MB15模鍛件裂紋原因分析

摘 要：【目的】某MB15模鍛件在進(jìn)行裝配鉚接過(guò)程中，沿鉚接孔縱向及孔附近出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂紋，裂紋平直，局部位置有多條裂紋出現(xiàn)，亟須查明原因?！痉椒ā客ㄟ^(guò)宏觀(guān)觀(guān)察、微觀(guān)觀(guān)察、能譜分析、金相檢查及硬度測(cè)試、化學(xué)成分分析等手段，對(duì)該裂紋的開(kāi)裂性質(zhì)及開(kāi)裂原因進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明：裂紋開(kāi)裂性質(zhì)為沿晶脆性開(kāi)裂，該裂紋產(chǎn)生于鍛造階段，裂紋部位再結(jié)晶不完全，與鍛造變形溫度較低有關(guān)?！窘Y(jié)論】建議嚴(yán)格控制鎂鍛件的鍛造工藝過(guò)程，嚴(yán)格控制變形溫度，變形速率等條件，增加零件出廠(chǎng)前檢測(cè)工序，以降低零件開(kāi)裂問(wèn)題，提高供貨質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：MB15；鍛造；再結(jié)晶；變形溫度

中圖分類(lèi)號(hào)：TG319 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）15-0085-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.15.019

Analysis of the Cause of Cracks of MB15 Die Forging

SONG Lulu LIU Dongmei YUAN Jie TIAN Ruihuan

（AVIC Aerospace Life-Support Industries， Ltd.， Xiangyang 441003，China）

Abstract：[Purposes] During the assembly riveting process of MB15 die forging， it was found that visible cracks appeared along the longitudinal and near the riveting hole.The cracks were straight， and multiple cracks appeared in local positions.Therefore， it is urgent to find out the cause of cracks.[Methods] Through macroscopic observation， microscopic observation， energy spectrum analysis， metallographic examination and hardness test， chemical composition analysis， the cracking properties and causes of the crack were discussed.[Findings] The results show that the cracking property of the crack is intergranular brittle cracking， the crack occurs in the forging stage， the incomplete recrystallization at the crack site is related to the lower forging deformation temperature.[Conclusions] It is suggested to strictly control the forging process of magnesium forgings， strictly control the deformation temperature， deformation rate and other conditions， and increase the testing process of parts before leaving the factory， so as to decrease the cracking problem of parts and improve the supply quality.

Keywords： MB15; casting; recrystallzation; deformation temperature

0 引言

鎂合金作為目前密度最小的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，可滿(mǎn)足航空航天等高科技領(lǐng)域?qū)p質(zhì)材料吸噪、減震、防輻射的要求，大大提高飛行器的氣體動(dòng)力學(xué)性能，明顯減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，被廣泛應(yīng)用于航空、航天、工業(yè)和軍事等領(lǐng)域［1］。目前，大量鎂合金產(chǎn)品主要通過(guò)鑄造的生產(chǎn)方式獲得，但通過(guò)擠壓、鍛造、軋制等工藝生產(chǎn)出的變形鎂合金產(chǎn)品，比鑄造材料具有更高的強(qiáng)度、更好的延展性、更多樣化的力學(xué)性能，可以滿(mǎn)足更多結(jié)構(gòu)材料的需求。變形鎂合金材料具有鑄造材料無(wú)法替代的優(yōu)秀性能。研制與開(kāi)發(fā)變形鎂合金產(chǎn)品，生產(chǎn)高質(zhì)量的板、棒、型材產(chǎn)品，制定變形鎂合金生產(chǎn)新工藝是國(guó)際鎂協(xié)會(huì)提出的開(kāi)發(fā)鎂合金產(chǎn)品的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，對(duì)鎂合金產(chǎn)品獲得更廣泛的應(yīng)用具有重要意義［2］。

