ZL101A铝合金拉伸断口缩松缺陷产生原因

2024-03-16孙明道

理化检验(物理分册) 2024年1期

闫涛,曹丹,孙明道

(河南省锅炉压力容器检验技术科学研究院,郑州 450016)

ZL101A铝合金具有优良的铸造性能、力学性能、耐腐蚀性能和焊接性能等优点,是一种可进行热处理强化的Al-Si-Mg系铸造铝合金,可通过合金化来提高其力学性能,其在承压壳体铸造中应用广泛[1-3]。采用砂型、金属型和熔模铸造等工艺可以将ZL101A铝合金制造成形状复杂、气密性好的零部件,在实际制造过程中,ZL101A铝合金会产生缩松、缩孔、冷隔、气孔、针孔、夹杂等缺陷,这些缺陷降低了铸件产品的安全性能,其中缩松、缩孔和冷隔缺陷是诱发产品失效的关键因素[4]。

某批次ZL101A铝合金拉伸试样在进行拉伸试验时,发现试样1,3,4断口出现缩孔缺陷,其中试样1存在较严重的缩松缺陷。笔者采用一系列理化检验方法分析了拉伸断口缩松缺陷产生的原因及其与力学性能之间的关系,以便找出两者之间的相关规律,从而避免该类问题再次发生。

1 理化检验

1.1 宏观观察

ZL101A铝合金拉伸试样断口的宏观形貌如图1所示,断面上分布有灰黑色和聚集性的亮斑缩松区域,断面上的缩松缺陷整体呈海绵状分布。

图1 ZL101A铝合金拉伸试样断口的宏观形貌

1.2 X射线检测

采用X射线数学成像检测(DR)方法对拉伸试样进行检测,结果如图2所示,缩松缺陷沿轴向分布并具有一定长度,其形态属于体积型缺陷。

图2 拉伸试样的X射线检测分析结果

1.3 金相检验

图3为ZL101A-T6铝合金正常显微组织形貌,ZL101A铝合金正常显微组织由灰白色基体α固溶体和深灰色共晶硅组成[5],灰白色基体α固溶体呈树枝状分布,共晶硅组织呈小颗粒和小条状分布,小条状共晶硅细小,整个组织均匀。

图3 ZL101A-T6铝合金正常显微组织形貌

含有缩松缺陷的拉伸试样显微组织形貌如图4所示,可见共晶硅组织比较粗大,基本连续分布在初生α-Al 相上,在缩松缺陷附近可见α-Al相,且具有大量夹杂物。

图4 含有缩松缺陷的拉伸试样显微组织形貌

1.4 扫描电镜(SEM)及能谱分析

利用扫描电镜对ZL101A铝合金拉伸试样断口进行分析,无缺陷试样的断口SEM形貌如图5所示。由图5可知:断口呈准解理形貌特征,可见舌状花样、韧窝和撕裂棱等[3]。

图5 无缺陷试样的断口SEM形貌

含有缩松缺陷的拉伸试样断口SEM形貌如图6所示。由图6可知:断口表面存在大量裂纹、孔洞,以及少量浅而小的韧窝,试样断口呈脆性和塑性混合断裂特征;断口存在大量枝晶,枝晶间和枝晶表面分布有大量Al2O3晶须,部分Al2O3呈花瓣状;缩松缺陷呈光滑状形貌,类似葡萄状,且缩松壁伴有微裂纹。

图6 含有缩松缺陷的拉伸试样断口SEM形貌

利用能谱分析仪对含有缩松缺陷的拉伸试样断口进行分析,结果如图7所示。由图7可知:区域1主要含有O、Al、Si等元素,O、Al、Si元素的质量分数分别为68.39%,27.53%,4.07%,为Al2O3晶体;区域2主要含有O、Al等元素,O、Al元素的质量分数分别为35.87%,64.13%,主要为Al基体和氧化物。

图7 含有缩松缺陷的拉伸试样断口能谱分析结果

1.5 力学性能测试

ZL101A铝合金的力学性能与材料内部缺陷有关[6]。在室温条件下,依据GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法》,对该批次正常ZL101A铝合金试样进行力学性能测试[7],结果如表1所示。

表1 ZL101A铝合金试样的力学性能测试结果

采用最小二乘法对抗拉强度、断后伸长率与缩松缺陷面积占比率进行拟合,拟合曲线如图8所示。由图8可知:随着断口缩松缺陷面积的增加,ZL101A铝合金的力学性能整体呈下降趋势,其中最小抗拉强度为112 MPa,最小断后伸长率为0.5%,远低于标准要求。

图8 抗拉强度、断后伸长率与缩松缺陷面积占比率的拟合曲线

2 综合分析

铝金属液凝固过程中形成骨架状结构,未凝固金属液形成孤立小熔池,熔池内的铝液凝固收缩,使体积亏损得不到补缩,最终形成缩松缺陷[8]。在缩松缺陷周围主要为α-Al相,由于初生α-Al结晶与共晶硅凝固的时间不同,初生α-Al结晶后,晶界上残留有少量气孔,在发生共晶反应后,气孔留在α-Al与共晶硅的界面上,最终因冷却不当形成缩松缺陷[9]。

缺陷试样断口呈脆性和塑性混合断口形貌,断口表面存在孔洞、裂纹和少量较浅而小的韧窝。缩松缺陷中分布有枝晶,枝晶处有较多Al2O3晶须析出,呈花瓣状,严重降低了组织结构的致密性。断口处的孔洞、枝晶和Al2O3晶须降低了试样的有效承载面积,因此在小载荷的作用下试样就会发生断裂。

拉伸试样的抗拉强度与缩松缺陷面积占比率的拟合曲线存在下降平缓区,断后伸长率与缩松缺陷面积占比率的拟合曲线呈线性变化。当缩松缺陷面积占比率小于10%时,材料的抗拉强度明显降低,试样对小缺口影响敏感,缩松缺陷诱发缺口效应,抗拉强度下降较为明显;当缩松缺陷面积占比率为10%～43%时,缺陷对抗拉强度的影响趋于平缓,因为试样缩松缺口效应敏感程度趋于稳定;当缩松缺陷面积占比率大于43%时,断口处的大面积缩松破坏了材料的组织结构,使材料的力学性能发生劣化,抗拉强度降低明显。当缩松缺陷面积占比率小于10%时,试样的缺陷面积与断后伸长率的关系呈分散性,随着缺陷面积增大,断后伸长率整体呈线性下降趋势。当缩松缺陷面积占比率大于6%时,试样的断后伸长率与缺陷面积的线性关系明显,随缺陷面积的增大,断后伸长率迅速降低。