7050鋁合金型材開裂成因分析

孫 娜，馮 旺，李 霜，黃啟波，辛 榮

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

7050合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是可通過熱處理強化的高強鋁合金。該合金具有比強度高、密度小、易于加工及韌性好等一系列的優點，因而廣泛應用于航空、航天、交通運輸及其它要求輕量化、高強度及高應力結構件中[1]。在作為高性能或航空航天結構材料時，高強度鋁合金的斷裂韌性、高比強度特征非常重要，必須避免或充分考慮高拉應力區域或組織缺陷部位的裂紋萌生和擴展[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]，淬火速率過快，易導致內應力過大[5]。因此該類合金在高拉應力區或者組織存在缺陷的區域易萌生裂紋，甚至在淬火后開裂。

某公司生產的7050-O態T字形的型材壁厚為5 mm，用戶淬火后發現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裂。為弄清型材開裂原因，對開裂樣品進行了宏觀形貌、微觀組織、斷口能譜、化學成分等分析，以確定裂紋產生的原因。

1 試驗方法

宏觀分析：采用體視鏡觀察樣品開裂部位表面形貌；采用NaOH溶液對型材淬火態開裂和未開裂樣品的橫截面進行低倍浸蝕。

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

根據GB/T 3190-2008標準要求，采用ARL-4460光電光譜儀對7050合金型材進行成分檢測，合金的化學成分如表1所示。

表1 7050合金型材化學成分（質量分數/%）

2 試驗結果及分析

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圖1。從圖中可知，型材的筋條沿壁厚方向已全部開裂，裂紋沿邊部向下延伸深度約為5 mm，淬火態開裂型材未見其他表面損傷。

圖1 型材裂紋宏觀形貌

對開裂和未開裂的型材切取正常部位的截面，采用NaOH溶液進行低倍浸蝕。圖2為淬火態型材開裂與未開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（開裂）樣品筋條部位均存在明顯粗晶環，其中筋條和平板端部位置的粗晶層深度較大，開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（未開裂）樣品不同部位均未見粗晶環。

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

對裂紋部位采用人工打開裂口，對裂紋斷面進行掃描電鏡及能譜分析。斷面掃描電鏡見圖3，能譜結果見表3。淬火態樣品筋條開裂部位斷口面干凈未見異物，未見氧化膜、夾雜等冶金缺陷。開裂部位斷口面呈典型的沿晶開裂特征，且晶粒較為粗大；正常人工斷口面呈細小韌窩狀。裂紋斷口面與正常部位的化學成分基本相當。

表3 裂紋斷面及正常斷面能譜結果

圖3 裂紋斷面及正常斷面掃描電鏡圖

在淬火態（開裂）樣品、淬火態（未開裂）樣品筋條部位分別取樣磨制縱截面（筋條厚度中部），典型顯微組織見圖4。由圖可知，各樣品均未見過燒現象，化合物分布相對彌散，未見聚集現象。淬火態（開裂）樣品出現筋條開裂現象，且均位于粗晶環區域，粗晶層深度約為2.6 mm，裂紋呈折線狀沿晶界分布；淬火態（未開裂）樣品表層粗晶層深度約為35 μm，粗晶層不明顯。淬火開裂樣品的未開裂部位的再結晶程度高于為開裂樣品。型材裂紋為沿晶開裂，屬于淬火裂紋。由此可見，型材端部開裂為型材淬火時產生的淬火裂紋。

圖4 筋條部位顯微組織金相圖

3 討論與分析

本批次生產的7050型材外筋條端部存在開裂現象，由上述試驗可知，裂紋為淬火裂紋。材料內部存在著較大的內應力是產生淬火裂紋的主要原因，由于裂紋存在于棒材的粗晶環區，所以裂紋的產生也與粗大的再結晶晶粒有關[6]。

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

淬火時，型材的表層由于晶界儲能高，在其周邊會出現粗大的再結晶晶粒區，即粗晶環。粗晶區域由于晶粒粗大，晶粒數量少，晶界面積小，阻擋裂紋擴展的滑移系和位錯數量少，故而粗晶環區域的力學性能低于擠壓制品正常部位細晶區的性能，易發生應力集中，且裂紋極易擴展[7]。

7050型材淬火時采取水冷，在獲得過飽和固溶體的同時，也會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）致使型材內部產生內應力。當產生的內應力強度超過型材粗晶環區的抗拉強度而低于型材正常部位細晶區的抗拉強度時，就會在粗晶環區產生裂紋，并截止于粗、細晶區的交界處[8]。

4 結論

（1）7050鋁合金型材未見過燒現象，筋條開裂部位未見夾雜、氧化膜等冶金缺陷。

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