分享：鋁合金構(gòu)件開裂原因

某海裝用構(gòu)件材料為7系鋁合金，構(gòu)件上有兩條距離很近的焊縫，兩條焊縫之間的母材熱影響區(qū)附近出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，構(gòu)件表面油漆脫落。該構(gòu)件已使用約3 a，使用環(huán)境為海洋大氣。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該構(gòu)件開裂原因進(jìn)行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

開裂構(gòu)件的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：構(gòu)件裂紋處表面油漆存在脫落現(xiàn)象，裂紋位于兩焊縫中間，將上面的焊縫編號(hào)為“上焊縫”，將下面的焊縫編號(hào)為“下焊縫”，僅在包含裂紋“上焊縫”焊條在內(nèi)的母材熱影響區(qū)斷口處取樣，裂紋全部位于焊縫的熱影響區(qū)內(nèi)，未擴(kuò)展到焊縫；該斷口較為平坦，并存在多個(gè)臺(tái)階，部分區(qū)域可見放射狀擴(kuò)展棱線特征，根據(jù)放射狀擴(kuò)展棱線收斂方向判定斷口存在兩處比較明顯的裂紋源，均位于母材表面，呈點(diǎn)源特征，將兩處裂紋源分別編號(hào)為裂紋源1和裂紋源2；斷口裂紋源對(duì)應(yīng)的外表面已形成多個(gè)細(xì)小腐蝕坑。 

圖  1  開裂構(gòu)件的宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

對(duì)開裂構(gòu)件母材進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂構(gòu)件的化學(xué)成分滿足技術(shù)要求。 

1.3   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)裂紋源2進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：裂紋全部位于母材上，未擴(kuò)展到焊縫，斷口上的擴(kuò)展棱線匯聚于母材表面，呈點(diǎn)源特征，源區(qū)斷口上覆蓋有一層較厚的腐蝕產(chǎn)物，該裂紋源的外表面可見一個(gè)明顯的點(diǎn)蝕坑；斷口擴(kuò)展區(qū)部分區(qū)域有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，其他區(qū)域可見沿晶界開裂的特征形貌，裂紋沿母材的拉長(zhǎng)晶粒擴(kuò)展；構(gòu)件上還殘留有人工打開斷口，人工打開斷口呈韌窩特征。 

圖  2  裂紋源2處SEM形貌

分別對(duì)裂紋源及腐蝕坑處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：這些部位除含有鋁合金基體元素外，還含有C、O元素，以及腐蝕性元素S、Cl等。 

1.4   金相檢驗(yàn)

在垂直裂紋源2處截取試樣，對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口位于“下焊縫”的熱影響區(qū)，裂紋源位于母材表面，裂紋源處存在沿晶點(diǎn)蝕坑，裂紋從點(diǎn)蝕坑處萌生并擴(kuò)展，點(diǎn)蝕坑尺寸（長(zhǎng)度×寬度）為100 μm×50 μm；裂紋周圍未觀察到冶金或組織缺陷；焊縫的熱影響區(qū)也存在一處沿晶點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕坑下存在幾條細(xì)長(zhǎng)裂紋，裂紋周圍未觀察到冶金或組織缺陷。 

圖  3  裂紋源2處微觀形貌

1.5   透射電鏡（TEM）分析

分別對(duì)構(gòu)件未受焊接熱影響的母材和焊接熱影響區(qū)進(jìn)行透射電鏡分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：母材上的大部分晶界不存在析出相，只有少量晶界存在少量點(diǎn)狀η-MgZn2析出相，而熱影響區(qū)晶界可見較多點(diǎn)狀η-MgZn2析出相，這些η-MgZn2析出相在晶界上呈連續(xù)的鏈狀分布特征。 

圖  4  母材和焊接熱影響區(qū)的TEM形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：構(gòu)件母材的化學(xué)成分滿足技術(shù)要求；母材和熱影響區(qū)不存在冶金缺陷，顯微組織未見過熱、過燒現(xiàn)象，熱影響區(qū)有較多的η-MgZn2晶界析出相，該析出相呈連續(xù)的鏈狀分布特征。構(gòu)件的斷口起源于外表面點(diǎn)蝕坑處。點(diǎn)蝕坑下萌生裂紋，裂紋沿晶擴(kuò)展，而人工打開斷口呈韌窩特征，所以裂紋呈脆性特征。斷口上存在腐蝕性元素。 

應(yīng)力腐蝕開裂是指在腐蝕介質(zhì)與拉應(yīng)力共同作用下的金屬脆性斷裂現(xiàn)象。一般認(rèn)為發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需具備3個(gè)基本條件[1]，即敏感材料、特定環(huán)境和拉伸應(yīng)力。7系鋁合金在Cl、S離子環(huán)境下具有應(yīng)力腐蝕敏感性[2]。構(gòu)件工作環(huán)境是潮濕的露天海洋，使得構(gòu)件具備腐蝕性環(huán)境，而腐蝕產(chǎn)物中也檢測(cè)到腐蝕性元素S和Cl。構(gòu)件上的斷口和長(zhǎng)裂紋位于下焊縫或上焊縫的熱影響區(qū)。該部位的焊接殘余應(yīng)力較大[3]，同時(shí)疊加了工作應(yīng)力，具備拉應(yīng)力的條件。應(yīng)力腐蝕容易產(chǎn)生于表面點(diǎn)蝕坑處[4]。構(gòu)件表面點(diǎn)蝕坑的產(chǎn)生原因是：構(gòu)件表面本來涂有油漆，但長(zhǎng)期使用后，局部區(qū)域的油漆脫落，在油漆脫落部位形成點(diǎn)蝕。點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕均呈沿晶特征，這是因?yàn)樵跓嵊绊憛^(qū)晶界上析出了呈鏈狀分布的η-MgZn2相，該相屬于平衡態(tài)相，較穩(wěn)定。η相與基體完全不共格，其沿晶界呈鏈狀析出時(shí)，會(huì)導(dǎo)致晶界耐腐蝕性變差。η相的電位低于鋁基體，當(dāng)合金處在腐蝕環(huán)境時(shí)，晶界處的陽極η相會(huì)優(yōu)先腐蝕[5]，從而導(dǎo)致沿晶界發(fā)生點(diǎn)蝕，并造成應(yīng)力腐蝕也沿晶界發(fā)生。 

結(jié)合斷口特征和應(yīng)力腐蝕裂紋特征，可以判定構(gòu)件開裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂，開裂處位于焊接熱影響區(qū)，起源于表面因油漆脫落形成的腐蝕坑處。表面油漆局部脫落使得構(gòu)件表面直接接觸腐蝕性介質(zhì)，在焊接熱循環(huán)作用下，熱影響區(qū)沿晶析出了鏈狀η-MgZn2相，降低了晶界的耐腐蝕性，且該處存在較大的焊接殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生腐蝕開裂。 

3.   結(jié)論

7系鋁合金構(gòu)件開裂部位均為焊縫熱影響區(qū)處，起源于表面的點(diǎn)蝕坑，從點(diǎn)蝕坑處萌生應(yīng)力腐蝕裂紋，表面油漆局部脫落使得構(gòu)件表面直接接觸腐蝕性介質(zhì)，造成點(diǎn)蝕，熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)作用下沿晶析出了鏈狀η-MgZn2相，導(dǎo)致晶界耐腐蝕性變差，且該處存在較大的焊接殘余應(yīng)力，最終導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生開裂。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)