2A12方板裂纹原因分析

张洪静，卢潇涵，竭艳丽，颜秉辉，秦 宇

（1.南山集团航鑫材料科技有限公司，山东 烟台 264000；2.东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060）

1 背景信息

失效方板牌号为2A12，状态为T352，其锻造流程为：铸锭进厂加热（465℃保温720分钟）----模具加热（350～450℃加热时间大于8小时）---自由锻造（墩-拔-墩-打方）至280×1260×2800mm---淬火（加热495±3℃、水冷，温度60～70℃）---冷变形发现侧面和表面有裂纹。本试验的目的就是通过对缺陷进行宏观组织和显微组织的观察分析，以及扫描能谱分析确定缺陷的性质和形成缺陷的原因，查找出消除缺陷的方法，为今后生产工艺改善提供帮助。

2 实验过程

2.1 化学成分分析

失效方板的化学成分及GB/T3190-2008标准对2A12元素含量的要求见表1。根据表1可知，失效方板化学成分符合GB/T3190-2008的要求。

表1 失效方板化学成分

2.2 宏观组织检查

失效方板的表面和侧面有多处裂纹，沿裂纹处断开，观察断口表面，断裂面呈灰白色，目视未发现氧化现象，与正常断口颜色相同。在裂纹处切取400×300mm试片，将试片放在15%～25%NaOH水溶液浸蚀10分钟后清洗发现，宏观组织除有大致平行的两条裂纹外，未发现疏松、夹杂、粗大化合物等缺陷存在。

2.3 显微组织分析

在失效方板上截取横向金相试样，经磨抛浸蚀后在光学显微镜下观察，显微组织如图1所示。a为裂纹显微组织，b为材料的正常组织。在试样裂纹附近的显微组织中，其组织特征为化合物沿变形方向排列，化合物棱角清晰、形状不规则、分布大致均匀，没有发现化合物聚集、初晶、夹杂、疏松等冶金缺陷，也没有发现复熔三角形、晶界局部加宽以及复熔共晶球特征，发现裂纹扩展方向是沿晶开裂并伴有穿晶开裂，裂纹处晶粒完整，排除了过烧、锻造过程产生裂纹的可能，初步判定为淬火裂纹。

图1 失效试样裂纹处横截面金相组织(100×)

2.4 断口及能谱分析

由于方板的裂纹出现在表面，沿方板的裂纹面断开，在扫描电镜下观察断口，断口表面存在大量韧窝及撕裂棱，未发现氧化产物、夹杂等冶金缺陷，这与宏观断口以及显微组织观察结果一致。能谱分析结果见表2。

由表2可知，除了2A12中含有的Al、Cu、Mg主要元素外，未发现O、C等元素，说明裂纹没有被氧化，排除了锻造过程中产生裂纹的可能性，这与显微组织判断相一致。进一步证实了裂纹是在淬火过程中产生的。

表2 失效断口表面能谱分析结果

3 方板裂纹产生原因及预防措施

3.1 方板裂纹产生原因分析

综合上述试验结果可知：失效方板化学成分符合GB/T3190-2008的要求，宏观组织除有大致平行的两条裂纹外，没有疏松、夹杂、初晶化合物等缺陷，可以排除缺陷造成裂纹的可能，同时裂纹宏观断口面组织颜色呈灰白色，没有被氧化，断口能谱没有显示C、O元素存在，显微组织没有过烧特征，裂纹处晶粒完整，更进一步排除了过烧、锻造造成裂纹的可能性。断口表面未出现挤压变形，裂纹处的显微组织与正常组织相同，这个现象表明裂纹应该形成于冷变形之前，由此推测应该是方板在淬火过程中，由于尺寸较大，冷却速度快，方板的外部冷却速度快，心部冷却较慢，导致方板内外温度差较大，材料表面急剧冷却而产生巨大拉应力，当拉应力超过材料抗拉强度或材料的塑性变形极限时便产生开裂，裂纹往往是沿晶开裂有时并伴有穿晶开裂，属于淬火裂纹[1]。

在生产过程中，冷变形前方板已经有潜在的微裂纹，只是方板表面有油污，且表面粗糙，颜色发暗，难以被发现。当冷变形时，由于外力的作用使原有裂纹张开尺度增加，随后才被发现。失效方板表面和侧面的裂纹属于淬火过程以及淬火后室温放置过程中产生的裂纹，即为淬火裂纹。

3.2 预防措施

在生产过程中严格控制好淬火冷却速度，另外可适当延长淬火时锻件在水中的停留时间，这两个因素控制得当可以避免材料开裂。

4 结论

（1）失效方板原材料化学成分符合GB/T3190-2008中2A12的要求；

（2）宏观组织除有大致平行的两条裂纹外，没有疏松、夹杂、初晶化合物等缺陷，失效方板显微组织未发现过烧特征；

（3）失效方板裂纹是因为材料规格比较大，淬火冷却速度快，材料表面冷却速度快，心部冷却较慢，导致内外温度差大，表层材料受心部膨胀的作用而产生巨大拉应力，当拉应力超过材料抗拉强度时便产生开裂，裂纹为沿晶并伴有穿晶开裂，属于淬火裂纹。