7050-T652锻板开裂原因分析

袁少红，竭艳丽，赵志国

（1.航鑫材料科技有限公司，山东 烟台 265700；2.南山铝业股份有限公司 国家铝合金压力加工工程技术研究中心，山东 烟台 265700）

1 背景信息

7050-T652的锻板经过锻造、探伤、机加工、淬火、冷变形多道工艺，在人工时效过程中发生开裂。经初步观察，裂纹自锻板端部开裂，沿板材中心偏下位置延伸。经锯切将裂纹打开，在裂纹开裂起始与尖端位置分别取样[1]。采用OM、SEM、EDS对裂纹不同位置的显微组织、形貌及成分进行分析产生开裂的根本原因，为日后生产的工艺改进提供帮助。

2 宏观形貌分析

通过宏观形貌观察锻板裂纹的纵向和横向照片，裂纹起始于端面中部偏下位置，贯穿整个端面，并沿长向扩展，裂纹比较平直无分叉，扩展方向略微向上倾斜。观察裂纹四周，没有发现明显的宏观塑性变形[2]。将锻板裂纹锯开，根据宏观断口形貌在端部中心位置找到锻板开裂的裂纹源。图1为裂纹源附近断口宏观形貌，断口表面相对齐平，基本平行于长向，表面无腐蚀，在一定程度上呈现晶粒的外形。裂纹由红色箭头标识位置开始萌生，并向周围扩展形成弧形。弧形区域内断口比较平滑，区域外断口相对粗糙，并构成较典型的放射台阶和人字纹花样[3]。基本符合脆性断口的宏观形貌特征，初步判断锻板开裂为脆性断裂。

3 显微组织分析

采用OM对裂纹附近显微组织进行观察，未发现夹渣、疏松、气孔等冶金缺陷，也未发现过烧现象。典型显微组织形貌见图2，图2a表明，晶粒类型以等轴晶为主，晶粒内可以观察到清晰的亚晶晶界。裂纹基本沿晶界扩展，表明锻板断裂类型属于沿晶。图2b表明，不同类型的第二相在晶界处呈网状分布。一类黑色第二相呈圆形单个分布，测量图片最大相尺寸为7.62μm。另一类黑色第二相呈圆形沿晶界呈链状聚集分布，长度可达28.35μm。

图1 裂纹源断口照片

图2 裂纹附近显微组织形貌

4 扫描及能谱分析

图3 裂纹源断口显微形貌

采用SEM对裂纹源处断口微观形貌进行分析，结果见图3。其中，图3a、c中白色球状颗粒为第二相在CBS模式下的形貌。图3a、b表明，第二相沿网状分布，枝晶内无明显第二相析出。图3c、d表明，该断口的显微形貌呈现出典型的岩石状花样，晶粒明显，且立体感强，晶界面上多显示光滑无特征形貌，为典型沿晶分离断口形貌。断口中第二相主要分为两种，一种白亮第二相，尺寸较大沿晶界呈链状分布，另一种颜色稍暗，沿晶界密集分布[4,5]。采用EDS对图3c中典型特征位置进行成分分析，结果见表1。P1点位置为基体，主要元素为Al、Zn、Mg、Cu，为7050铝合金的基本元素构成。P2、P3点主要元素为Al、Cu、Mg，根据三种元素的原子比，基本可以认定为S（Al2CuMg）相。P4、P5点的主要元素为Al、Mg、Fe，根据成分类型，认定为难溶含铁相，通过查找资料，推测其为Al7Cu2Fe。

表1 断口表面化学成分（质量分数，%）

5 锻板开裂原因及预防措施

5.1 锻板开裂原因

从宏观形貌观察，断口周围无明显塑性变形，裂纹扩展方向比较平直，裂纹源断口表面存在人字纹，总体呈现脆性断裂特征；扫描断口裂纹源及裂纹尖端未发现夹渣、疏松、气孔等冶金缺陷，显微组织未发现过烧特征；微观断口形貌呈沿晶断裂，裂纹源位置表面第二相呈网状分布，尖端位置表面存在大量沿晶界析出的T相。

由此分析裂纹产生原因如下：7050锻板开裂是在淬火、冷变形内应力作用下，由于材料晶界强度过低产生脆性断裂。锻板尺寸较大，淬火过程中产生内应力，锻板冷变形过程中也会产生一定量的内应力。材料中部分结晶相呈网状分布，锻造过程未能成功将其破碎，裂纹尖端残留大量的T相没有充分固溶；另外可能是锻板尺寸过大，芯部冷速不够则可能是导致晶界析出严重，降低了晶界强度，而这些因素成为裂纹开裂的源头，整个锻板开裂方式为沿晶脆性断裂。

5.2 预防措施

建议在以下几个方向进行改进：

（1）加强锻前坯料检查，确保坯料成分、组织均满足要求，避免采用偏析严重的坯料；

（2）在避免过烧的前提下提高开锻温度，增大锻造变形量，彻底破碎铸造组织；

（3）改进固溶淬火工艺，使锻板充分固溶，淬火转移时间要快，在保证不淬裂的情况下，提高冷却速度，增加淬火时间，确保锻件芯部固溶良好；

（4）严格控制冷变形的变形量和压下速度。

6 结论

（1）7050锻板开裂不是冶金缺陷引起开裂；

（2）7050锻板开裂是在淬火、冷变形内应力作用下，由于材料晶界强度过低，在时效加热过程中使裂纹扩展加剧产生脆性断裂。