铝合金水管接头失效分析

王 伟，赵晓康，朱绍峰

(1.安徽省机械科学研究所，安徽 合肥 230022；2.安徽建苑质量检测有限公司，安徽 合肥 230022；3.安徽建筑大学，安徽 合肥 2300222)

变形铝合金具有很好的强度与韧性配合，有较好的比强度和比刚度，是各类航空航天部件中的主要结构材料，在工程上广泛使用。2A12（LY12）铝合金为铝-铜-镁系中的典型硬铝合金，具有良好的强度与塑性，综合性能较好，可以采用热处理工艺强化，有一定的耐热性能，可制作150℃以下工作的构件，是硬铝中用量最大的合金[1]。铝合金主要的强化手段主要有固溶强化、冷变形强化以及细晶强化等，对铝合金铸锭、退火、成型、固溶处理、时效等过程的工艺参数应进行严格控制，以确保构件的质量。2A12铝合金热轧温度390℃～440℃，淬火温度485℃～498℃，过烧温度502℃，有很强的过烧敏感性，固溶处理温度应严格控制。另一方面，为保证时效过程有好的强化效果，应尽量提高加热温度，以使强化相固溶。某水管接头产品采用2A12铝合金制造，用热处理状态为T4的棒料直接加工而成。该构件在服役过程中承受交变载荷，水管内流动介质为蒸馏水。经一段时间服役后，发现水管接头出现早期开裂。

1 基本情况

图1是水管接头示意图，A处为出水口，与软管连接；B处为进水口。断裂发生于出水口根部约90°的交界处。断口呈椭圆形，最大内径约6.44mm，最小内径约6.40mm。断口平面与轴线约呈45°角，对称分布，断面无明显塑性变形，断口呈木纹状（图2）。

图1 水管接头示意图

图2 断裂水管接头宏观形貌

2 理化检验

2.1 化学成分分析

采用化学分析方法对断裂样品进行成分分析，根据GB/T 3190-2008标准，开裂水管接头样品化学成分符合2A12材料成分要求。

表1 样品化学成分分析（wt%）

2.2 金相检验

在平行于断面方向取样，采用混合酸溶液腐蚀，显微镜下观察为带状组织（图3a），组织不均匀，层状组织之间存在粗大不溶脆性和沿晶分布的残留强化相。高倍下未见过烧现象（图3b）。

图3 水管接头显微组织

2.3 断口微观形貌

断口表面已严重损坏，未能观察到原始断裂特征。图4为断口表面上损伤痕迹。呈层状断口。

图4 失效水管接头断口形貌

2.4 力学性能测试

对断裂水管接头进行维氏硬度试验，平均结果为132Hv。根据HB/Z 215-1992《铝合金板材硬度与强度换算值》，估算样品抗拉强度为412MPa，略低于GB/T3191-2010《铝及铝合金挤压棒材》对T4状态2A12铝合金抗拉强度的技术要求（≥420MPa）。

3 结果分析

水管接头断裂于水管根部，断口呈层状，断面上未观察到塑性变形的特征，说明该构件保留了成型过程中的纤维状变形组织特征[2]。层状断口特征表明该构件所使用的材料未进行有效的强化热处理（如保温温度较低、保温时间不够长或冷却速率不够快等），材料力学性能较差[3]。

2A12铝合金中存在大量的强化相和过剩相，铸态组织中还存在共晶混合物，这些物质通常硬度高、脆性大，呈网状分布于晶界上。另外，由于铸造时冷却条件，这些物相在铸锭中形成区域偏析、枝晶偏析和晶间偏析，还有气孔、缩孔等缺陷，使铝合金铸锭的塑性大大降低。通过塑性变形可以改善铝合金的铸态组织。研究表明[4]，在挤压塑性变形量小于70%之前，挤压变形后获得的纤维组织有利于改善铝合金的强度和塑性。超过一定范围和，增加变形，纵向性能会继续提高，横向性能急剧下降，出现性能各向异性。带状组织是变形铝合金棒材在挤压过程中形成的。从金相分析可以看出，层状组织之间存在粗大不溶脆性和沿晶分布的残留强化相，这将容易萌生裂纹。从力学性能测试可以看出，该样品强度略低于标准值，在服役过程中，水管接头产品承受交变载荷，在上述部位产生裂纹源而导致零件早期断裂失效[5]。2A12铝合金镁含量高，处于α(Al)+θ(Al2Cu)+S(Al2CuMg)相区右侧，主要强化相为S相，其次是θ相，淬火加热时强化相溶入固溶体，得到过饱和固溶体，经时效使合金强化。因此，淬火时应该选择尽可能高的淬火温度，以使合金元素尽可能多的固溶。另外，杂质元素铁、硅的含量对材料的韧性以及强度等也有明显影响，它们易形成金属间化合物，如AlFeMnSi，Mg2Si，Al6(FeMn)等，这些化合物聚集区也会成为裂纹萌生的位置[6]。实际操作中，加热温度或保温时间控制不当，强化相及金属化合物未能完全溶解，仍存在于晶界处，引起强度降低。

从断裂位置看，水管接头断裂于根部约90°的交界处，在服役过程中，该位置承受交变的弯曲应力，且最大拉应力在接头管件的表面，因此，裂纹应萌生于表面。从金相分析可以看出，拉应力方向垂直于铝合金的纤维方向，由于横向层状组织之间存在粗大不溶脆性和沿晶分布的残留强化相，拉应力促进了裂纹的萌生和扩展，造成水管接头出现早期断裂。从力学性能看，虽然断裂水管接头强度接近2A12铝合T4状态的要求，由于受力垂直于材料的纤维方向，其疲劳强度会大大降低。

4 结论

断裂水管接头成分符合2A12铝合金要求，金相组织中存在带状组织，层状组织之间存在粗大不溶脆性和沿晶分布的残留强化相，表明在热处理过程中加热不足，带状组织未消除。构件在使用过程中所受的交变应力垂直于横向组织，加速了裂纹的形成和扩展。因此，水管接头是由于结构设计不合理、热处理工艺存在缺陷而引起的疲劳断裂。