分享：7075铝合金高锁螺母开裂原因

程全士1,2,黄青梅1,叶凌英1,许永春2

 (1.中南大学材料科学与工程学院,长沙 410000;2.河南省紧固连接技术重点实验室,信阳 464000)

 摘 要:T6态7075铝合金经由热处理转变为 T73态后制造的高锁螺母,在大气环境下服役约 3.5a后多件发生开裂,通过化学成分分析、组织和断口形貌观察、残余应力测试等方法分析了开裂 原因。结果表明:7075铝合金高锁螺母在服役过程发生了应力腐蚀开裂。高锁螺母安装后,其收 口部位产生周向残余拉应力,表面氧化膜层开裂使得金属基体与大气中腐蚀性介质接触;7075铝 合金在由 T6态转变为 T73态的热处理过程中,第二相沿晶界局部连续析出,为裂纹萌生和扩展提 供了通道。在这些因素的共同作用下,高锁螺母发生应力腐蚀开裂。

 关键词:7075铝合金;高锁螺母;失效分析;应力腐蚀;热处理 中图分类号:V19 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2022)10-00106-07

0 引 言 

7075铝合金是铝-锌-镁-铜系高强度变形铝合 金,具有密度低和比强度高等优点,广泛应用于航 空航天和机 械 制 造 等 领 域,是 制 造 航 空 航 天 领 域 紧固件 的 常 用 材 料[1-3]。在 某 型 飞 机 上 使 用 的 规 格为 MJ6×1的高锁螺母,所用材料为7075铝合 金,表面状态为黄色阳极氧化+十六醇润滑,热处 理状态为 T73,其 加 工 工 艺 为 下 料 → 数 控 车 削 加 工→铣六方→固溶+两级时效(T73处理)→攻丝 →表面处理→收口→终检。该型高锁螺母为新产 品,装配后在大气环境 下 服 役 3.5a后,在 飞 机 检 修过程中发 现 多 件 螺 母 出 现 异 常 开 裂 现 象,此 时 螺母的服役时间未超出设计使用寿命。该批开裂 高锁螺母所用原材料为 T6态7075铝合金,T6热 处理制度为470 ℃固溶50min水冷+121 ℃时效 24h空冷。由 于 螺 母 要 求 状 态 为 T73,因 此 在 加 工中 又 进 行 了 T73 热 处 理,T73 热 处 理 制 度 为 470 ℃固溶50 min水 冷 + 两 级 时 效 处 理(107 ℃ 时效8h+177 ℃时效10h空冷)。为了找到开裂 原因、提升装备质量,作者对开裂高锁螺母进行了 失效分析。 106 程全士,等:7075铝合金高锁螺母开裂原因

 1 理化检验及结果

 1.1 化学成分 

选取完全开裂(编号1 # )和未完全开裂(编号2 # ) 的2类螺母进行取样,采用 OPTIMA7000DV 型电感 耦合等离子光谱仪测定化学成分。由表1可知:开 裂螺母的化学成分满足 AMS-QQ-A-225/9中7075 铝合金的成分要求。 表1 1 # 和2 # 开裂螺母的化学成分 Table1 Chemicalcompositionof1 # and2 # crackednuts 项目 质量分数/% Zn Mg Cu Cr Fe Si Mn Ti 1 # 螺母 5.26 2.74 1.35 0.25 0.41 0.32 0.27 0.16 2 # 螺母 5.37 2.68 1.42 0.23 0.45 0.29 0.25 0.14 标准要求 5.1~6.1 2.1~2.9 1.2~2.0 0.18~0.28 ≤0.50 ≤0.40 ≤0.30 ≤0.20

