幺 雷,張 偉,李延安,劉恒洋,顧維明

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司,遼寧 遼陽 111003)

6082鋁合金是6xxx系鋁合金一種,主要向Al-Mg-Si中添加Mn元素,作為可以進(jìn)行熱處理增強的鋁合金,因具有優(yōu)良的中等強度、焊接性能、耐蝕性等,近些年主要應(yīng)用到交通運輸和結(jié)構(gòu)工程之中[1-3]。收到6082鋁合金鍛造制品,發(fā)現(xiàn)其存在裂紋缺陷,如圖1中1#所示。

圖1 試樣圖片

試樣中存在肉眼可見黑色裂紋,長度約為2.5mm,2#為縱向取樣,3#為SEM取樣示意圖。裂紋的出現(xiàn)對于制品后續(xù)使用存在嚴(yán)重安全問題,本文主要針對圖中裂紋進(jìn)行宏觀形貌、微觀組織、維氏硬度及SEM進(jìn)行檢測,分析其產(chǎn)生原因。

1 試驗方法

(1)化學(xué)成分。表1為該合金成分檢測的實測值。

表1 合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

(2)檢測方法。本文主要針對該材料裂紋采用GB/T 3246.1-2012標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行微觀組織檢測分析。使用AX10型光學(xué)顯微鏡(OM)進(jìn)行微觀組織檢測,觀測裂紋區(qū)域與正常區(qū)域缺陷形貌;使用SSX-550型島津掃描電子顯微鏡進(jìn)行裂紋區(qū)域與正常區(qū)域的微區(qū)表面成分分析。使用Q10M顯微維氏硬度計對其進(jìn)行硬度檢測。

2 試驗結(jié)果

2.1 顯微組織

未腐蝕試樣組織如圖2所示,對圖2(a)裂紋處放大后,由宏觀上可以發(fā)現(xiàn)圖2(b)裂紋邊界清晰,缺口處平齊,但無法明確其為何種斷裂方式導(dǎo)致。同時,在裂紋與正常組織過度處存在夾雜。

圖3為試樣金相組織,通過從橫向斷面方向上觀察,可以發(fā)現(xiàn)其存在約為2.5 mm的最長裂紋,且具有一定寬度,約為0.2 mm。在最長裂紋周圍伴隨著細(xì)小的次裂紋出現(xiàn),呈不連續(xù)、分叉式分布,走向曲折。由縱向斷面觀察,可以發(fā)現(xiàn)裂紋沿變形方向被一定的拉長,且主裂紋和次裂紋不連續(xù)。同時,次裂紋末端沿變形方向上出現(xiàn)了較多不連續(xù)的細(xì)小雜質(zhì),分析可能是夾雜在變形時被破碎、隨金屬流動所導(dǎo)致。

(a)橫向50×;(b)縱向100×;(c)橫向200×;(d)縱向200×

圖3(c)為圖2(b)標(biāo)紅處腐蝕后組織照片,可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)腐蝕后大部分夾雜從基體中掉落,形成孔洞,與基體結(jié)合不緊密。

2.2 維氏硬度

沿圖2(b)中黃線測量維氏硬度,結(jié)果如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn),維氏硬度產(chǎn)生明顯變化,當(dāng)測量位置為基體時,其維氏硬度穩(wěn)定,約為115 HV;當(dāng)測量接近標(biāo)紅處夾雜物時,硬度迅速下降,由基體處的115 HV下降至80 HV。

圖4 維氏硬度

2.3 SEM分析

1#試樣的SEM照片及取點位置如圖5所示。由圖5(a)中可以觀察到在主裂紋內(nèi)存在淺灰色條狀夾雜物,夾雜與基體不連續(xù),形成微小縫隙。此外,夾雜在變形作用下有明顯破碎和裂紋痕跡。在圖5(b)裂紋處同樣可以觀察到存在短棒狀的灰色夾雜物。詳細(xì)觀察圖5(b),可以發(fā)現(xiàn)在次裂紋尖端延伸處存在細(xì)小顆粒F。

(a)橫向50×;(b)橫向200×

由表2中的EDS能譜表明,主裂紋、次裂紋處殘留的夾雜(A、B、C點),組成均為C、O、Al、Mg、S等?？赡苁呛辖鹪谧冃吻肮ば蚋缓珻、S、O的夾雜物質(zhì)進(jìn)入基體所致。次裂紋尖端延伸處存在細(xì)小顆粒(F點),主要含Al、Mg、Si,相比基體(E、F點)Si含量高近10倍。鋁合金中大塊的單質(zhì)Si周圍和鋁基體連接不緊密,極易產(chǎn)生裂紋源,當(dāng)受不均勻的外力時,抗變形能力差,從而影響合金性能,因此推斷可能存在粗大的含Mg、Si相或過剩析出的Si。由文獻(xiàn)表明[4,5],鋁合金中夾雜常常是表示存在于基體液相線溫度之上的一些固相或液相的其他雜質(zhì)。鋁合金液體中的夾雜物質(zhì)主要包含有氫化物、氧化物、氮化物、碳化物等夾雜和鋅、錳、硅、鐵等金屬夾雜,其中以Al2O3最為主要,含量占夾雜含量的95%以上。

