圖 1 開裂構件的宏觀形貌
分享：鋁合金構件開裂原因
某海裝用構件材料為7系鋁合金，構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附近出現開裂現象，構件表面油漆脫落。該構件已使用約3 a，使用環境為海洋大氣。筆者采用一系列理化檢驗方法對該構件開裂原因進行分析，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
開裂構件的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：構件裂紋處表面油漆存在脫落現象，裂紋位于兩焊縫中間，將上面的焊縫編號為“上焊縫”，將下面的焊縫編號為“下焊縫”，僅在包含裂紋“上焊縫”焊條在內的母材熱影響區斷口處取樣，裂紋全部位于焊縫的熱影響區內，未擴展到焊縫；該斷口較為平坦，并存在多個臺階，部分區域可見放射狀擴展棱線特征，根據放射狀擴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，呈點源特征，將兩處裂紋源分別編號為裂紋源1和裂紋源2；斷口裂紋源對應的外表面已形成多個細小腐蝕坑。
1.2 化學成分分析
對開裂構件母材進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：開裂構件的化學成分滿足技術要求。
Table 1. 開裂構件母材的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | Ti | Cr | Zr | V | |
| 實測值 | 0.083 | 0.162 | 0.018 | 0.392 | 1.44 | 4.23 | 0.015 | 0.083 | 0.089 | 0.010 |
| 技術要求 | ≤0.25 | ≤0.30 | ≤0.18 | 0.25~0.70 | 1.0~1.9 | 4.0~4.9 | ≤0.15 | ≤0.25 | ≤0.20 | ≤0.10 |
1.3 掃描電鏡（SEM）及能譜分析
利用掃描電鏡對裂紋源2進行觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：裂紋全部位于母材上，未擴展到焊縫，斷口上的擴展棱線匯聚于母材表面，呈點源特征，源區斷口上覆蓋有一層較厚的腐蝕產物，該裂紋源的外表面可見一個明顯的點蝕坑；斷口擴展區部分區域有腐蝕產物覆蓋，其他區域可見沿晶界開裂的特征形貌，裂紋沿母材的拉長晶粒擴展；構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
分別對裂紋源及腐蝕坑處進行能譜分析，結果表明：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
在垂直裂紋源2處截取試樣，對試樣進行金相檢驗，結果如圖3所示。由圖3可知：斷口位于“下焊縫”的熱影響區，裂紋源位于母材表面，裂紋源處存在沿晶點蝕坑，裂紋從點蝕坑處萌生并擴展，點蝕坑尺寸（長度×寬度）為100 μm×50 μm；裂紋周圍未觀察到冶金或組織缺陷；焊縫的熱影響區也存在一處沿晶點蝕坑，點蝕坑下存在幾條細長裂紋，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
分別對構件未受焊接熱影響的母材和焊接熱影響區進行透射電鏡分析，結果如圖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狀η-MgZn2析出相，而熱影響區晶界可見較多點狀η-MgZn2析出相，這些η-MgZn2析出相在晶界上呈連續的鏈狀分布特征。
圖 4 母材和焊接熱影響區的TEM形貌
2. 綜合分析
由上述理化檢驗結果可知：構件母材的化學成分滿足技術要求；母材和熱影響區不存在冶金缺陷，顯微組織未見過熱、過燒現象，熱影響區有較多的η-MgZn2晶界析出相，該析出相呈連續的鏈狀分布特征。構件的斷口起源于外表面點蝕坑處。點蝕坑下萌生裂紋，裂紋沿晶擴展，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。
應力腐蝕開裂是指在腐蝕介質與拉應力共同作用下的金屬脆性斷裂現象。一般認為發生應力腐蝕開裂需具備3個基本條件[1]，即敏感材料、特定環境和拉伸應力。7系鋁合金在Cl、S離子環境下具有應力腐蝕敏感性[2]。構件工作環境是潮濕的露天海洋，使得構件具備腐蝕性環境，而腐蝕產物中也檢測到腐蝕性元素S和Cl。構件上的斷口和長裂紋位于下焊縫或上焊縫的熱影響區。該部位的焊接殘余應力較大[3]，同時疊加了工作應力，具備拉應力的條件。應力腐蝕容易產生于表面點蝕坑處[4]。構件表面點蝕坑的產生原因是：構件表面本來涂有油漆，但長期使用后，局部區域的油漆脫落，在油漆脫落部位形成點蝕。點蝕和應力腐蝕均呈沿晶特征，這是因為在熱影響區晶界上析出了呈鏈狀分布的η-MgZn2相，該相屬于平衡態相，較穩定。η相與基體完全不共格，其沿晶界呈鏈狀析出時，會導致晶界耐腐蝕性變差。η相的電位低于鋁基體，當合金處在腐蝕環境時，晶界處的陽極η相會優先腐蝕[5]，從而導致沿晶界發生點蝕，并造成應力腐蝕也沿晶界發生。
結合斷口特征和應力腐蝕裂紋特征，可以判定構件開裂性質為應力腐蝕開裂，開裂處位于焊接熱影響區，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件表面直接接觸腐蝕性介質，在焊接熱循環作用下，熱影響區沿晶析出了鏈狀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力，最終導致構件發生腐蝕開裂。
3. 結論
7系鋁合金構件開裂部位均為焊縫熱影響區處，起源于表面的點蝕坑，從點蝕坑處萌生應力腐蝕裂紋，表面油漆局部脫落使得構件表面直接接觸腐蝕性介質，造成點蝕，熱影響區在焊接熱循環作用下沿晶析出了鏈狀η-MgZn2相，導致晶界耐腐蝕性變差，且該處存在較大的焊接殘余應力，最終導致構件發生開裂。
文章來源——材料與測試網
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