6063鋁合金型材動態(tài)沖擊裂紋原因分析

劉兆偉,祝 哮,王東輝,郭 峰,張 偉,張 宇,李秋梅

(遼寧忠旺集團有限公司,遼寧 遼陽 111003)

6063鋁合金是一類常用的中等強度可熱處理強化型鋁合金,具有優(yōu)良的焊接性、抗蝕性、成型性和可氧化性等特點,因而應(yīng)用廣泛[1,2]。其擠壓型材被廣泛應(yīng)用于汽車、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域[3]。由于6063鋁合金具有良好的韌性和性能穩(wěn)定性,可被用作吸能材料,其吸能性能較相同重量的鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)可提高50%以上,能夠更加有效的保護司乘人員的安全[4]。動態(tài)沖擊實驗是衡量吸能性的重要方法之一[5],正在被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。

某批次6063擠壓型材的力學(xué)性能、靜態(tài)壓潰等測試均符合指標要求,但在進行動態(tài)沖擊實驗時,型材褶皺變形處出現(xiàn)明顯裂紋(圖1紅圈處)。本研究通過宏觀表面、低倍組織、高倍組織觀察分析,查找缺陷的產(chǎn)生原因。

圖1 動態(tài)沖擊裂紋缺陷示意圖Fig.1 Defect diagram

1 試驗方案

動態(tài)沖擊實驗主要考量材料的沖擊韌性,而決定沖擊韌性差異性的因素有,斷裂方式、宏觀偏析、微觀結(jié)構(gòu)、鑄錠缺陷(雜質(zhì)、晶粒)和性能不均勻性。為了更準確的確定裂紋的形成原因,選取裂紋試樣和未裂試樣對上述影響因素進行逐一分析,制定如下試驗方案:

(1)斷裂方式。通過斷口掃描,判斷為韌性斷裂或脆性斷裂,觀察是否存在雜質(zhì)相。

(2)宏觀偏析。通過對比不同根節(jié)、不同位置成分測試結(jié)果,確認是否存在宏觀偏析。

(3)微觀結(jié)構(gòu)。通過高倍組織、晶粒度、微觀表面、能譜分析等手段,分析組織與晶粒度區(qū)別,以及是否存在雜質(zhì)相。

(4)鑄錠缺陷。通過鑄錠的低倍、高倍組織質(zhì)量檢測,評定鑄錠質(zhì)量。

(5)性能均勻性。通過測量型材斷面不同位置的壁厚和性能,評定材料性能均勻性。

2 試驗結(jié)果

2.1 斷裂方式

裂紋試樣SEM斷口如圖2(a)所示,斷口處存在大量撕裂韌窩和部分準解理面(紅色圓圈標注),斷口疑似裂紋源見圖2(b),裂紋源位置未見明顯異物或異物脫落后所產(chǎn)生的“平臺”,結(jié)合測試過程,該批次樣品開裂不具備偶然性,可排除夾雜造成的裂紋,因此,確定斷裂方式為韌性斷裂。

圖3為斷口凹坑處SEM高倍圖,在凹坑附近存在著大量方向一致的韌窩,為裂紋擴展方向。凹坑內(nèi)表面粗糙不平,類似于撕裂棱。凹坑邊上有大量高密度的短而彎曲的撕裂棱線條,且底部存在破碎的第二相,經(jīng)EDS分析(表1)為彌散相AlMgSi,排除由雜質(zhì)或脆性相引起材料脆性斷裂的可能。

表1 裂紋試樣斷口能譜分析

圖3 裂紋試樣斷口SEM低倍圖Fig.3 Low-magnification SEM images of crack sample

2.2 宏觀偏析

選取裂紋試樣(裂紋位置、非裂紋位置)、同批試樣(裂紋同位置、非裂紋同位置)進行成分測定,結(jié)果見表2,不同批次、不同位置成分均勻,可排除宏觀偏析可能。

表2 樣品成分表(質(zhì)量分數(shù),%)

2.3 微觀結(jié)構(gòu)

晶粒度對比結(jié)果如圖4所示。樣品內(nèi)外表面層均存在顆粒尺寸隨深度增加而增大的趨勢,其中裂紋試樣顆粒尺寸的增幅速度略小于未裂試樣。心部對比發(fā)現(xiàn),裂紋試樣內(nèi)部顆粒粒徑大、組織不均勻,并且內(nèi)部含有大量亞晶組織。晶粒碎化且呈尖角狀。分析可能是淬火過程中冷卻效果不均所致[5]。裂紋試樣和未裂試樣SEM照片分別如圖5所示。