表2 EDS分析結(jié)果匯總(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

由圖6(a)中H點EDS能譜可以得到,斷口處存在相同的非金屬夾雜。此外,對G點進(jìn)行能譜測量,除少量的Mg、Si外,含大量的Al、O元素,可以推測其II區(qū)域為氧化鋁氧化皮,這在王紹著[6]的研究中被同樣證實。仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn),I區(qū)和III區(qū)處斷口平齊,無明顯韌窩存在,呈現(xiàn)為明顯脆性斷裂形貌[7]。繼續(xù)向上觀測,會發(fā)現(xiàn)斷口處逐漸出現(xiàn)許多“酒杯狀”韌窩,表面呈纖維狀,顏色灰暗,表現(xiàn)為明顯由塑性變形所造成的斷裂,可知其為韌性斷裂[8],如圖(a)中IV所示。圖6(b)為斷口處放大圖,J點為小塊非金屬夾雜,由此可以推斷出V區(qū)為大塊非金屬夾雜脫落后形成的孔洞。綜上,可以推斷出裂紋斷裂方向首先由I區(qū)、II區(qū)和III區(qū)處開始脆性斷裂,然后裂紋逐漸向基體擴散,帶動無非金屬夾雜處繼續(xù)開,此時為韌性斷裂。

(a)200×;(b)1 000×

3 分析與討論

(1)主裂紋的產(chǎn)生主要是以Al為主的氧化皮和非金屬夾雜造成,夾雜物與基體在變形過程中變形程度不一致導(dǎo)致應(yīng)力開裂。夾雜的存在割裂了基體連續(xù)性。(2)次裂紋周圍存在粗大的含Mg、Si相,或伴隨有過剩析出的Si。

產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因:(1)合金鑄造時加入較低清潔度的輔料或使用大量的鋁合金殘料,因為鋁合金殘料經(jīng)過腐蝕或有機物處理,往往會帶有大量C和O的夾雜物質(zhì)進(jìn)入熔爐內(nèi)從而融入合金基體內(nèi)部。鑄造過程中對鋁合金溶液攪拌時如果錯誤,會將爐內(nèi)或爐料表層的氧化膜帶入液體內(nèi)部。在鋁合金鍛造過程中,由于多道次對鋁合金施加外力,外層氧化皮經(jīng)合金鍛造折疊進(jìn)入基體內(nèi)部。

(2)根據(jù)SEM和EDS結(jié)果,非金屬夾雜在主裂紋內(nèi)表現(xiàn)為灰色長條狀,與基體不連續(xù),且在次裂紋內(nèi)同時觀測到短棒狀非金屬夾雜,表現(xiàn)為破碎狀態(tài)。同時Si在熔鑄過程中主要以Mg2Si和Si的過飽和固溶體存在,在后續(xù)的加工變形過程中粗大的Mg、Si相破碎,過剩Si可能會析出。

因此綜上所述,產(chǎn)生裂紋的原因可能非金屬夾雜物或氧化皮在鋁合金鑄造過程中混入,夾雜物和含Si相在隨后的加工變形過程中破碎,導(dǎo)致在基體內(nèi)產(chǎn)生裂紋缺陷。

4 改進(jìn)措施及產(chǎn)品優(yōu)化

鍛造后產(chǎn)品出現(xiàn)裂紋缺陷,通過分析后發(fā)現(xiàn)是鋁液在鑄造過程中產(chǎn)生。因此針對此問題,通過加強鑄造工藝,改進(jìn)熔體凈化效果來提高液體質(zhì)量,主要有以下幾方面提高:(1)延長鋁液精煉時間,加強靜置效果;(2)加強液體過濾,由單級30ppi轉(zhuǎn)變?yōu)殡p級30ppi+40ppi過濾;(3)在線除氣由雙轉(zhuǎn)子改為三轉(zhuǎn)子,同時加強氣流量和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,提升除氣效果。優(yōu)化后產(chǎn)品組織如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后產(chǎn)品組織

5 結(jié)論

(1)裂紋是由非金屬夾雜及氧化皮造成,夾雜物與基體在變形過程中變形程度不一致導(dǎo)致應(yīng)力開裂。夾雜的存在割裂了基體連續(xù)性。

(2)夾雜在變形前就存在于基體中。在變形過程中部分被破碎,主要組成為C、O、Al、Mg、S等元素。