7075铝合金弹丸尾杆开裂失效分析

7075铝合金弹丸尾杆开裂失效分析

al-zn-mg-cu合金是一种圈外的高强度铝，具有密度低、比强、热加工性能好、耐腐蚀性好、断裂性好等优点。它是多种材料中的一种重要结构材料。7XXX系铝合金具有高的比强度、良好的韧性以及易于加工等优点,是军工领域中的重要材料之一。采用T6热处理的7075系铝合金具有高的强度,但耐腐蚀(晶间腐蚀、剥蚀、SCC)性能差,影响其安全可靠性,考虑到材料的结构性能及使用环境的要求,一般采用阳极化表面处理。国内外科研工作者对其腐蚀与防护以及腐蚀失效行为进行了大量的研究。文中涉及的失效案例虽然具备应力腐蚀的特征,但却与腐蚀完全不同。1聚羧酸型某型炮弹尾杆经硫酸阳极氧化处理后,目视检查发现表面存在纵向裂纹。尾杆所用材质为7075铝合金,制造工艺流程:铝棒(退火态)→二次热锻成形→热处理(T6)→精加工→硫酸阳极氧化处理。采用JSM-5600LV型扫描电镜、LINKISIS300型X射线能谱仪对尾杆裂纹断口及尾杆的金相组织进行宏微观观察及微区成分分析,用OLYMPUSGX51型金相显微镜进行检查,在WOLBT401MVD硬度试验机上对尾杆的硬度进行测试。在上述试验的基础上确定尾杆裂纹的性质,并对开裂原因进行分析。2试验结果2.1宏观断口宏观形貌尾杆呈圆锥状,其内表面和外表面均可见裂纹,裂纹较平直,见图1。将尾杆裂纹人为打开,断口宏观形貌见图2。断口表面呈灰黄色,表面被污染,人为打断区可见反光刻面。2.2未腐蚀区域能谱分析将裂纹断口放入JSM-5600LV扫描电镜下进行观察。靠近尾杆外侧的原始裂纹区可见大量腐蚀产物,形貌见图3。原始裂纹的未腐蚀区域均为沿晶断裂特征,见图4。断面上晶粒略微球化,晶界面上存在大量球状第二相颗粒,局部可见圆形光滑凹坑,见图5。人为打断区呈沿晶+韧窝的混合断裂特征,局部也可见圆形光滑凹坑,见图6。对原始裂纹断面的腐蚀产物进行能谱成分分析,结果见表1。可知,腐蚀产物区的S、O元素含量较高,应为硫酸阳极化产物。2.3金相组织检查2.4硬度测试沿尾杆横向截取硬度试样进行布氏硬度测试,测试点和为,测试点为。尾杆的硬度符合技术要求。3提高固溶温度尾杆裂纹宏微观观察结果表明,裂纹断面存在阳极化产物,因此裂纹应在阳极氧化处理前就已出现。裂纹呈沿晶开裂特征,晶粒略微球化;金相检查表明,尾杆组织中存在局部晶界复熔现象,出现复熔球、三角晶界和孔洞,这些现象均表明尾杆存在明显的过烧现象。有关研究表明,7075铝合金在490℃淬火有过烧危险,因此在进行尾杆的淬火处理时要严格检验加热设备,精确控制加热温度。此外,高强度铝合金组织为固溶体上分布着不同尺寸的第二相颗粒,粗大的第二相颗粒是应力集中和裂纹萌生之处。尾杆存在较多呈链状分布的难溶杂质相,它们本身的断裂强度低,脆性大,在断裂过程中起裂纹源的作用。当沿横向加载时,裂纹扩展方向与难溶杂质相排列方向一致,从而导致性能下降。因此,尾杆存在较多的难溶杂质相,对裂纹的萌生有一定的促进作用。7075铝合金的力学性能与固溶程度密切相关。粗大的第二相颗粒完全溶入基体中,既消除了大尺度的断裂源,同时也增加了析出强化相的数量,这必然使合金力学性能显著提高,适当提高固溶温度对其力学性能有利。因此,应在不出现过热过烧前,通过合理的固溶处理尽量减少合金中难溶杂质相的数量和尺寸。值得注意的是,此次7075铝合金开裂失效具有诸如腐蚀产物、沿晶特征、裂纹分叉等应力腐蚀的典型特征,因此很容易据此误判成应力腐蚀开裂,但如果对其组织、断口形态进行细致的分析,就会发现诸如圆形光滑凹坑、三角晶界、复熔球等特殊的现象,再考虑到尾杆是在阳极化之后就已经开裂,不具备应力腐蚀的时间和环境条件,才能对其失效性质做出最终的正确判断。4宏观裂纹扩展特征尾杆裂纹为沿晶脆性开裂,尾杆在淬火过程中存在超温现象导致合金过烧,同时晶界存在呈链状分布的难溶脆性杂质相,导致晶界进一步弱化,在淬火应力的作用下致使尾杆开裂,之后在时效和精加工过程中裂纹扩展形成宏观裂纹。从垂直尾杆裂纹处截取横向金相试样,在扫描电镜下观察。可见裂纹扩展路径曲折、多分叉,主次裂纹均沿晶扩展,见图7。高倍组织可见复熔球、晶界复熔、过烧三角区等典型的过烧特征,见图8、9。晶界上分布着链状析出相,基体中细小弥散析出物为大量的球状G.P.区粒子及少量η-MgZn2过渡相。沿尾杆纵向截取金相试样,磨抛腐蚀后观察。在α固