(a-1)裂紋試樣外表面;(a-2)裂紋試樣心部;(a-3)裂紋試樣內(nèi)表面;(b-1)未裂試樣外表面;(b-2)未裂試樣心部;(b-3)未裂試樣內(nèi)表面圖4 晶粒度對比Fig.4 Grain size contrast

(a)裂紋試樣;(b)未裂試樣圖5 試樣SEM形貌圖Fig.5 SEM topography of sample

對比發(fā)現(xiàn)合金中第二相以顆粒狀或棒狀形式存在于基體當(dāng)中,第二相粒子的尺寸在5 μm左右。裂紋試樣和未裂試樣微觀組織接近,無明顯差別,且無明顯雜質(zhì)相存在[6,7]。對應(yīng)能譜結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)元素存在(表3)。

表3 試樣能譜分析結(jié)果對比

2.4 鑄錠缺陷

(1)低倍組織。對動態(tài)沖擊開裂試樣所用鑄錠的同批次鑄錠進行了分析(圖6),結(jié)果顯示低倍晶粒度1級,無疏松、裂紋、羽毛晶、光晶等缺陷,根據(jù)YS/T 67-2018《變形鋁及鋁合金圓鑄錠》,鑄錠低倍符合Ⅰ級標準。

(a)頭端;(b)尾端圖6 鑄錠不同位置低倍組織Fig.6 Macroscopic structure of ingot at different locations

(2)高倍形貌。鑄錠不同位置的晶粒度如圖7所示,晶粒度均勻,晶粒度等級為4.0級。

(a)邊部;(b)R/2處;(c)心部圖7 鑄錠不同位置晶粒度Fig.7 Ingot grain size at different positions

2.5 性能均勻性

(1)力學(xué)性能。圖8(a)為力學(xué)試樣取樣位置示意圖。從圖9中能夠看出型材各面不同位置的屈服強度波動較大,尤其是在RC、RD角附近[8]。

(a)平面部分力學(xué)及尺寸測試位置 (b)拐角尺寸測試位置圖8 測試位置示意圖Fig.8 Test location diagram

圖9 力學(xué)性能檢測結(jié)果Fig.9 Mechanical property results of samples

(2)尺寸壁厚。對沖擊樣品屬同支型材的樣品進行尺寸測量,測試位置包括如圖7(a)所示的平面位置以及圖7(b)所示的拐角位置,每個拐角取3點進行測試,其中1和3兩點在R角和平面相接位置。分析整個截面方向壁厚均勻性。

測試結(jié)果見表4。在拐角位置存在較大的壁厚差,A角差值為0.5mm,B角差值為0.4mm,C角差值為0.4mm,D角差值為0.44mm。結(jié)合圖8可以看出型材所承受的最大載荷與對應(yīng)壁厚呈正相關(guān)。壁厚不均導(dǎo)致型材各部分所能承受的最大載荷值不同,尤其彎角處壁厚偏差較大,承載極限不同,導(dǎo)致裂紋形成幾率加大。

表4 尺寸測量結(jié)果(單位:mm)

3 改進效果

經(jīng)過對模具工作帶精細化打磨,提高壁厚均勻性,穩(wěn)定冷卻水流量等的過程優(yōu)化,采用同批次鑄棒生產(chǎn)的型材,經(jīng)過動態(tài)沖擊測試后,無裂紋產(chǎn)生(圖10)。

圖10 改進后動態(tài)沖擊試驗樣品Fig.10 Improved dynamic impact test sample

4 結(jié)論

通過對影響沖擊韌性的因素逐一排查,得出動態(tài)沖擊裂紋產(chǎn)生的主要因素為:

(1)微觀結(jié)構(gòu)差異。裂紋試樣和未裂試樣晶粒度有差異,可能由于淬火過程中冷卻效果不均所致。改進方案為,控制淬火過程冷卻水流量,保證冷卻效果均勻穩(wěn)定。

(2)性能不均勻性。壁厚不均導(dǎo)致型材各部分所能承受的最大載荷值不同,尤其彎角處壁厚偏差較大,承載極限不同,導(dǎo)致裂紋形成機率增大。改進方案為,增加型材拐角位置壁厚,同時保證壁厚過渡平穩(wěn)。