2A14-T6鋁合金棒材機(jī)加工斷裂原因分析

李曉波，梁曉寧，孫靜波

(南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265700)

2A14鋁合金屬Al-Cu-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化變形鋁合金，具有較高的強(qiáng)度、塑性以及可焊性能等優(yōu)點，是制造武器裝備和航空器結(jié)構(gòu)件的重要材料。隨著航空航天鋁合金結(jié)構(gòu)件逐步向整體輕量化發(fā)展，對材料的加工、制造性能提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

某公司為用戶生產(chǎn)T6狀態(tài)φ260 mm的2A14鋁合金擠壓棒材，用戶按照工件尺寸先將棒材鋸切成若干等份，然后對每一段棒材進(jìn)行機(jī)械加工。在機(jī)械加工過程中工件發(fā)生局部塊狀材料崩落，同時發(fā)現(xiàn)工件截面出現(xiàn)裂紋。用戶認(rèn)為是生產(chǎn)單位提供的鋁合金棒材存在質(zhì)量問題，提出質(zhì)量異議。為了找到棒材機(jī)械加工中出現(xiàn)斷裂的原因，觀察工件的宏觀結(jié)構(gòu)和顯微組織，以確定斷裂的性質(zhì)。

1 試驗過程與分析

1)2A14-T6鋁合金棒材機(jī)加工件斷裂處宏觀形貌

用戶機(jī)加工完成工件的車削面外觀形貌和斷裂剖面圖見圖1和圖2。機(jī)加工過程是首先對棒材的外圓表面進(jìn)行切削加工，然后在棒材一端進(jìn)行車削圓柱形。由圖1可以看到沿工件圓柱橫截面大約1/2圓處存在一條弧形裂紋，在中心部位的小平臺約1/3處呈半圓形脆性斷裂。在圖2完整工件剖面示意圖中弧線處為裂紋走向示意。

圖1 棒材機(jī)加工后的外觀形貌Fig.1 Appearance of a bar after machining

圖2 棒材機(jī)加工工件開裂處剖面圖Fig.2 Profile of the bar cracking after machining

2)宏觀組織觀察

在棒材機(jī)加工件缺陷部位截取縱向宏觀試片，將試片橫截面銑削平后，放入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%的NaOH水溶液中浸蝕25 min后光洗，宏觀組織形貌見圖3所示。從圖3可以看出裂紋的走向，由棒材邊部延伸到小平臺崩落處。

圖3 工件半成品縱向裂紋Fig.3 Longitudinal crack of a semi-finished workpiece

3)顯微組織觀察

在棒材機(jī)加工件的斷裂位置取兩塊微觀試樣，分別對試樣的橫向、縱向進(jìn)行制備金相試樣，用低濃度混合酸溶液進(jìn)行浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察橫向顯微組織，可見裂紋處為正常顯微組織，試樣上未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷和過燒組織特征，參看圖4。從圖5可以看出縱向試樣的顯微組織中既有沿晶開裂又有穿晶開裂，這就能夠說明裂紋是產(chǎn)生在棒材淬火冷卻以后。

圖4 棒材橫向試樣裂紋顯微組織Fig.4 Microstructure of transverse cracks in the bar

圖5 棒材縱向試樣裂紋顯微組織Fig.5 Microstructure of longitudinal cracks in the bar

淬火時棒材表面冷卻速率比較快，中心冷卻速率相對較慢，因此沿棒材徑向方向從棒材外表面至中心，固溶體過飽和程度逐漸降低；對于大截面棒材而言，由于表層和心部冷卻的速度不一致，截面越大溫差就越大，溫差越大應(yīng)力也就隨之增大，越容易產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。φ260 mm 2A14-T6鋁合金棒材在淬火時產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，鋸切時使材料內(nèi)部的平衡狀態(tài)改變，內(nèi)部熱應(yīng)力瞬間釋放，導(dǎo)致棒材開裂。

2 分析與討論

各種工程材料、機(jī)械設(shè)備和機(jī)器構(gòu)件的制造，在其成形、熱處理、機(jī)械加工等工藝過程中，都不同程度地產(chǎn)生殘余應(yīng)力。但殘余應(yīng)力的大小因其加工方法和后序處理方式的不同而有所差別。嚴(yán)格地講，不存在完全沒有內(nèi)應(yīng)力的物體。

根據(jù)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)制和復(fù)雜性，人們對金屬材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力存在一些不同見解，很多專家學(xué)者都對殘余應(yīng)力進(jìn)行了不同程度的分析研究。根據(jù)殘余應(yīng)力相互之間影響范圍的大小，將其分為以下三類。

第Ⅰ類：宏觀應(yīng)力也稱為體積應(yīng)力，是由于材料受到來自外部機(jī)械的、熱的或化學(xué)的不均勻作用所產(chǎn)生的，當(dāng)它將材料內(nèi)部的平衡狀態(tài)打破時會導(dǎo)致材料構(gòu)件宏觀尺寸發(fā)生改變。

