劉 俊,王英英

(中國工程物理研究院 機(jī)械制造工業(yè)研究所,綿陽 ６２１９００)

摘 要:采用宏觀及顯微分析、能譜分析、密度測試、硬度試驗等方法,對某 AZ４０M 鎂合金鍛件低倍試片上的不規(guī)則形狀缺陷進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:該不規(guī)則缺陷為鋁、錳、鐵元素組成的化合物偏析,屬于區(qū)域性偏析;該偏析對材料的局部密度和硬度均勻性均有影響;同時由于該區(qū)域含有大量的鐵元素,其耐蝕性能也大大降低.

關(guān)鍵詞:AZ４０M 鎂合金鍛件;不規(guī)則缺陷;化合物偏析;均勻性;耐蝕性

中圖分類號:TG１４６．２＋２;TG３１６．１＋９２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０４Ｇ０３００Ｇ０４

AZ４０M 為 MgＧAlＧZn系列鎂合金,是重要的工業(yè)用變形鎂合金,具有優(yōu)良的強(qiáng)度和延展性,其比強(qiáng)度高于鋁合金和碳鋼的.由于其具有獨特的輕質(zhì)材料 功 能,被 廣 泛 用 于 航 空 航 天 以 及 軍 事 領(lǐng) 域.

AZ４０M 鎂合金的生產(chǎn)主要是通過擠壓、軋制和鍛造等工藝手段實現(xiàn),其常見物理冶金低倍缺陷有夾渣(包括溶劑夾渣)、氣孔、初晶偏析、非金屬夾雜物、大晶粒、縮孔、縮尾、成層、光亮環(huán)、擠壓裂紋等.某單位生產(chǎn)的 AZ４０M 鎂合金鍛件產(chǎn)品,在低倍檢驗時發(fā)現(xiàn)材料的低倍試片上有多處不同于基體材料且形狀復(fù) 雜 的 缺 陷. 缺 陷 最 長 可 達(dá) １５ mm,寬 度 約８mm.筆者對該鍛件產(chǎn)品低倍試片上的缺陷進(jìn)行了宏微觀形貌分析、化學(xué)成分分析以及缺陷對產(chǎn)品整體密度和硬度影響的分析,并對缺陷產(chǎn)生的主要原因和危害進(jìn)行了分析,以期為材料使用者在進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量驗收時提供指導(dǎo)建議.

１ 理化檢驗

１．１ 缺陷宏觀形貌分析

AZ４０M 鎂合 金 鍛 件 產(chǎn) 品 低 倍 試 片 采 用 苦 味酸＋乙酸＋水混合溶液腐蝕,經(jīng)氫氟酸＋水溶液進(jìn)行光亮處理后顯示出低倍組織.由圖１a)可見,缺陷顏色與基體材料本身顏色一致,均呈銀灰色,凸出于基體表面,邊界清晰,沿零件鍛造變形方向分布,與基體 結(jié) 合 較 為 致 密. 采 用 計 算 機(jī) 斷 層 掃 描 儀(CT)對缺陷的宏觀形貌和深度進(jìn)行掃描,結(jié)果見圖１b),可見缺陷貫穿試片整個厚度,從 CT 圖像的灰度值來看,缺陷處材料的密度高于 AZ４０M 鎂合金的,說明缺陷處含有大量原子序數(shù)大于鎂的元素.

１．２ 缺陷微觀形貌分析

在缺陷處切取金相試樣,經(jīng)過粗磨、細(xì)磨、拋光處理,采用１mL硝酸＋１mL乙酸＋１g草酸＋１５０mL水侵蝕液[１]對試樣進(jìn)行化學(xué)侵蝕,在 AxioObserverA１m 光學(xué)顯微鏡(OM)和 KY３２００掃描電鏡(SEM)下觀察缺陷組織形貌,結(jié)果見圖２和圖３.

