(shí)，型材的表層由于晶界儲(chǔ)能高，在其周邊會(huì)出現(xiàn)粗大的再結(jié)晶晶粒區(qū)，即粗晶環(huán)。粗晶區(qū)域由于晶粒粗大，晶粒數(shù)量少，晶界面積小，阻擋裂紋擴(kuò)展的滑移系和位錯(cuò)數(shù)量少，故而粗晶環(huán)區(qū)域的力學(xué)性能低于擠壓制品正常部位細(xì)晶區(qū)的性能，易發(fā)生應(yīng)力集中，且裂紋極易擴(kuò)展[7]。

7050型材淬火時(shí)采取水冷，在獲得過(guò)飽和固溶體的同時(shí)，也會(huì)因表層和心部的冷卻速率不一致（表層冷卻速度快，心部冷卻速度慢，表層至心部存在溫度梯度）致使型材內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力強(qiáng)度超過(guò)型材粗晶環(huán)區(qū)的抗拉強(qiáng)度而低于型材正常部位細(xì)晶區(qū)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在粗晶環(huán)區(qū)產(chǎn)生裂紋，并截止于粗、細(xì)晶區(qū)的交界處[8]。

4 結(jié)論

（1）7050鋁合金型材未見(jiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，筋條開(kāi)裂部位未見(jiàn)夾雜、氧化膜等冶金缺陷。

（2）7050鋁合金型材淬火態(tài)（開(kāi)裂）樣品筋條部位均存在明顯粗晶環(huán)，裂紋沿粗晶晶界開(kāi)裂，為淬火裂紋。