 1.2 宏观形貌 

观察1 # 和2 # 开裂螺母的形貌,并将这两个螺 母从开裂处打开观察断口宏观形貌。1 # 螺母贯穿 型裂纹打开后的断口为原始断口,2 # 螺母非贯穿型 裂纹打开后的断口上存在原始断口和人工断口2个 部分。由图1可以看出:2个螺母表面均存在拆卸 导致的机械损伤痕迹,裂纹均位于收口部位且沿纵 向开裂;1 # 螺母外表面两处收口部位各存在1条贯 穿型裂纹,原始断口呈木纹状特征;2 # 螺母也存在2 条裂纹,均在收口处,其中1条为贯穿型裂纹,另1条 未完全裂开,未完全裂开的裂纹由断径槽处沿纵向扩 展至法兰面上方;2 # 螺母未贯穿型裂纹原始断口的 宏观形貌与1 # 螺母原始断口相似,人工断口呈灰色。 若无特指,后文2 # 螺母的裂纹均指未贯穿型裂纹。

1.3 断口微观形貌

 在 EVO18型扫描电镜(SEM)下观察原始断口 和人工断口的微观形貌,用附带的能谱仪(EDS)对 原始断口进行微区成分分析。由图2可以看出:1 # 螺母的原始断口较为平齐,整体呈木纹状沿晶形貌, 局部存在泥纹花样等应力腐蚀特征;2 # 螺母未贯穿 裂纹原始断口(a区)呈沿晶特征,与1 # 螺母断口相 似,人工断口(b区)为韧窝形貌,未见明显气孔、夹 杂物等冶金缺陷。 由表2对比表1可以看出,1 # 和2 # 螺母原始断 口上除了含有7075铝合金基体元素外,还存在少量 氯、硫等腐蚀性元素。

 1.4 显微组织

 在1 # 螺母和2 # 螺母原始裂纹处与远离裂纹处 纵向取金相试样,按照 GB/T3246.1-2000制样, 腐蚀剂为2mL氢氟酸+5mL硝酸+3mL盐酸+ 107 程全士,等:7075铝合金高锁螺母开裂原因 图2 1 # 和2 # 开裂螺母沿裂纹打开后的断口微观形貌 Fig 2 Fracturemicromorphologybyopeningcracksof1 # a-d and2 # e-h crackednuts a e low magnification morphology b enlargedviewofareaa c enlargedviewofareab d enlargedviewofareac f enlargedviewofareae g enlargedviewof areafand h enlargedviewofareag 表2 1 # 和2 # 开裂螺母原始断口的 EDS分析结果 Table2 EDSanalysisresultsonoriginalfractureof1 # and2 # crackednuts 试样 质量分数/% O Na Mg Al Si P S Cl K Ca Cu Fe Zn 1 # 螺母 29.03 4.93 1.88 27.21 8.04 2.15 2.76 7.38 2.56 8.94 - 3.32 1.80 2 # 螺母 21.48 3.02 1.87 59.75 6.03 - 0.85 2.08 - - 2.11 2.19 2.49 190mL水,在Image.A1m 型光学显微镜下观察裂 纹形貌和显微组织。由图3可知:1 # 和2 # 螺母的 主裂纹两侧均存在二次裂纹,主裂纹和二次裂纹都 表现出沿晶扩展形貌;开裂螺母的晶粒均沿纵向呈 挤压状形貌,未见晶粒粗大、复熔球和三角晶界等典 型的铝合金过烧组织形貌。

 1.5 硬 度

 在1 # 和2 # 螺母支撑面横截面上,使用 FV-800 型维氏硬度计进行硬度测试,载荷为29.42N,保载 时间为15s,各测3个点取平均值。该型螺母的维 氏硬度要求不低于143HV。试验测得1 # ,2 # 螺母 的硬度均约为172HV,二者之间未见明显差异,并 且满足要求。 