由圖３可見,高放大倍數(shù)下觀察,缺陷處存在不同形狀的夾雜物相,有長條狀、球狀、立方狀以及不規(guī)則形狀.經(jīng)過化學(xué)侵蝕后,絕大部分長條狀夾雜物在基體組織的晶界上析出,部分在晶粒內(nèi)析出,與基體的聯(lián)系非常脆弱.由于這些夾雜物的耐蝕性相比基體的要好,所以在掃描電鏡下的形貌均是凸出于基體表面,這與缺陷宏觀上的形貌特征相一致.

１．３ 化學(xué)成分分析

圖４ 立方狀結(jié)構(gòu)相成分面掃描和點掃描結(jié)果采用能譜儀(EDS)分析了各種形狀夾雜物相的化學(xué)組分.先采用面掃描方式分析了各元素在基體和不同形狀缺陷上的分布情況,然后采用點掃描方式分析了每種元素的含量.圖４~６以及表１~３分

別為３種典型夾雜物相的成分分析結(jié)果,可見雖然這些夾雜物的形狀不同,但其主要成分都是鎂、錳、鋁的化合物,有些相中含有少量鎂合金常有的雜質(zhì)元素,如鐵、鈣、鈉、鉀等.這些微量雜質(zhì)元素含量不同,相結(jié)構(gòu)也不同.比如:立方狀結(jié)構(gòu)相中鐵和鈉含量較高;條狀結(jié)構(gòu)相中不含有鐵元素,且鈉元素含

Fig.４ Thechemicalcompositionanalysisresultsofa pointＧbyＧpoint

scanningandb arrayscanningofthecubicstructurephase

１．４ 缺陷區(qū)域密度分析

切取包含全部缺陷區(qū)域在內(nèi)試樣以及未有缺陷 試樣共計４件,分別編號為缺陷Ｇ１、缺陷Ｇ２、缺陷Ｇ３、 正常,采用液體靜力衡量法檢測４件試樣的密度,結(jié) 果見表４.可見含有缺陷試樣的密度均高于正常試 樣的,且隨著試樣體積的減小,這種趨勢更加明顯, 這說明缺陷處的化學(xué)組分影響試件的局部密度.

１．５ 缺陷區(qū)域硬度分析

采用小負(fù)荷維氏硬度試驗方法檢測了缺陷試樣和正常試樣的硬度,結(jié)果見表５.可見缺陷對材料硬度的均勻性有一定影響,造成材料局部維氏硬度分散性增大,在缺陷處材料的硬度忽高忽低,極差(最大值與最小值的差值)達(dá)８．７HV,而無缺陷處材料的維氏硬度均勻性非常好,最大值與最小值只差１．１HV.

２ 綜合分析

AZ４０M 鎂合金為 MgＧAlＧZn系列合金,主要元素含量 (質(zhì) 量 分 數(shù),％)如 下:３．０~４．０Al,０．１５~０．５０Mn,０．２０~０．８０Zn,≤０．０４Cu,≤０．００５Ni,≤０．０８Si,≤０．０４Fe,≤０．０１Be,其 他 雜 質(zhì) 元 素 總 和≤０．２０,余 Mg.合金元素的加入能改善鎂合金的組織結(jié)構(gòu)和性能,但是由于鎂的密度小,與一些合金組元的密度相差過大,同時如果這些組元在鎂中溶解度又低的情況下,在熔煉過程中,如工藝控制不當(dāng),很容易造成晶內(nèi)偏析和區(qū)域偏析,如錳、鋅等元素,從而會產(chǎn)生組織缺陷,進(jìn)而影響材料的性能[１].晶內(nèi)偏析可通過組織均勻化來減少和消除.而區(qū)域偏析較為復(fù)雜,消除較為困難,容易沉淀在熔體的底部.同時,鎂合金中最危險的有害雜質(zhì)元素是鐵,鐵在鎂中含量較高時,會使合金的韌性降低,脆性增大,在酸性和潮濕環(huán)境中易發(fā)生原電池腐蝕.這是因為鐵元素不能固溶于鎂中,只能游離分布在晶界,從 而 降 低 鎂 合 金 的 耐 蝕 性 能. 當(dāng) 鐵 含 量 大 于０．０１６％(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)時,鎂合金的腐蝕速率急劇增大[２].AZ４０M 鎂合金中加入錳元素的目的就是為了與嚴(yán)重?fù)p害鎂合金耐蝕性能的雜質(zhì)元素鐵形成高熔點化合物而沉淀出來,減少鐵的有害影響,提高鎂合金的耐蝕性能,同時起到細(xì)化晶粒的作用[３].