變形鎂合金產(chǎn)品的生產(chǎn)有其特殊性和困難。一般認(rèn)為［3］，金屬鎂具有的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，滑移系少，因此鎂及鎂合金材料比其他常見(jiàn)的金屬（如鋁、鐵等）的塑性變形能力更差。但變形加工鎂合金的研究也逐漸成為材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。相較于鑄造成形產(chǎn)品，變形產(chǎn)品具有更多優(yōu)點(diǎn)，比如強(qiáng)度更高，可以制成尺寸更精確、形狀更復(fù)雜、表面質(zhì)量更好的產(chǎn)品。MB15是鎂-鋅-鋯系可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)度變形鎂合金。該合金的工藝屬性、塑性低于中等強(qiáng)度的MB2、MB3、MB8合金，因此，生產(chǎn)的品種限于擠壓制品、鍛件和模鍛件。該合金主要用于制作飛機(jī)長(zhǎng)桁及操作系統(tǒng)的搖臂、支座等受力構(gòu)件［4］。

某批MB15隔框在進(jìn)行裝配鉚接過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)沿鉚接孔縱向及孔附近出現(xiàn)了裂紋。其生產(chǎn)工藝為：棒料模具加熱—鍛壓制坯—銑加工坯料—坯料模具加熱—二鍛成型—打磨飛邊—熱處理—表面處理—刻字—機(jī)加—表面氧化—涂漆—裝配。

本研究通過(guò)對(duì)裂紋斷口進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察、微觀(guān)觀(guān)察、能譜分析、金相檢查及硬度測(cè)試，并與完好批零件進(jìn)行對(duì)比分析，確定了裂紋的開(kāi)裂性質(zhì)及開(kāi)裂原因。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 宏觀(guān)觀(guān)察

隔框宏觀(guān)形貌如圖1所示。由圖1（a）可知，鍛件表面經(jīng)化學(xué)氧化和涂漆處理，呈黑色，其中前壁板、后壁板較薄，中間圓筒較厚，裂紋分布在前側(cè)壁和后側(cè)壁上，部分裂紋從外壁穿透整個(gè)厚度，部分裂紋未穿透。由圖1（b）可知，裂紋平直，沿著側(cè)壁軸向分布，局部位置厚度方向可見(jiàn)多條裂紋。

將裂紋位置人工打開(kāi)進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察。裂紋從外壁向內(nèi)擴(kuò)展，斷口較為平齊，原始開(kāi)裂區(qū)呈深灰色，局部呈黃褐色，可見(jiàn)小臺(tái)階特征，人工打斷斷口呈銀灰色。分別在體視顯微鏡下對(duì)原始開(kāi)裂區(qū)和人工打斷區(qū)進(jìn)行觀(guān)察，原始開(kāi)裂區(qū)可見(jiàn)臺(tái)階特征和反光刻面特征，人工打斷區(qū)斷口呈纖維狀，如圖2所示。

取完好批側(cè)壁位置人工打開(kāi)進(jìn)行宏觀(guān)觀(guān)察。其斷口特征與故障件人工打斷斷口特征基本相同，可見(jiàn)一定層狀開(kāi)裂特征，其開(kāi)裂她程度較故障件的輕，斷口呈纖維狀，如圖3所示。

1.2 微觀(guān)觀(guān)察

將裂紋斷口置于掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀(guān)察，裂紋斷口微觀(guān)形貌如圖4所示。裂紋初始開(kāi)裂區(qū)斷口平齊，可見(jiàn)大量的氧化物覆蓋，局部可見(jiàn)清晰的沿晶特征，未見(jiàn)冶金缺陷，如圖4（a）所示；擴(kuò)展中期斷口平齊，可見(jiàn)層狀開(kāi)裂特征，放大后觀(guān)察斷口為沿晶特征，晶面可見(jiàn)明顯的氧化物附著，如圖4（b）所示；擴(kuò)展末期和擴(kuò)展中期斷口特征基本相同，放大后觀(guān)察斷口為沿晶特征，晶面存在氧化特征，如圖4（c）所示；人工打斷斷口為類(lèi)解理特征，如圖4（d）所示。

從完好批2#隔框側(cè)壁切取試樣，人工打斷后在掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行微觀(guān)觀(guān)察。斷口較為平齊，放大后觀(guān)察為準(zhǔn)解理特征，如圖5所示。

