陳體磊，張忠潔，吳笑笑，張志強(qiáng)

（1.國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241000；2.安徽奇瑞商用車有限公司，安徽 蕪湖 241000）

0 前言

目前航空工業(yè)中使用的鑄造鋁合金，盡管合金系列不同，但都屬于可焊鑄鋁合金，該系合金加入了大量的Si從而具有良好的鑄造性能。經(jīng)過(guò)變質(zhì)處理和熱處理后，力學(xué)性能、物理性能和加工性能優(yōu)良[1-3]。由于鑄造鋁合金塑性較低，加上合金容易有疏松和偏析，熱裂傾向較大，在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生裂紋、夾雜、氣孔等缺陷[4-6]。這些缺陷往往會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低焊接接頭的力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成脆性破壞[7]。結(jié)晶溫度間隔寬、凝固收縮大、耐蝕性差、鑄造強(qiáng)度低、容易形成表面缺陷等，導(dǎo)致鋁合金鑄件發(fā)生疲勞破壞，影響了鑄件的使用可靠性和安全性。因此，鋁合金鑄件的失效分析逐漸受到材料學(xué)者和工程設(shè)計(jì)人員的重視。目前，研究鋁合金鑄件失效分析方面的資料很有限，本研究通過(guò)故障支座外觀觀察、體視檢查、微觀觀察、能譜分析、金相檢查、硬度測(cè)試等試驗(yàn)，確定了裂紋的性質(zhì)，分析支座開(kāi)裂原因，并給出提高支座受力部位的疲勞抗力，避免故障再次發(fā)生的有效方法。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 外觀檢查

支座裂紋外觀如圖1所示。由圖1a可知，裂紋長(zhǎng)度約1.5 mm，位于支座側(cè)邊R角焊接部位。將外部紅漆清洗后可見(jiàn)裂紋內(nèi)外貫穿，且裂紋沿焊縫邊緣擴(kuò)展，如圖1b、1c所示。

1.2 體視檢查

使用體視顯微鏡觀察支座裂紋，可見(jiàn)裂紋沿焊縫邊緣擴(kuò)展，裂紋旁存在較細(xì)的漆層開(kāi)裂情況。裂紋開(kāi)口由上端向下逐漸變小，說(shuō)明裂紋是從上向下擴(kuò)展，擴(kuò)展后期可見(jiàn)裂紋產(chǎn)生分叉，如圖2所示。

圖1 支座裂紋外觀觀察

圖2 支座裂紋體視觀察

使用機(jī)械方法切割支座后，將斷口打開(kāi)。斷口左側(cè)顏色為銀白色，其余位置為暗灰色，如圖3a所示。放大后觀察銀白色區(qū)域，可見(jiàn)明顯疲勞弧線和焊接氣孔，如圖3b所示。繼續(xù)向右側(cè)觀察，斷口存在明顯密集氣孔區(qū)域，如圖3c所示。人工打斷區(qū)域?yàn)榘谆疑?，打斷區(qū)域也觀察到較大氣孔存在，如圖3d所示。

圖3 支座斷口體視觀察

1.3 微觀觀察

將支座斷口浸入丙酮后使用超聲波清洗，清洗完成后使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察支座斷口。首先觀察疲勞區(qū)域，可見(jiàn)疲勞擴(kuò)展區(qū)域較平坦（見(jiàn)圖4a）。放大后觀察源區(qū)，未見(jiàn)明顯缺陷，擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)明顯疲勞條帶（見(jiàn)圖4b～圖4g）。氣孔處可見(jiàn)孔內(nèi)部較為光滑（見(jiàn)圖 4h、4i）。

圖4 疲勞區(qū)域斷口微觀形貌

繼續(xù)觀察斷口右側(cè)，該處斷口較為粗糙，見(jiàn)圖5a。斷口上部可見(jiàn)密集氣孔（見(jiàn)圖5b）。斷口處可見(jiàn)粗糙起伏處存在較多縫隙（見(jiàn)圖5c～5e）。放大后觀察，該處為焊接未熔合，收縮凝固結(jié)晶形成的“珊瑚”狀形貌（見(jiàn)圖5f、5g）。

再向右側(cè)觀察原始斷口的最后斷裂區(qū)域，可見(jiàn)斷口下部有大量密集氣孔存在（見(jiàn)圖6a、6b）。繼續(xù)觀察斷口上部可見(jiàn)部分區(qū)域存在未熔合與氣孔（見(jiàn)圖 6c～6f）。

圖5 原始斷口中間部位微觀形貌

圖6 原始斷口最后斷裂區(qū)微觀形貌

觀察人工打斷區(qū)的斷口，該處斷口較為粗糙，放大后可見(jiàn)韌窩形貌，見(jiàn)圖7a和7b。但打斷區(qū)仍可見(jiàn)明顯的密集氣孔，其中最大的氣孔直徑約1.54 mm，見(jiàn)圖7c和7d。

