7A04鋁合金殼體失效分析

王翠英, 楊有才, 柯美武, 褚小菲, 王 偉

(豫西工業集團 河南北方紅陽機電有限公司, 河南 南陽 474678)

在新型遠程化、大威力彈藥的不斷發展過程中,越來越多的鋼質零件被鋁合金所替代[1]。7×××系鋁合金具有易加工、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優點,被廣泛應用于航空、航天和兵器等行業[2-5]。某單位生產的7A04鋁合金殼體在使用過程中發生幾起開裂失效,為了確定裂紋的形成原因,進一步改善殼體的質量,避免類似現象的再次發生,本文對殼體開裂原因進行了失效分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

失效殼體材質為T6態7A04鋁合金,由鋁合金棒料機械加工而成。使用時前期壓力348 MPa,后期壓力60 MPa。裂紋宏觀形態和位置如圖1所示。鋁合金殼體一側壁完全裂開,見圖1(a),裂紋在底部分叉呈“Y”字形,見圖1(b)。側壁斷口較平坦,呈木紋狀特征,底部斷口較粗糙,呈人字紋狀形貌,見圖1(c)。

圖1 失效7A04鋁合金殼體的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

通過ICP等離子發射光譜儀對失效件及庫存件進行化學成分分析,結果見表1。失效件和庫存件化學成分均滿足技術要求。

表1 7A04鋁合金殼體的化學成分(質量分數,%)

1.3 力學性能

在失效件和庫存件上切取25 mm×25 mm×20 mm硬度試樣、φ9 mm×100 mm橫向和縱向拉伸試樣、10 mm×10 mm×55 mm V型缺口沖擊試樣,分別采用HB-3000型布氏硬度計、WDW-300C型微機控制電子萬能試驗機和JB-W300A型微機控制擺錘式沖擊試驗機進行力學性能檢測,結果見表2～表4。通過對比分析可以發現,失效件和庫存件的硬度無明顯差別,強度、塑性和沖擊性能也沒有明顯差異,但縱向力學性能明顯優于橫向力學性能。

表2 7A04鋁合金殼體的硬度(HBW)

表3 7A04鋁合金殼體的拉伸性能

表4 7A04鋁合金殼體的沖擊吸收能量 (J)

1.4 顯微組織

采用ZEISS光學顯微鏡觀察失效件和庫存件的顯微組織,如圖2所示。可以看出,庫存件內部平滑,未發現裂紋等缺陷,橫向組織晶粒為等軸晶,縱向組織晶粒呈拉長形貌,存在晶粒細小和晶粒粗大的區域,顯微組織為α(Al)基體+塊狀化合物相+彌散相[6-7],見圖2(a, c)。失效件表面發現凹坑,橫向組織晶粒為等軸晶,縱向組織同樣呈拉長晶,存在晶粒細小和晶粒粗大的區域,顯微組織仍為α(Al)基體+塊狀化合物相+彌散相,見圖2(b, d)。

圖2 7A04鋁合金殼體的顯微組織

圖3所示為失效件的斷口形貌,可以發現斷口處有較多的顯微裂紋,拋光態形貌見圖3(a, b),斷口附近的開口位置也發現較多的顯微裂紋,見圖3(c),經測量裂紋最長的約為0.8 mm。失效件基體的拋光態形貌見圖3(d),可以觀察到兩種顏色的塊狀化合物相。基體侵蝕后可見圖3(b, c)中的顯微裂紋沿晶界擴展,見圖3(e, f)。

圖3 失效7A04鋁合金殼體的顯微形貌

采用SU-5000日立掃描電鏡觀察失效件的斷口形貌,發現沿縱向拉長晶粒開裂特征,見圖4(a)。放大后可見沿晶脆性斷裂特征,見圖4(b)。

圖4 失效7A04鋁合金殼體的斷口形貌

圖5所示為庫存件和失效件的拉伸斷口形貌。可以看出,庫存件和失效件的橫向拉伸斷口均有沿拉長晶粒斷裂特征,而縱向拉伸斷口均呈較淺的韌窩特征。對比圖4和圖5可以發現,失效件的斷口、庫存件和失效件的橫向拉伸斷口均有沿拉長晶粒斷裂特征,未發現明顯差異。庫存件和失效件的縱向拉伸斷口也未發現明顯差異。

圖5 7A04鋁合金殼體的拉伸斷口形貌

1.6 表面應力檢測

殘余應力是衡量零件質量的重要指標。選取庫存件和與失效件同批次的庫存件采用HK21A/B盲孔法應力檢測儀進行圓周外表面的殘余應力檢測,檢測位置在外圓周表面間隔120°取3個點測試軸向、環向應力,結果見表5。可以看出,庫存件和與失效件同批次的庫存件的環向殘余拉應力明顯高于軸向殘余拉應力。

表5 7A04鋁合金殼體的表面殘余應力(MPa)

2 分析與討論

鋁合金殼體失效件和庫存件的化學成分、縱向拉伸性能均符合設計要求,沖擊性能、硬度和顯微組織未見明顯區別。由于7A04超硬鋁合金對應力集中敏感[1],而表面殘余應力較小,因此,殼體開裂與表面應力沒有必然的聯系。

材料力學性能的高低是裂紋產生的主要因素[8],殼體橫向力學性能明顯低于縱向力學性能,拉伸斷口的斷裂模式不相同,顯微組織也存在很大差異。拉伸斷口形貌表明,殼體橫向拉伸斷口呈木紋狀,沿拉長晶粒斷裂為主,強度低、塑韌性差,而縱向拉伸斷口韌窩為主,強度高、塑韌性較好。造成這一差異的主要原因是顯微組織中晶粒取向不同,化合物相和彌散相的分布不同。原始棒料在軋制過程中形成了沿縱向的纖維狀組織并遺傳到殼體上,導致橫向和縱向不同的微觀組織結構,最終體現在力學性能和使用性能上的較大差異。殼體在服役時所受應力主要為橫向應力,也就是材料力學性能較差的方向,殼體工況條件超過了使用性能的極限,因此造成了殼體的失效。

3 改進措施

由于鋁合金殼體橫縱向力學性能的差異主要源自原始棒料在軋制過程中形成了沿縱向的纖維狀組織,為了提高鋁合金殼體壽命,減小鋁合金殼體橫縱向力學性能的差異,因此將原始棒料改為橫縱向力學性能差異明顯減小的鍛造件(如表6所示),所生產的7A04鋁合金殼體在使用過程中未再出現類似裂紋。

表6 7A04鋁合金鍛造件的拉伸性能

4 結論

1) 失效鋁合金殼體的拉伸和沖擊性能、硬度、顯微組織與庫存件對比未發現明顯差異,但橫向和縱向的拉伸和沖擊性能、顯微組織有明顯差別。

2) 鋁合金殼體沿縱向呈脆性開裂特征,殼體橫向的力學性能較低,承受較大的工作應力,是殼體發生開裂的主要原因。