第Ⅱ類：結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是由于內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的不均勻而造成的，若其內(nèi)部組織不均勻時，盡管材料受到來自外部施加到各部分的變形、加熱或化學(xué)變化是一樣的，也將會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。這類殘余應(yīng)力廣泛分布于材料組織的晶粒范圍內(nèi)，出現(xiàn)于不同材料或不同物理性質(zhì)材料之間，或存在于夾雜物與復(fù)合材料基體之間。同樣，如果將第Ⅱ類殘余應(yīng)力的平衡打破，也會對構(gòu)件的宏觀形貌或尺寸造成影響。

第Ⅲ類：晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)應(yīng)力，通常存在于晶粒的原子范圍內(nèi)，在晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的尺寸大小很不均勻，并且晶粒的各向異性在兩個晶粒間的存在相互作用。這類殘余應(yīng)力的存在狀態(tài)對構(gòu)件的宏觀形貌和尺寸無任何影響。

淬火殘余應(yīng)力的產(chǎn)生過程，是由于淬火時熱的影響比較復(fù)雜，加熱、冷卻過程中材料內(nèi)部會存在一定的溫度梯度，由于這種不均勻的加熱過程造成不均勻的熱膨脹現(xiàn)象，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力塑性變形。

對于截面尺寸較大的棒材，在擠壓變形過程中，金屬變形程度不均勻，擠壓棒材存在著組織不均勻性：棒材前端組織相對于后端物理變形程度要低；同一截面上邊緣部位比中間及中心部位物理變形程度要大，其中中心部位變形程度最低。在2A14鋁合金棒材邊部、半徑1/2圓處以及棒材中心部位取樣，進(jìn)行顯微組織比對分析可以看出：在棒材邊部的顯微組織比較細(xì)小，化合物破碎程度高、分布較均勻，是明顯的變形組織特征，而且強(qiáng)度較高(見圖6)；棒材的中心部位顯微組織可以見到比較完整的枝晶網(wǎng)狀組織，仍然保存著鑄造組織特征，且強(qiáng)度較低(見圖7)；棒材的半徑1/2圓處的顯微組織是介于鑄造組織與變形組織之間的一種特征形貌(見圖8)。

圖6 棒材邊部顯微組織Fig.6 Microstructure of the bar edge

圖7 棒材中心顯微組織Fig.7 Microstructure in the center of the bar

圖8 棒材半徑1/2圓處顯微組織Fig.8 Microstructure at half circle of bar radius

變形鋁合金材料一般通過先固溶、淬火熱處理,可大幅度提高材料的性能。但在淬火過程中,由于急劇冷卻,棒材表面與心部存在很大的溫度差，從而產(chǎn)生淬火殘余應(yīng)力,且隨著材料厚度的增加殘余應(yīng)力也隨之增大。在后續(xù)的機(jī)械加工中，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力必將得到有效釋放，這種淬火殘余應(yīng)力將會引起以下三個不良的后果:①材料在淬火過程中容易產(chǎn)生變形,必須在淬火后進(jìn)行矯直;②材料在用前進(jìn)行機(jī)械加工過程中或者在產(chǎn)品使用后還會產(chǎn)生較大變形,所以各國都在研究各種減少淬火殘余應(yīng)

力的方法；③當(dāng)材料厚度尺寸較大時,在進(jìn)行淬火過程或者淬火后,由于產(chǎn)生的殘余應(yīng)力過大，容易造成淬火裂紋的產(chǎn)生,且大部分淬火裂紋均發(fā)生在材料的組織內(nèi)部,十分有害。

3 結(jié) 論

在本試驗的2A14-T6鋁合金棒材機(jī)加工發(fā)生斷裂的試驗研究中，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力與棒材斷裂有著直接的關(guān)系，殘余應(yīng)力不僅容易造成裂紋的擴(kuò)展，而且還改變了材料脆性破壞作用應(yīng)力的臨界應(yīng)力極限，增大了脆性破壞概率。因此，機(jī)加工件的斷裂與崩落起源于殘余應(yīng)力。具體地說，是由于φ260 mm 2A14-T6鋁合金棒材截面尺寸過大，淬火時工件心部未完全淬透，產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力過大導(dǎo)致工件在初步分割鋸切時內(nèi)部就已經(jīng)開裂(開裂時應(yīng)該能聽到聲音)；小平臺的崩落是由于在表面未發(fā)現(xiàn)裂紋的情況下進(jìn)行切削，使內(nèi)部裂紋呈弧線狀擴(kuò)展至棒材端面所致。

需要通過優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程，完善現(xiàn)有的熱處理工藝來提高鋁合金的淬透性，這是后續(xù)研究的課題。