圖7 人工打斷區(qū)斷口微觀形貌

1.4 能譜分析

使用X射線能譜儀測(cè)試疲勞斷裂區(qū)域的元素分布。源區(qū)成分如圖8所示，源區(qū)污染較為嚴(yán)重，C含量較高；擴(kuò)展區(qū)的元素分布如圖9所示，該處污染程度降低，基體成分以Al、Si為主。

圖8 源區(qū)成分

1.5 金相檢查

將支座沿焊縫切割，鑲嵌、磨制、拋光后用0.5%HF腐蝕劑腐蝕，進(jìn)行金相分析。低倍照片如圖10所示，可見(jiàn)明顯熔合線，其中左側(cè)是母材，右側(cè)是焊縫，焊縫區(qū)域可見(jiàn)明顯氣孔。

圖9 擴(kuò)展區(qū)成分

圖10 截面金相低倍形貌

使用金相顯微鏡觀察焊縫區(qū)域，可見(jiàn)焊縫區(qū)晶粒大小存在區(qū)域差別，見(jiàn)圖11a。較大晶粒區(qū)域的高倍組織見(jiàn)圖11b和11d，較小晶粒區(qū)域的高倍組織見(jiàn)圖11c和圖11e。可見(jiàn)兩個(gè)區(qū)域均為枝晶組織，其中基體為α相，樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)為A1-Si、Mg2Si共晶相。

圖11 焊縫區(qū)金相組織

熔合線處組織見(jiàn)圖12a，左下區(qū)域?yàn)楹缚p，右上區(qū)域?yàn)槟覆??？拷酆暇€的焊縫區(qū)域的共晶組織較焊縫中心處更為粗大，見(jiàn)圖12b和12c。

圖12 熔合線處金相組織

繼續(xù)觀察母材區(qū)域組織，可見(jiàn)組織為α（A1）固溶體晶間分布著共晶Si（灰色），如圖13所示。

圖13 母材金相組織

1.6 硬度測(cè)試

使用顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量母材與焊縫處的硬度，測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果參照HB/Z 215-1992進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后焊縫與母材的強(qiáng)度值均小于σb≥294 MPa的技術(shù)要求。

表1 支座硬度測(cè)試結(jié)果

2 分析與討論

由宏微觀分析可知，支座斷裂是由疲勞引起，焊接缺陷的存在導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展。宏觀觀察斷口有明顯的疲勞弧線特征。微觀觀察中也發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展區(qū)存在明顯疲勞條帶，可以判斷該裂紋前期斷裂為疲勞斷裂。斷口中后段觀察到的密集氣孔與未熔合特征，說(shuō)明此時(shí)裂紋主要受焊接不良導(dǎo)致的強(qiáng)度不足而引起擴(kuò)展。經(jīng)分析檢查，該支座在發(fā)現(xiàn)R角處存在裂紋，缺口處不可避免地會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力集中又必然增加零件的局部應(yīng)力[8]。因孔、溝槽、缺口、臺(tái)階等附近存在應(yīng)力集中，從而減弱了構(gòu)件的強(qiáng)度，降低了構(gòu)件的承載能力。應(yīng)力集中是引起構(gòu)件破壞的主要因素，應(yīng)力集中處往往是構(gòu)件破壞的起始點(diǎn)[9]。使用焊接方法對(duì)該處進(jìn)行修復(fù)。相對(duì)于其他防銹鋁合金焊接，航空鑄件鋁合金與防銹鋁合金導(dǎo)管的焊接難度較大[10]，并且該處由于需吊掛較重產(chǎn)品，R角處受較大拉應(yīng)力作用，結(jié)合裂紋處于焊縫邊緣以及疲勞源區(qū)未觀察到明顯缺陷特征，可以判斷該處疲勞主要由拉應(yīng)力集中引起并在振動(dòng)應(yīng)力作用下逐漸擴(kuò)展，而擴(kuò)展過(guò)程中因存在密集氣孔與未熔合，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展進(jìn)一步加快。并且焊后的強(qiáng)度降低也不利于支座該處的疲勞性能。建議后續(xù)嚴(yán)格控制焊接過(guò)程，增加探傷檢測(cè)工序。

3 結(jié)論

（1）支座斷裂由疲勞引起，焊接缺陷的存在導(dǎo)致裂紋快速擴(kuò)展。

（2）疲勞產(chǎn)生的主要原因是應(yīng)力集中，應(yīng)盡可能降低零件上應(yīng)力集中的影響，如增大過(guò)渡圓角半徑、同一零件上相鄰截面處的剛性變化盡可能小等。

（3）嚴(yán)格控制焊接過(guò)程，增加探傷檢測(cè)工序。