圖 1 鋁合金氣瓶泄漏部位的宏觀形貌
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在對某鋁合金氣瓶進(jìn)行常溫壓力循環(huán)試驗(yàn)時(shí),在壓力為2～65 MPa的條件下循環(huán)約1萬次后氣瓶發(fā)生泄漏,泄漏處存在裂紋。開裂鋁合金氣瓶的外徑為388 mm,壁厚為8 mm,長度為2 300 mm,工作壓力為52 MPa。該氣瓶的制作工藝流程為：鋁管旋壓收口→固溶時(shí)效處理→機(jī)械加工→纏繞→固化→自緊水壓→成瓶。在鋁合金氣瓶泄漏部位取樣,試樣的弧長為240 mm,長度為200 mm(見圖1)。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對鋁合金氣瓶的開裂原因進(jìn)行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。
1. 理化檢驗(yàn)
1.1 宏觀觀察
對試樣的內(nèi)壁和外壁進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知： 氣瓶內(nèi)壁可見較多的點(diǎn)狀缺陷,泄漏部位內(nèi)壁存在明顯的裂紋,裂紋上存在點(diǎn)狀缺陷,其他部位的點(diǎn)狀缺陷處也可見裂紋。
圖 2 試樣內(nèi)壁和外壁的宏觀形貌
在試樣泄漏部位的斷口處取樣,對試樣進(jìn)行宏觀觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷裂面較為平整,裂紋貫穿整個(gè)壁厚；斷口由2條裂紋匯聚而成,裂紋1和裂紋2均起源于氣瓶內(nèi)壁。
圖 3 泄漏部位斷口宏觀形貌
1.2 化學(xué)成分分析
在開裂氣瓶上取樣,對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：開裂氣瓶的化學(xué)成分滿足GB/T 3190—2008 《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》的要求。
Table 1. 開裂氣瓶的化學(xué)成分分析結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù) | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Cr | Zn | Ti | |
| 實(shí)測值 | 0.56 | 0.27 | 0.20 | 0.09 | 0.9 | 0.25 | 0.004 | 0.047 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | 0.40～0.8 | ≤0.7 | 0.15～0.40 | ≤0.15 | 0.8～1.2 | 0.04～0.35 | ≤0.25 | ≤0.015 |
1.3 力學(xué)性能測試
在氣瓶泄漏部位取樣,對試樣進(jìn)行力學(xué)性能測試,結(jié)果如表2所示。由表2可知：開裂氣瓶的力學(xué)性能滿足GB/T 6893—2010 《鋁及鋁合金拉(軋)制無縫管》的要求。
Table 2. 開裂氣瓶的力學(xué)性能測試結(jié)果
| 項(xiàng)目 | 抗拉強(qiáng)度/MPa | 規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度/MPa | 斷后伸長率/% |
|---|---|---|---|
| 實(shí)測值 | 287 | 318 | 15.5 |
| 標(biāo)準(zhǔn)值 | ≥240 | ≥290 | ≥10 |
1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析
在斷口處截取試樣,對試樣進(jìn)行SEM分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：裂紋源1和裂紋源2均為點(diǎn)源,起始于內(nèi)壁的點(diǎn)狀缺陷處,2個(gè)裂紋源處均附有異物；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見大致平行的疲勞輝紋,符合疲勞斷裂的形貌特征。
圖 4 斷口處的SEM形貌
對裂紋源處的異物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：異物中含有較高含量的S、Cl、O等腐蝕性元素,說明異物為腐蝕產(chǎn)物,內(nèi)壁的點(diǎn)狀缺陷為點(diǎn)腐蝕坑,裂紋起源于點(diǎn)腐蝕坑。
圖 5 裂紋源處異物的能譜分析結(jié)果
裂紋內(nèi)壁其他部位點(diǎn)狀缺陷的能譜分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：其他部位點(diǎn)狀缺陷的能譜分析結(jié)果與裂紋源區(qū)的異物一致,都含有較高含量的S、Cl、O等腐蝕性元素。
圖 6 裂紋內(nèi)壁其他部位點(diǎn)狀缺陷的能譜分析結(jié)果
1.5 金相檢驗(yàn)
在開裂氣瓶上截取金相試樣,將試樣進(jìn)行鑲嵌、磨拋后置于光學(xué)顯微鏡下觀察,試樣的拋光態(tài)微觀形貌如圖7所示。由圖7可知：裂紋由內(nèi)壁點(diǎn)腐蝕坑底部向外壁擴(kuò)展。
圖 7 試樣的拋光態(tài)微觀形貌
將試樣進(jìn)行腐蝕處理,然后將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：試樣的顯微組織為α(Al)＋AlFeMnSi相＋Mg2Si相,顯微組織無異常。
圖 8 試樣的顯微組織形貌
2. 綜合分析
由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知,開裂鋁合金氣瓶的化學(xué)成分和顯微組織均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,氣瓶內(nèi)壁可見大量點(diǎn)狀缺陷,泄漏部位的裂紋起源于氣瓶內(nèi)壁的點(diǎn)狀缺陷處,裂紋擴(kuò)展區(qū)可見大致平行的疲勞輝紋,符合疲勞斷裂的形貌特征。裂紋源區(qū)的點(diǎn)狀缺陷處存在較高含量的S、Cl等腐蝕性元素,說明異物為腐蝕產(chǎn)物。由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,裂紋由內(nèi)壁點(diǎn)腐蝕坑底部向外壁擴(kuò)展。
開裂鋁合金瓶內(nèi)壁接觸了含S、Cl元素的腐蝕性介質(zhì),材料中的質(zhì)點(diǎn)相與腐蝕性介質(zhì)相互作用,使氣瓶內(nèi)壁形成了點(diǎn)腐蝕坑,在對氣瓶進(jìn)行循環(huán)壓力試驗(yàn)時(shí),點(diǎn)腐蝕坑內(nèi)部產(chǎn)生了應(yīng)力集中,形成疲勞裂紋源[1],在交變載荷的作用下,氣瓶發(fā)生了疲勞開裂,裂紋不斷擴(kuò)展直至穿透整個(gè)壁厚,最終導(dǎo)致氣瓶發(fā)生泄漏。
3. 結(jié)論
鋁合金氣瓶發(fā)生泄漏的原因?yàn)椋簹馄績?nèi)壁接觸了腐蝕性介質(zhì),使氣瓶內(nèi)壁產(chǎn)生了點(diǎn)腐蝕坑,在循環(huán)壓力試驗(yàn)過程中,點(diǎn)腐蝕坑作為疲勞裂紋源,使氣瓶在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴(kuò)展,裂紋不斷擴(kuò)展并穿透壁厚,最終造成氣瓶泄漏。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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