ZL101A鋁合金拉伸斷口縮松缺陷產生原因

閆 濤,曹 丹,孫明道

(河南省鍋爐壓力容器檢驗技術科學研究院,鄭州 450016)

ZL101A鋁合金具有優良的鑄造性能、力學性能、耐腐蝕性能和焊接性能等優點,是一種可進行熱處理強化的Al-Si-Mg系鑄造鋁合金,可通過合金化來提高其力學性能,其在承壓殼體鑄造中應用廣泛[1-3]。采用砂型、金屬型和熔模鑄造等工藝可以將ZL101A鋁合金制造成形狀復雜、氣密性好的零部件,在實際制造過程中,ZL101A鋁合金會產生縮松、縮孔、冷隔、氣孔、針孔、夾雜等缺陷,這些缺陷降低了鑄件產品的安全性能,其中縮松、縮孔和冷隔缺陷是誘發產品失效的關鍵因素[4]。

某批次ZL101A鋁合金拉伸試樣在進行拉伸試驗時,發現試樣1,3,4斷口出現縮孔缺陷,其中試樣1存在較嚴重的縮松缺陷。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了拉伸斷口縮松缺陷產生的原因及其與力學性能之間的關系,以便找出兩者之間的相關規律,從而避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

ZL101A鋁合金拉伸試樣斷口的宏觀形貌如圖1所示,斷面上分布有灰黑色和聚集性的亮斑縮松區域,斷面上的縮松缺陷整體呈海綿狀分布。

圖1 ZL101A鋁合金拉伸試樣斷口的宏觀形貌

1.2 X射線檢測

采用X射線數學成像檢測(DR)方法對拉伸試樣進行檢測,結果如圖2所示,縮松缺陷沿軸向分布并具有一定長度,其形態屬于體積型缺陷。

圖2 拉伸試樣的X射線檢測分析結果

1.3 金相檢驗

圖3為ZL101A-T6鋁合金正常顯微組織形貌,ZL101A鋁合金正常顯微組織由灰白色基體α固溶體和深灰色共晶硅組成[5],灰白色基體α固溶體呈樹枝狀分布,共晶硅組織呈小顆粒和小條狀分布,小條狀共晶硅細小,整個組織均勻。

圖3 ZL101A-T6鋁合金正常顯微組織形貌

含有縮松缺陷的拉伸試樣顯微組織形貌如圖4所示,可見共晶硅組織比較粗大,基本連續分布在初生α-Al 相上,在縮松缺陷附近可見α-Al相,且具有大量夾雜物。

圖4 含有縮松缺陷的拉伸試樣顯微組織形貌

1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

利用掃描電鏡對ZL101A鋁合金拉伸試樣斷口進行分析,無缺陷試樣的斷口SEM形貌如圖5所示。由圖5可知:斷口呈準解理形貌特征,可見舌狀花樣、韌窩和撕裂棱等[3]。

圖5 無缺陷試樣的斷口SEM形貌

含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口SEM形貌如圖6所示。由圖6可知:斷口表面存在大量裂紋、孔洞,以及少量淺而小的韌窩,試樣斷口呈脆性和塑性混合斷裂特征;斷口存在大量枝晶,枝晶間和枝晶表面分布有大量Al2O3晶須,部分Al2O3呈花瓣狀;縮松缺陷呈光滑狀形貌,類似葡萄狀,且縮松壁伴有微裂紋。

圖6 含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口SEM形貌

利用能譜分析儀對含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口進行分析,結果如圖7所示。由圖7可知:區域1主要含有O、Al、Si等元素,O、Al、Si元素的質量分數分別為68.39%,27.53%,4.07%,為Al2O3晶體;區域2主要含有O、Al等元素,O、Al元素的質量分數分別為35.87%,64.13%,主要為Al基體和氧化物。

圖7 含有縮松缺陷的拉伸試樣斷口能譜分析結果

1.5 力學性能測試

ZL101A鋁合金的力學性能與材料內部缺陷有關[6]。在室溫條件下,依據GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分:室溫試驗方法》,對該批次正常ZL101A鋁合金試樣進行力學性能測試[7],結果如表1所示。

表1 ZL101A鋁合金試樣的力學性能測試結果

采用最小二乘法對抗拉強度、斷后伸長率與縮松缺陷面積占比率進行擬合,擬合曲線如圖8所示。由圖8可知:隨著斷口縮松缺陷面積的增加,ZL101A鋁合金的力學性能整體呈下降趨勢,其中最小抗拉強度為112 MPa,最小斷后伸長率為0.5%,遠低于標準要求。

圖8 抗拉強度、斷后伸長率與縮松缺陷面積占比率的擬合曲線

2 綜合分析

鋁金屬液凝固過程中形成骨架狀結構,未凝固金屬液形成孤立小熔池,熔池內的鋁液凝固收縮,使體積虧損得不到補縮,最終形成縮松缺陷[8]。在縮松缺陷周圍主要為α-Al相,由于初生α-Al結晶與共晶硅凝固的時間不同,初生α-Al結晶后,晶界上殘留有少量氣孔,在發生共晶反應后,氣孔留在α-Al與共晶硅的界面上,最終因冷卻不當形成縮松缺陷[9]。

缺陷試樣斷口呈脆性和塑性混合斷口形貌,斷口表面存在孔洞、裂紋和少量較淺而小的韌窩。縮松缺陷中分布有枝晶,枝晶處有較多Al2O3晶須析出,呈花瓣狀,嚴重降低了組織結構的致密性。斷口處的孔洞、枝晶和Al2O3晶須降低了試樣的有效承載面積,因此在小載荷的作用下試樣就會發生斷裂。

拉伸試樣的抗拉強度與縮松缺陷面積占比率的擬合曲線存在下降平緩區,斷后伸長率與縮松缺陷面積占比率的擬合曲線呈線性變化。當縮松缺陷面積占比率小于10%時,材料的抗拉強度明顯降低,試樣對小缺口影響敏感,縮松缺陷誘發缺口效應,抗拉強度下降較為明顯;當縮松缺陷面積占比率為10%～43%時,缺陷對抗拉強度的影響趨于平緩,因為試樣縮松缺口效應敏感程度趨于穩定;當縮松缺陷面積占比率大于43%時,斷口處的大面積縮松破壞了材料的組織結構,使材料的力學性能發生劣化,抗拉強度降低明顯。當縮松缺陷面積占比率小于10%時,試樣的缺陷面積與斷后伸長率的關系呈分散性,隨著缺陷面積增大,斷后伸長率整體呈線性下降趨勢。當縮松缺陷面積占比率大于6%時,試樣的斷后伸長率與缺陷面積的線性關系明顯,隨缺陷面積的增大,斷后伸長率迅速降低。

3 結論

在鑄造過程中,ZL101A鋁合金局部得不到及時補縮,金屬液在凝固過程收縮不一致,因此材料產生了縮松缺陷;縮松缺陷嚴重降低了ZL101A鋁合金材料的力學性能,使試樣在較小的載荷下發生斷裂。隨著縮松缺陷面積的增大,試樣的抗拉強度和斷后伸長率均呈下降趨勢。