分享：铝合金构件开裂原因

某海装用构件材料为7系铝合金，构件上有两条距离很近的焊缝，两条焊缝之间的母材热影响区附近出现开裂现象，构件表面油漆脱落。该构件已使用约3 a，使用环境为海洋大气。笔者采用一系列理化检验方法对该构件开裂原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

开裂构件的宏观形貌如图1所示。由图1可知：构件裂纹处表面油漆存在脱落现象，裂纹位于两焊缝中间，将上面的焊缝编号为“上焊缝”，将下面的焊缝编号为“下焊缝”，仅在包含裂纹“上焊缝”焊条在内的母材热影响区断口处取样，裂纹全部位于焊缝的热影响区内，未扩展到焊缝；该断口较为平坦，并存在多个台阶，部分区域可见放射状扩展棱线特征，根据放射状扩展棱线收敛方向判定断口存在两处比较明显的裂纹源，均位于母材表面，呈点源特征，将两处裂纹源分别编号为裂纹源1和裂纹源2；断口裂纹源对应的外表面已形成多个细小腐蚀坑。 

图  1  开裂构件的宏观形貌

1.2   化学成分分析

对开裂构件母材进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：开裂构件的化学成分满足技术要求。 

1.3   扫描电镜（SEM）及能谱分析

利用扫描电镜对裂纹源2进行观察，结果如图2所示。由图2可知：裂纹全部位于母材上，未扩展到焊缝，断口上的扩展棱线汇聚于母材表面，呈点源特征，源区断口上覆盖有一层较厚的腐蚀产物，该裂纹源的外表面可见一个明显的点蚀坑；断口扩展区部分区域有腐蚀产物覆盖，其他区域可见沿晶界开裂的特征形貌，裂纹沿母材的拉长晶粒扩展；构件上还残留有人工打开断口，人工打开断口呈韧窝特征。 

图  2  裂纹源2处SEM形貌

分别对裂纹源及腐蚀坑处进行能谱分析，结果表明：这些部位除含有铝合金基体元素外，还含有C、O元素，以及腐蚀性元素S、Cl等。 

1.4   金相检验

在垂直裂纹源2处截取试样，对试样进行金相检验，结果如图3所示。由图3可知：断口位于“下焊缝”的热影响区，裂纹源位于母材表面，裂纹源处存在沿晶点蚀坑，裂纹从点蚀坑处萌生并扩展，点蚀坑尺寸（长度×宽度）为100 μm×50 μm；裂纹周围未观察到冶金或组织缺陷；焊缝的热影响区也存在一处沿晶点蚀坑，点蚀坑下存在几条细长裂纹，裂纹周围未观察到冶金或组织缺陷。 

图  3  裂纹源2处微观形貌

1.5   透射电镜（TEM）分析

分别对构件未受焊接热影响的母材和焊接热影响区进行透射电镜分析，结果如图4所示。由图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点状η-MgZn2析出相，而热影响区晶界可见较多点状η-MgZn2析出相，这些η-MgZn2析出相在晶界上呈连续的链状分布特征。 

图  4  母材和焊接热影响区的TEM形貌

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：构件母材的化学成分满足技术要求；母材和热影响区不存在冶金缺陷，显微组织未见过热、过烧现象，热影响区有较多的η-MgZn2晶界析出相，该析出相呈连续的链状分布特征。构件的断口起源于外表面点蚀坑处。点蚀坑下萌生裂纹，裂纹沿晶扩展，而人工打开断口呈韧窝特征，所以裂纹呈脆性特征。断口上存在腐蚀性元素。 

应力腐蚀开裂是指在腐蚀介质与拉应力共同作用下的金属脆性断裂现象。一般认为发生应力腐蚀开裂需具备3个基本条件[1]，即敏感材料、特定环境和拉伸应力。7系铝合金在Cl、S离子环境下具有应力腐蚀敏感性[2]。构件工作环境是潮湿的露天海洋，使得构件具备腐蚀性环境，而腐蚀产物中也检测到腐蚀性元素S和Cl。构件上的断口和长裂纹位于下焊缝或上焊缝的热影响区。该部位的焊接残余应力较大[3]，同时叠加了工作应力，具备拉应力的条件。应力腐蚀容易产生于表面点蚀坑处[4]。构件表面点蚀坑的产生原因是：构件表面本来涂有油漆，但长期使用后，局部区域的油漆脱落，在油漆脱落部位形成点蚀。点蚀和应力腐蚀均呈沿晶特征，这是因为在热影响区晶界上析出了呈链状分布的η-MgZn2相，该相属于平衡态相，较稳定。η相与基体完全不共格，其沿晶界呈链状析出时，会导致晶界耐腐蚀性变差。η相的电位低于铝基体，当合金处在腐蚀环境时，晶界处的阳极η相会优先腐蚀[5]，从而导致沿晶界发生点蚀，并造成应力腐蚀也沿晶界发生。 

结合断口特征和应力腐蚀裂纹特征，可以判定构件开裂性质为应力腐蚀开裂，开裂处位于焊接热影响区，起源于表面因油漆脱落形成的腐蚀坑处。表面油漆局部脱落使得构件表面直接接触腐蚀性介质，在焊接热循环作用下，热影响区沿晶析出了链状η-MgZn2相，降低了晶界的耐腐蚀性，且该处存在较大的焊接残余应力，最终导致构件发生腐蚀开裂。 

3.   结论

7系铝合金构件开裂部位均为焊缝热影响区处，起源于表面的点蚀坑，从点蚀坑处萌生应力腐蚀裂纹，表面油漆局部脱落使得构件表面直接接触腐蚀性介质，造成点蚀，热影响区在焊接热循环作用下沿晶析出了链状η-MgZn2相，导致晶界耐腐蚀性变差，且该处存在较大的焊接残余应力，最终导致构件发生开裂。

文章来源——材料与测试网