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        鋁合金水管接頭失效分析

        2018-08-05 04:01:10趙曉康朱紹峰
        世界有色金屬 2018年10期
        關(guān)鍵詞:管接頭脆性層狀

        王 偉,趙曉康,朱紹峰

        (1.安徽省機(jī)械科學(xué)研究所,安徽 合肥 230022;2.安徽建苑質(zhì)量檢測有限公司,安徽 合肥 230022;3.安徽建筑大學(xué),安徽 合肥 2300222)

        變形鋁合金具有很好的強(qiáng)度與韌性配合,有較好的比強(qiáng)度和比剛度,是各類航空航天部件中的主要結(jié)構(gòu)材料,在工程上廣泛使用。2A12(LY12)鋁合金為鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金,具有良好的強(qiáng)度與塑性,綜合性能較好,可以采用熱處理工藝強(qiáng)化,有一定的耐熱性能,可制作150℃以下工作的構(gòu)件,是硬鋁中用量最大的合金[1]。鋁合金主要的強(qiáng)化手段主要有固溶強(qiáng)化、冷變形強(qiáng)化以及細(xì)晶強(qiáng)化等,對鋁合金鑄錠、退火、成型、固溶處理、時效等過程的工藝參數(shù)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制,以確保構(gòu)件的質(zhì)量。2A12鋁合金熱軋溫度390℃~440℃,淬火溫度485℃~498℃,過燒溫度502℃,有很強(qiáng)的過燒敏感性,固溶處理溫度應(yīng)嚴(yán)格控制。另一方面,為保證時效過程有好的強(qiáng)化效果,應(yīng)盡量提高加熱溫度,以使強(qiáng)化相固溶。某水管接頭產(chǎn)品采用2A12鋁合金制造,用熱處理狀態(tài)為T4的棒料直接加工而成。該構(gòu)件在服役過程中承受交變載荷,水管內(nèi)流動介質(zhì)為蒸餾水。經(jīng)一段時間服役后,發(fā)現(xiàn)水管接頭出現(xiàn)早期開裂。

        1 基本情況

        圖1是水管接頭示意圖,A處為出水口,與軟管連接;B處為進(jìn)水口。斷裂發(fā)生于出水口根部約90°的交界處。斷口呈橢圓形,最大內(nèi)徑約6.44mm,最小內(nèi)徑約6.40mm。斷口平面與軸線約呈45°角,對稱分布,斷面無明顯塑性變形,斷口呈木紋狀(圖2)。

        圖1 水管接頭示意圖

        圖2 斷裂水管接頭宏觀形貌

        2 理化檢驗(yàn)

        2.1 化學(xué)成分分析

        采用化學(xué)分析方法對斷裂樣品進(jìn)行成分分析,根據(jù)GB/T 3190-2008標(biāo)準(zhǔn),開裂水管接頭樣品化學(xué)成分符合2A12材料成分要求。

        表1 樣品化學(xué)成分分析(wt%)

        2.2 金相檢驗(yàn)

        在平行于斷面方向取樣,采用混合酸溶液腐蝕,顯微鏡下觀察為帶狀組織(圖3a),組織不均勻,層狀組織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相。高倍下未見過燒現(xiàn)象(圖3b)。

        圖3 水管接頭顯微組織

        2.3 斷口微觀形貌

        斷口表面已嚴(yán)重?fù)p壞,未能觀察到原始斷裂特征。圖4為斷口表面上損傷痕跡。呈層狀斷口。

        圖4 失效水管接頭斷口形貌

        2.4 力學(xué)性能測試

        對斷裂水管接頭進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn),平均結(jié)果為132Hv。根據(jù)HB/Z 215-1992《鋁合金板材硬度與強(qiáng)度換算值》,估算樣品抗拉強(qiáng)度為412MPa,略低于GB/T3191-2010《鋁及鋁合金擠壓棒材》對T4狀態(tài)2A12鋁合金抗拉強(qiáng)度的技術(shù)要求(≥420MPa)。