目前,降低鎂合金中鐵含量的方法主要是以中間合金或其他形式加入錳元素,使錳與鐵形成復(fù)雜化合物除去或改變鐵的存在形態(tài),但是這樣處理易造成元素的偏析,處理效果難以均勻,如果靜置時間不夠,該化合物會殘留在鎂液中形成夾雜物.研究者為了解決該問題,研制出了一些溶劑除鐵方法,比如上海交通大學(xué)研制的JDMJ鎂合金溶劑內(nèi),加入少量的硼化物可達(dá)到既除鐵又除雜的目的[４].另外,鎂合金在冶煉過程中需加入一些堿金屬溶劑,如處理不當(dāng)容易產(chǎn)生一些溶劑夾雜物,這些溶劑夾雜物主要是堿金屬的氯鹽或氟鹽[５].

AZ４０M 鎂 合 金 中 元 素 鋁 一 般 以 強(qiáng) 化 相β(Mg１７Al１２)相分布在基體α(Mg)相中.微量元素鋅和錳的加入,改變了 Mg１７Al１２ 相的形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征和性能[１].錳在合金中的含量非常低,不到１％.

而鐵元素為雜質(zhì)元素,含量越少越好,但是從圖４~６以及表１~３的分析結(jié)果可知,缺陷處的夾雜物,雖然其形狀不同,但是都含有不同比例的鋁元素和錳元 素,鋁 含 量 在 ３３．５１％ ~６９．９８％,錳 含 量 在２０．３８％~３４．５９％.由此可見,缺陷的產(chǎn)生是因為鋁、錳元素的偏析而形成不同物相結(jié)構(gòu)的夾雜物.

３ 結(jié)論

(１)AZ４０M 鎂合金鍛件中的不規(guī)則缺陷是其在鑄造過程中由于工藝不當(dāng)而產(chǎn)生的區(qū)域性化合物偏析,在后期的鍛造過程中,由于劇烈的熱變形,偏析化合物沿流線方向分布,在低倍腐蝕條件下沿鍛造流線顯示出來.

(２)由于該偏析中含有大量的鐵和錳元素,這將大大降低產(chǎn)品的耐蝕性能,同時影響材料的局部密度.變孔洞成為裂紋源,然后在腐蝕介質(zhì)的作用下,裂紋在晶界處萌生并沿晶界擴(kuò)展,最終造成一次性沿晶脆性斷裂.

３ 結(jié)論及建議

該主汽門閥蓋螺栓斷裂為一次性沿晶脆性斷裂;造成其斷裂的原因是螺栓顯微組織粗大且分布不均勻,在長期的高溫和應(yīng)力作用下,局部位置的晶界發(fā)生蠕變產(chǎn)生蠕變孔洞,然后在腐蝕介質(zhì)的作用下晶界蠕變孔洞處萌生裂紋并沿晶界擴(kuò)展,最終造成螺栓一次性沿晶脆性斷裂.建議加強(qiáng)對螺栓使用前的抽查檢驗;檢修過程中應(yīng)對螺栓進(jìn)行無損檢測,必要時可進(jìn)行現(xiàn)場化學(xué)成分、硬度、金相等項目的檢驗;加強(qiáng)對鍋爐水質(zhì)溶解氧以及pH 值等指標(biāo)的監(jiān)測.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗－物理分冊>2018年>4期> pp.300）