7075鋁合金彈丸尾桿開裂失效分析

7075鋁合金彈丸尾桿開裂失效分析

al-zn-mg-cu合金是一種圈外的高強(qiáng)度鋁，具有密度低、比強(qiáng)、熱加工性能好、耐腐蝕性好、斷裂性好等優(yōu)點(diǎn)。它是多種材料中的一種重要結(jié)構(gòu)材料。7XXX系鋁合金具有高的比強(qiáng)度、良好的韌性以及易于加工等優(yōu)點(diǎn),是軍工領(lǐng)域中的重要材料之一。采用T6熱處理的7075系鋁合金具有高的強(qiáng)度,但耐腐蝕(晶間腐蝕、剝蝕、SCC)性能差,影響其安全可靠性,考慮到材料的結(jié)構(gòu)性能及使用環(huán)境的要求,一般采用陽極化表面處理。國(guó)內(nèi)外科研工作者對(duì)其腐蝕與防護(hù)以及腐蝕失效行為進(jìn)行了大量的研究。文中涉及的失效案例雖然具備應(yīng)力腐蝕的特征,但卻與腐蝕完全不同。1聚羧酸型某型炮彈尾桿經(jīng)硫酸陽極氧化處理后,目視檢查發(fā)現(xiàn)表面存在縱向裂紋。尾桿所用材質(zhì)為7075鋁合金,制造工藝流程:鋁棒(退火態(tài))→二次熱鍛成形→熱處理(T6)→精加工→硫酸陽極氧化處理。采用JSM-5600LV型掃描電鏡、LINKISIS300型X射線能譜儀對(duì)尾桿裂紋斷口及尾桿的金相組織進(jìn)行宏微觀觀察及微區(qū)成分分析,用OLYMPUSGX51型金相顯微鏡進(jìn)行檢查,在WOLBT401MVD硬度試驗(yàn)機(jī)上對(duì)尾桿的硬度進(jìn)行測(cè)試。在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上確定尾桿裂紋的性質(zhì),并對(duì)開裂原因進(jìn)行分析。2試驗(yàn)結(jié)果2.1宏觀斷口宏觀形貌尾桿呈圓錐狀,其內(nèi)表面和外表面均可見裂紋,裂紋較平直,見圖1。將尾桿裂紋人為打開,斷口宏觀形貌見圖2。斷口表面呈灰黃色,表面被污染,人為打斷區(qū)可見反光刻面。2.2未腐蝕區(qū)域能譜分析將裂紋斷口放入JSM-5600LV掃描電鏡下進(jìn)行觀察?？拷矖U外側(cè)的原始裂紋區(qū)可見大量腐蝕產(chǎn)物,形貌見圖3。原始裂紋的未腐蝕區(qū)域均為沿晶斷裂特征,見圖4。斷面上晶粒略微球化,晶界面上存在大量球狀第二相顆粒,局部可見圓形光滑凹坑,見圖5。人為打斷區(qū)呈沿晶+韌窩的混合斷裂特征,局部也可見圓形光滑凹坑,見圖6。對(duì)原始裂紋斷面的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜成分分析,結(jié)果見表1?？芍?腐蝕產(chǎn)物區(qū)的S、O元素含量較高,應(yīng)為硫酸陽極化產(chǎn)物。2.3金相組織檢查2.4硬度測(cè)試沿尾桿橫向截取硬度試樣進(jìn)行布氏硬度測(cè)試,測(cè)試點(diǎn)和為,測(cè)試點(diǎn)為。尾桿的硬度符合技術(shù)要求。3提高固溶溫度尾桿裂紋宏微觀觀察結(jié)果表明,裂紋斷面存在陽極化產(chǎn)物,因此裂紋應(yīng)在陽極氧化處理前就已出現(xiàn)。裂紋呈沿晶開裂特征,晶粒略微球化;金相檢查表明,尾桿組織中存在局部晶界復(fù)熔現(xiàn)象,出現(xiàn)復(fù)熔球、三角晶界和孔洞,這些現(xiàn)象均表明尾桿存在明顯的過燒現(xiàn)象。有關(guān)研究表明,7075鋁合金在490℃淬火有過燒危險(xiǎn),因此在進(jìn)行尾桿的淬火處理時(shí)要嚴(yán)格檢驗(yàn)加熱設(shè)備,精確控制加熱溫度。此外,高強(qiáng)度鋁合金組織為固溶體上分布著不同尺寸的第二相顆粒,粗大的第二相顆粒是應(yīng)力集中和裂紋萌生之處。尾桿存在較多呈鏈狀分布的難溶雜質(zhì)相,它們本身的斷裂強(qiáng)度低,脆性大,在斷裂過程中起裂紋源的作用。當(dāng)沿橫向加載時(shí),裂紋擴(kuò)展方向與難溶雜質(zhì)相排列方向一致,從而導(dǎo)致性能下降。因此,尾桿存在較多的難溶雜質(zhì)相,對(duì)裂紋的萌生有一定的促進(jìn)作用。7075鋁合金的力學(xué)性能與固溶程度密切相關(guān)。粗大的第二相顆粒完全溶入基體中,既消除了大尺度的斷裂源,同時(shí)也增加了析出強(qiáng)化相的數(shù)量,這必然使合金力學(xué)性能顯著提高,適當(dāng)提高固溶溫度對(duì)其力學(xué)性能有利。因此,應(yīng)在不出現(xiàn)過熱過燒前,通過合理的固溶處理盡量減少合金中難溶雜質(zhì)相的數(shù)量和尺寸。值得注意的是,此次7075鋁合金開裂失效具有諸如腐蝕產(chǎn)物、沿晶特征、裂紋分叉等應(yīng)力腐蝕的典型特征,因此很容易據(jù)此誤判成應(yīng)力腐蝕開裂,但如果對(duì)其組織、斷口形態(tài)進(jìn)行細(xì)致的分析,就會(huì)發(fā)現(xiàn)諸如圓形光滑凹坑、三角晶界、復(fù)熔球等特殊的現(xiàn)象,再考慮到尾桿是在陽極化之后就已經(jīng)開裂,不具備應(yīng)力腐蝕的時(shí)間和環(huán)境條件,才能對(duì)其失效性質(zhì)做出最終的正確判斷。4宏觀裂紋擴(kuò)展特征尾桿裂紋為沿晶脆性開裂,尾桿在淬火過程中存在超溫現(xiàn)象導(dǎo)致合金過燒,同時(shí)晶界存在呈鏈狀分布的難溶脆性雜質(zhì)相,導(dǎo)致晶界進(jìn)一步弱化,在淬火應(yīng)力的作用下致使尾桿開裂,之后在時(shí)效和精加工過程中裂紋擴(kuò)展形成宏觀裂紋。從垂直尾桿裂紋處截取橫向金相試樣,在掃描電鏡下觀察?？梢娏鸭y擴(kuò)展路徑曲折、多分叉,主次裂紋均沿晶擴(kuò)展,見圖7。高倍組織可見復(fù)熔球、晶界復(fù)熔、過燒三角區(qū)等典型的過燒特征,見圖8、9。晶界上分布著鏈狀析出相,基體中細(xì)小彌散析出物為大量的球狀G.P.區(qū)粒子及少量η-MgZn2過渡相。沿尾桿縱向截取金相試樣,磨拋腐蝕后觀察。在α固