7050铝合金型材开裂成因分析

2022-01-15黄启波

铝加工 2021年6期

孙娜，冯旺，李霜，黄启波，辛荣

（西南铝业（集团）有限责任公司，重庆401326）

0 前言

7050合金属于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是可通过热处理强化的高强铝合金。该合金具有比强度高、密度小、易于加工及韧性好等一系列的优点，因而广泛应用于航空、航天、交通运输及其它要求轻量化、高强度及高应力结构件中[1]。在作为高性能或航空航天结构材料时，高强度铝合金的断裂韧性、高比强度特征非常重要，必须避免或充分考虑高拉应力区域或组织缺陷部位的裂纹萌生和扩展[2]。但7×××系铝合金合金化程度很高，具有较高的淬火敏感性[3-4]，淬火速率过快，易导致内应力过大[5]。因此该类合金在高拉应力区或者组织存在缺陷的区域易萌生裂纹，甚至在淬火后开裂。

某公司生产的7050-O态T字形的型材壁厚为5 mm，用户淬火后发现了沿型材边部向下延伸的纵向裂纹，且筋条边部的厚度方向已全部开裂。为弄清型材开裂原因，对开裂样品进行了宏观形貌、微观组织、断口能谱、化学成分等分析，以确定裂纹产生的原因。

1 试验方法

宏观分析：采用体视镜观察样品开裂部位表面形貌；采用NaOH溶液对型材淬火态开裂和未开裂样品的横截面进行低倍浸蚀。

微观分析：切取开裂部位样品，镶样，采用自动磨样机磨制纵截面，采用凯勒试剂进行浸蚀；采用Leica DM 4000M光学显微镜进行金相组织观察；采用HitachiS-400扫描电镜进行微观观察，加速电压为20 kV；采用牛津X-Max能谱仪进行成分分析。

根据GB/T 3190-2008标准要求，采用ARL-4460光电光谱仪对7050合金型材进行成分检测，合金的化学成分如表1所示。

表1 7050合金型材化学成分（质量分数/%）

2 试验结果及分析

2.1 宏观分析

7050合金型材的宏观形貌及裂纹的体视镜形貌见图1。从图中可知，型材的筋条沿壁厚方向已全部开裂，裂纹沿边部向下延伸深度约为5 mm，淬火态开裂型材未见其他表面损伤。

图1 型材裂纹宏观形貌

对开裂和未开裂的型材切取正常部位的截面，采用NaOH溶液进行低倍浸蚀。图2为淬火态型材开裂与未开裂样品横截面的低倍宏观形貌图，表2为型材横截面低倍粗晶层情况。淬火态（开裂）样品筋条部位均存在明显粗晶环，其中筋条和平板端部位置的粗晶层深度较大，开裂型材的筋条端部粗晶层深度均为2.8 mm，平板端头粗晶层深度分别为2.5 mm、2.6 mm；淬火态（未开裂）样品不同部位均未见粗晶环。

图2 型材横截面低倍宏观形貌

表2 型材横截面低倍粗晶层情况

2.2 显微组织分析

对裂纹部位采用人工打开裂口，对裂纹断面进行扫描电镜及能谱分析。断面扫描电镜见图3，能谱结果见表3。淬火态样品筋条开裂部位断口面干净未见异物，未见氧化膜、夹杂等冶金缺陷。开裂部位断口面呈典型的沿晶开裂特征，且晶粒较为粗大；正常人工断口面呈细小韧窝状。裂纹断口面与正常部位的化学成分基本相当。

表3 裂纹断面及正常断面能谱结果

图3 裂纹断面及正常断面扫描电镜图

在淬火态（开裂）样品、淬火态（未开裂）样品筋条部位分别取样磨制纵截面（筋条厚度中部），典型显微组织见图4。由图可知，各样品均未见过烧现象，化合物分布相对弥散，未见聚集现象。淬火态（开裂）样品出现筋条开裂现象，且均位于粗晶环区域，粗晶层深度约为2.6 mm，裂纹呈折线状沿晶界分布；淬火态（未开裂）样品表层粗晶层深度约为35 μm，粗晶层不明显。淬火开裂样品的未开裂部位的再结晶程度高于为开裂样品。型材裂纹为沿晶开裂，属于淬火裂纹。由此可见，型材端部开裂为型材淬火时产生的淬火裂纹。

图4 筋条部位显微组织金相图

3 讨论与分析

本批次生产的7050型材外筋条端部存在开裂现象，由上述试验可知，裂纹为淬火裂纹。材料内部存在着较大的内应力是产生淬火裂纹的主要原因，由于裂纹存在于棒材的粗晶环区，所以裂纹的产生也与粗大的再结晶晶粒有关[6]。

7050铝合金是可热处理强化材料，挤压加工后通过淬火处理得到过饱和固溶体，从而可提高材料的力学性能。但型材在挤压过程中易发生不均匀变形，型材端部由于三处表面均与挤压筒发生摩擦，金属发生剧烈的剪切变形，表层晶粒变形程度大于心部，晶粒储存能和晶格畸变能也大于心部，表层晶粒再结晶温度也低于心部。

淬火时，型材的表层由于晶界储能高，在其周边会出现粗大的再结晶晶粒区，即粗晶环。粗晶区域由于晶粒粗大，晶粒数量少，晶界面积小，阻挡裂纹扩展的滑移系和位错数量少，故而粗晶环区域的力学性能低于挤压制品正常部位细晶区的性能，易发生应力集中，且裂纹极易扩展[7]。

7050型材淬火时采取水冷，在获得过饱和固溶体的同时，也会因表层和心部的冷却速率不一致（表层冷却速度快，心部冷却速度慢，表层至心部存在温度梯度）致使型材内部产生内应力。当产生的内应力强度超过型材粗晶环区的抗拉强度而低于型材正常部位细晶区的抗拉强度时，就会在粗晶环区产生裂纹，并截止于粗、细晶区的交界处[8]。