1.3 能譜分析

分別對(duì)裂紋斷口源區(qū)和人工打斷區(qū)域進(jìn)行能譜分析。裂紋源區(qū)可見(jiàn)較多的O、F、Na、Cr等元素，F(xiàn)、Na、Cr等元素來(lái)源于化學(xué)氧化，表明裂紋斷口在化學(xué)氧化時(shí)已經(jīng)開(kāi)裂（見(jiàn)表1、圖6）。人工打斷斷口O元素明顯降低，其來(lái)源于自然氧化，主要合金元素種類(lèi)及含量符合MB15合金要求（見(jiàn)表2、圖7）。

1.4 金相分析

分別對(duì)裂紋位置及完好位置進(jìn)行金相組織檢測(cè)。發(fā)現(xiàn)裂紋基本沿晶擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)匹配性較好，同時(shí)可見(jiàn)大量拉長(zhǎng)的變形晶粒和變形帶，局部可見(jiàn)少量等軸晶，如圖8（a）所示；擴(kuò)展期裂紋兩側(cè)可見(jiàn)二次裂紋，裂紋沿晶擴(kuò)展，如圖8（b）所示；組織均未見(jiàn)過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象。

故障件側(cè)壁位置可見(jiàn)大量的變形晶粒和少量的等軸晶，且可見(jiàn)大量的變形帶，表明其未完成再結(jié)晶，如圖9所示。故障件圓筒位置可見(jiàn)少量變形晶粒以及變形晶粒之間細(xì)小的等軸晶，同時(shí)局部可見(jiàn)變形帶，表明其未完成再結(jié)晶，但其再結(jié)晶程度較故障件裂紋位置和完好側(cè)壁位置高，如圖10所示。

完好批晶粒組織較為均勻，基本為等軸晶，晶粒尺寸較故障件圓筒位置大，晶內(nèi)可見(jiàn)黑色第二相分布，表明其已完成再結(jié)晶，如圖11所示。

1.5 硬度檢查

分別對(duì)裂紋附近位置、壁板位置（裂紋類(lèi)似位置）、圓筒位置以及完好批進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從表中可知，各個(gè)位置顯微硬度均勻，不同位置、不同批次顯微硬度未見(jiàn)明顯差異。

從故障件上切取試樣進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。硬度均勻，平均硬度為HB86，符合設(shè)計(jì)要求HB≥60。

1.6 化學(xué)成分檢測(cè)

采用ICP根據(jù)GB/T 13748—2009《鎂及鎂合金化學(xué)分析方法》對(duì)故障件進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。結(jié)果表明，成分符合HB6690—1992要求。

2 分析與討論

該鍛件裂紋分布在平行于鍛件流線(xiàn)方向，并由外向內(nèi)擴(kuò)展；裂紋斷口平齊，未見(jiàn)冶金缺陷，原始開(kāi)裂區(qū)呈深灰色，局部呈黃褐色，人工打斷斷口呈銀灰色；裂紋斷口初始開(kāi)裂區(qū)覆蓋較多氧化產(chǎn)物，可見(jiàn)明顯的層狀開(kāi)裂特征，斷口呈沿晶特征；擴(kuò)展區(qū)斷口為沿晶特征，晶面上可見(jiàn)氧化特征；人工打斷斷口呈準(zhǔn)解理特征。綜上認(rèn)為，該鍛件為沿晶脆性開(kāi)裂。裂紋附近組織為拉長(zhǎng)的變形晶粒和少量細(xì)小的等軸晶，同時(shí)可見(jiàn)變形帶，表明其再結(jié)晶程度較低。

影響再結(jié)晶程度的主要因素為原始材料組織、變形溫度和變形速率。研究表明，較高的變形溫度有利于晶粒再結(jié)晶，因?yàn)楦邷貤l件下晶界遷移速度較快，晶粒互相接觸的時(shí)間更長(zhǎng)，使得晶粒發(fā)生滑移和扭曲后能夠更快地恢復(fù)其初生狀態(tài)。但是當(dāng)變形溫度過(guò)高時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致晶粒增大和顆粒形貌破壞，因此適宜的變形溫度需要在一定范圍內(nèi)選擇。較小的變形速率有利于晶粒再結(jié)晶，能夠使得晶界遷移的速度減緩，晶?；ハ嘟佑|的時(shí)間變長(zhǎng)，有利于晶粒的48BuwsyFtV+ggf42/PfnBMLDmGmDn+GroNmaxI3vtjg=再結(jié)晶。但過(guò)小的變形速率會(huì)導(dǎo)致變形過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力不足以消去多晶的位錯(cuò)密度，從而造成晶粒的新生晶界上仍然保留著多晶的位錯(cuò)密度，影響晶粒的穩(wěn)定性。