        3 結(jié)果分析

        水管接頭斷裂于水管根部,斷口呈層狀,斷面上未觀察到塑性變形的特征,說明該構(gòu)件保留了成型過程中的纖維狀變形組織特征[2]。層狀斷口特征表明該構(gòu)件所使用的材料未進(jìn)行有效的強(qiáng)化熱處理(如保溫溫度較低、保溫時間不夠長或冷卻速率不夠快等),材料力學(xué)性能較差[3]。

        2A12鋁合金中存在大量的強(qiáng)化相和過剩相,鑄態(tài)組織中還存在共晶混合物,這些物質(zhì)通常硬度高、脆性大,呈網(wǎng)狀分布于晶界上。另外,由于鑄造時冷卻條件,這些物相在鑄錠中形成區(qū)域偏析、枝晶偏析和晶間偏析,還有氣孔、縮孔等缺陷,使鋁合金鑄錠的塑性大大降低。通過塑性變形可以改善鋁合金的鑄態(tài)組織。研究表明[4],在擠壓塑性變形量小于70%之前,擠壓變形后獲得的纖維組織有利于改善鋁合金的強(qiáng)度和塑性。超過一定范圍和,增加變形,縱向性能會繼續(xù)提高,橫向性能急劇下降,出現(xiàn)性能各向異性。帶狀組織是變形鋁合金棒材在擠壓過程中形成的。從金相分析可以看出,層狀組織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相,這將容易萌生裂紋。從力學(xué)性能測試可以看出,該樣品強(qiáng)度略低于標(biāo)準(zhǔn)值,在服役過程中,水管接頭產(chǎn)品承受交變載荷,在上述部位產(chǎn)生裂紋源而導(dǎo)致零件早期斷裂失效[5]。2A12鋁合金鎂含量高,處于α(Al)+θ(Al2Cu)+S(Al2CuMg)相區(qū)右側(cè),主要強(qiáng)化相為S相,其次是θ相,淬火加熱時強(qiáng)化相溶入固溶體,得到過飽和固溶體,經(jīng)時效使合金強(qiáng)化。因此,淬火時應(yīng)該選擇盡可能高的淬火溫度,以使合金元素盡可能多的固溶。另外,雜質(zhì)元素鐵、硅的含量對材料的韌性以及強(qiáng)度等也有明顯影響,它們易形成金屬間化合物,如AlFeMnSi,Mg2Si,Al6(FeMn)等,這些化合物聚集區(qū)也會成為裂紋萌生的位置[6]。實(shí)際操作中,加熱溫度或保溫時間控制不當(dāng),強(qiáng)化相及金屬化合物未能完全溶解,仍存在于晶界處,引起強(qiáng)度降低。

        從斷裂位置看,水管接頭斷裂于根部約90°的交界處,在服役過程中,該位置承受交變的彎曲應(yīng)力,且最大拉應(yīng)力在接頭管件的表面,因此,裂紋應(yīng)萌生于表面。從金相分析可以看出,拉應(yīng)力方向垂直于鋁合金的纖維方向,由于橫向?qū)訝罱M織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相,拉應(yīng)力促進(jìn)了裂紋的萌生和擴(kuò)展,造成水管接頭出現(xiàn)早期斷裂。從力學(xué)性能看,雖然斷裂水管接頭強(qiáng)度接近2A12鋁合T4狀態(tài)的要求,由于受力垂直于材料的纖維方向,其疲勞強(qiáng)度會大大降低。

        4 結(jié)論

        斷裂水管接頭成分符合2A12鋁合金要求,金相組織中存在帶狀組織,層狀組織之間存在粗大不溶脆性和沿晶分布的殘留強(qiáng)化相,表明在熱處理過程中加熱不足,帶狀組織未消除。構(gòu)件在使用過程中所受的交變應(yīng)力垂直于橫向組織,加速了裂紋的形成和擴(kuò)展。因此,水管接頭是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、熱處理工藝存在缺陷而引起的疲勞斷裂。

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