7A04铝合金壳体失效分析

2023-05-04王翠英杨有才柯美武褚小菲

金属热处理 2023年4期

王翠英, 杨有才, 柯美武, 褚小菲, 王伟

(豫西工业集团河南北方红阳机电有限公司, 河南南阳 474678)

在新型远程化、大威力弹药的不断发展过程中,越来越多的钢质零件被铝合金所替代[1]。7×××系铝合金具有易加工、较好的耐腐蚀性能和较高的韧性等优点,被广泛应用于航空、航天和兵器等行业[2-5]。某单位生产的7A04铝合金壳体在使用过程中发生几起开裂失效,为了确定裂纹的形成原因,进一步改善壳体的质量,避免类似现象的再次发生,本文对壳体开裂原因进行了失效分析。

1 理化检验

1.1 宏观检验

失效壳体材质为T6态7A04铝合金,由铝合金棒料机械加工而成。使用时前期压力348 MPa,后期压力60 MPa。裂纹宏观形态和位置如图1所示。铝合金壳体一侧壁完全裂开,见图1(a),裂纹在底部分叉呈“Y”字形,见图1(b)。侧壁断口较平坦,呈木纹状特征,底部断口较粗糙,呈人字纹状形貌,见图1(c)。

图1 失效7A04铝合金壳体的宏观形貌

1.2 化学成分分析

通过ICP等离子发射光谱仪对失效件及库存件进行化学成分分析,结果见表1。失效件和库存件化学成分均满足技术要求。

表1 7A04铝合金壳体的化学成分(质量分数,%)

1.3 力学性能

在失效件和库存件上切取25 mm×25 mm×20 mm硬度试样、φ9 mm×100 mm横向和纵向拉伸试样、10 mm×10 mm×55 mm V型缺口冲击试样,分别采用HB-3000型布氏硬度计、WDW-300C型微机控制电子万能试验机和JB-W300A型微机控制摆锤式冲击试验机进行力学性能检测,结果见表2～表4。通过对比分析可以发现,失效件和库存件的硬度无明显差别,强度、塑性和冲击性能也没有明显差异,但纵向力学性能明显优于横向力学性能。

表2 7A04铝合金壳体的硬度(HBW)

表3 7A04铝合金壳体的拉伸性能

表4 7A04铝合金壳体的冲击吸收能量 (J)

1.4 显微组织

采用ZEISS光学显微镜观察失效件和库存件的显微组织,如图2所示。可以看出,库存件内部平滑,未发现裂纹等缺陷,横向组织晶粒为等轴晶,纵向组织晶粒呈拉长形貌,存在晶粒细小和晶粒粗大的区域,显微组织为α(Al)基体+块状化合物相+弥散相[6-7],见图2(a, c)。失效件表面发现凹坑,横向组织晶粒为等轴晶,纵向组织同样呈拉长晶,存在晶粒细小和晶粒粗大的区域,显微组织仍为α(Al)基体+块状化合物相+弥散相,见图2(b, d)。

图2 7A04铝合金壳体的显微组织

图3所示为失效件的断口形貌,可以发现断口处有较多的显微裂纹,抛光态形貌见图3(a, b),断口附近的开口位置也发现较多的显微裂纹,见图3(c),经测量裂纹最长的约为0.8 mm。失效件基体的抛光态形貌见图3(d),可以观察到两种颜色的块状化合物相。基体侵蚀后可见图3(b, c)中的显微裂纹沿晶界扩展,见图3(e, f)。

图3 失效7A04铝合金壳体的显微形貌

采用SU-5000日立扫描电镜观察失效件的断口形貌,发现沿纵向拉长晶粒开裂特征,见图4(a)。放大后可见沿晶脆性断裂特征,见图4(b)。

图4 失效7A04铝合金壳体的断口形貌

图5所示为库存件和失效件的拉伸断口形貌。可以看出,库存件和失效件的横向拉伸断口均有沿拉长晶粒断裂特征,而纵向拉伸断口均呈较浅的韧窝特征。对比图4和图5可以发现,失效件的断口、库存件和失效件的横向拉伸断口均有沿拉长晶粒断裂特征,未发现明显差异。库存件和失效件的纵向拉伸断口也未发现明显差异。

图5 7A04铝合金壳体的拉伸断口形貌

1.6 表面应力检测

残余应力是衡量零件质量的重要指标。选取库存件和与失效件同批次的库存件采用HK21A/B盲孔法应力检测仪进行圆周外表面的残余应力检测,检测位置在外圆周表面间隔120°取3个点测试轴向、环向应力,结果见表5。可以看出,库存件和与失效件同批次的库存件的环向残余拉应力明显高于轴向残余拉应力。

表5 7A04铝合金壳体的表面残余应力(MPa)

2 分析与讨论

铝合金壳体失效件和库存件的化学成分、纵向拉伸性能均符合设计要求,冲击性能、硬度和显微组织未见明显区别。由于7A04超硬铝合金对应力集中敏感[1],而表面残余应力较小,因此,壳体开裂与表面应力没有必然的联系。

材料力学性能的高低是裂纹产生的主要因素[8],壳体横向力学性能明显低于纵向力学性能,拉伸断口的断裂模式不相同,显微组织也存在很大差异。拉伸断口形貌表明,壳体横向拉伸断口呈木纹状,沿拉长晶粒断裂为主,强度低、塑韧性差,而纵向拉伸断口韧窝为主,强度高、塑韧性较好。造成这一差异的主要原因是显微组织中晶粒取向不同,化合物相和弥散相的分布不同。原始棒料在轧制过程中形成了沿纵向的纤维状组织并遗传到壳体上,导致横向和纵向不同的微观组织结构,最终体现在力学性能和使用性能上的较大差异。壳体在服役时所受应力主要为横向应力,也就是材料力学性能较差的方向,壳体工况条件超过了使用性能的极限,因此造成了壳体的失效。