遠(yuǎn)離裂紋位置再結(jié)晶程度較裂紋位置高，因此影響裂紋位置再結(jié)晶程度的主要因素可能為變形速率過(guò)快或者變形溫度較低，即鍛造變形速率過(guò)快或溫度較低。而鍛造變形速率過(guò)快會(huì)使晶內(nèi)孿晶數(shù)量增加，孿晶多的位置其硬度值相應(yīng)也比較高［5］。但是，通過(guò)對(duì)不同位置不同批次的零件進(jìn)行硬度檢查發(fā)現(xiàn)各個(gè)位置顯微硬度均勻，未見(jiàn)明顯差異。

裂紋斷口初始區(qū)可見(jiàn)化學(xué)氧化產(chǎn)物覆蓋，表明裂紋產(chǎn)生于化學(xué)氧化之前；同時(shí)裂紋斷口內(nèi)部?jī)H可見(jiàn)氧化特征，且MB15鎂合金的時(shí)效溫度為165 ℃，明顯較低，不會(huì)導(dǎo)致沿晶開(kāi)裂，因此認(rèn)為裂紋產(chǎn)生于鍛造階段。鎂合金變形過(guò)程主要涉及位錯(cuò)的滑移和孿生，位錯(cuò)滑移在晶界、第二相、孿晶界等受阻時(shí)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，致使鎂合金內(nèi)部位錯(cuò)密度升高。當(dāng)鎂合金在高溫下變形時(shí)，高密度的位錯(cuò)能夠誘發(fā)再結(jié)晶的發(fā)生，致使鎂合金晶粒細(xì)化。細(xì)小的晶粒容易晶界滑移而協(xié)調(diào)變形。同時(shí)高溫下位錯(cuò)更容易滑移甚至攀移，抗力較?。?］。因此，高溫有利于促進(jìn)鎂合金塑性變形。當(dāng)鍛造溫度比較低時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的程度比較弱，致使動(dòng)態(tài)再結(jié)晶不完全，出現(xiàn)未再結(jié)晶組織，同時(shí)位錯(cuò)不容易攀移。在后續(xù)變形過(guò)程中，位錯(cuò)在晶界塞積，從而萌生微裂紋，最終因微裂紋連接而致使鍛件沿晶開(kāi)裂。因此，鍛造溫度較低是該零件開(kāi)裂的主要原因。

3 結(jié)論

隔框開(kāi)裂性質(zhì)為沿晶脆性開(kāi)裂；開(kāi)裂起始于鍛造階段，與鍛造過(guò)程存在異常有關(guān)；開(kāi)裂部位成分和硬度符合設(shè)計(jì)要求，再結(jié)晶組織不完全，與鍛造過(guò)程中鍛造溫度較低有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 余琨， 黎文獻(xiàn)， 王日初，等. 變形鎂合金的研究、開(kāi)發(fā)及應(yīng)用［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2003（2）：277-288.

［2］余琨，黎文獻(xiàn)，李松瑞.變形鎂合金材料的研究進(jìn)展［J］.輕合金加工技術(shù)，2001（7）：6-9，11.

［3］DECKER R F.The renaissance in magnesium［J］. Adv.Mater.＆Proc， 1998（9）； 31.

［4］《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì). 中國(guó)航空材料手冊(cè)第3卷 鋁合金 鎂合金［M］. 2版.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社， 2002.

［5］戴麗娟，張瑞，劉霞.MB15鎂合金組織及性能分析［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2007（11）：59-60.

［6］向峻伯，王從明，陳凱鑌，等.汽車(chē)用MB15鎂合金的表面改性與耐腐蝕性能［J］.金屬熱處理，2019，44（12）：186-192.