1.6 残余应力

 采用与开裂螺母相同的7075铝合金(经 T6+ T73热处理)和相同的加工方式加工出壁厚为1.25mm 的高锁螺母。从该批次壁厚1.25mm 高锁螺母以及 与开裂螺母同批次完好未使用螺母(壁厚0.75mm) 108 程全士,等:7075铝合金高锁螺母开裂原因 图3 1 # 和2 # 开裂螺母裂纹形貌及远离裂纹处的纵向显微组织 Fig 3 Crackmorphology a c andlongitudinalmicrostructuresfarawayfromcracks b d of1 # a-b and2 # c-d crackednuts 图4 同批次未使用高锁螺母表面氧化膜层形貌 Fig 4 Oxidefilm morphologyonsurfaceofthesamebatchofunusedhighlocknuts a atclosingpositionand b atnon-closingposition 中各取 3 个,施加相同的安装扭 矩 后,用 Xstress3000型 X 射线残余应力分析仪对收口部位进行残 余应力测试,在每个螺母上沿周向取3点测试。由 表3可以看出,在相同的安装扭矩下,2种壁厚高锁 螺母收口部位的周向应力均为拉应力,壁较薄螺母 的残余拉应力水平更高。

 1.7 氧化膜层

 由加工工 艺 可 知,开 裂 螺 母 在 收 口 之 前 进 行 了表面黄色阳极氧化+十六醇润滑处理。服役后 高锁螺母收 口 部 位 的 表 面 氧 化 膜 层 发 生 破 坏,因 此选择同批次未使用螺母,在 EVO18型扫描电镜 下观察收口 部 位 和 其 他 部 位 表 面 膜 层 的 完 整 性。 由图4可知,高 锁 螺 母 收 口 部 位 的 表 面 氧 化 膜 层 存在多条平 行 分 布 的 微 裂 纹,而 非 收 口 部 位 的 氧 化膜层完整,无开裂现象。 表3 不同壁厚高锁螺母收口部位的周向残余应力 Table3 Circumferentialresidualstressesatclosingpositionsof highlocknutswithdifferentwallthickness 壁厚/ mm 残余应力/MPa 测试值 平均值 0.75 268,301,278,275,286,282,230,282,272 275 1.25 136,145,136,181,210,145,256,197,122 170 1.8 热处理工艺对材料晶粒和第二相的影响 选择3种工艺热 处 理 后 的 7075 铝 合 金 进 行 晶粒 取 向 研 究:一 种 是 只 进 行 了 T6 热 处 理 的 7075铝合金;一种 为 与 开 裂 螺 母 同 批 次 原 材 料, 在进行 T6热处理的基础上再进行 T73热处理的 7075铝合金;第 3 种 是 只 进 行 了 T73 热 处 理 的 7075铝合金。在试 样 心 部 取 样,在 EVO18 型 扫 描电镜上应用电 子 背 散 射 衍 射(EBSD)技 术 进 行 109 程全士,等:7075铝合金高锁螺母开裂原因 晶粒取向和反极图(IPF图)分析。反极图中黑色 为大角度晶 界,晶 粒 取 向 差θ>15°;红 色 为 小 角 度晶界,2°<θ<15°。 由 图 5 可 以 看 出:T6 态 合 金的 晶 粒 呈 纤 维 状,晶 粒 度 最 为 均 匀;仅 进 行 T73热处理的合金的小角度晶界数量多于 T6态 合金,表明 其 晶 粒 尺 寸 要 小 于 T6 态 合 金;对 T6 态合金再进行 T73热处理后,晶粒发生一定程度 长大,平均晶粒尺寸由 T6态合金的13.93μm 长 大至21.37μm,而 仅 进 行 T73 热 处 理 的 合 金 的 晶粒尺寸为12.52μm。 图5 不同工艺热处理后7075铝合金纵截面晶粒组织IPF图和晶粒取向差分布 Fig 5 IPFdiagramsofgrainstructure a c e anddistributionofgrainorientationdifference b d f onlongitudinalsectionof7075aluminum alloyafterheattreatmentbydifferentprocesses a-b T6heattreatment c-d T73heattreatmentand e-f T6+T73heattreatments 图6 不同工艺热处理后7075铝合金中第二相形貌 Fig 6 Secondphasemorphologyof7075aluminumalloyafterheattreatmentbydifferentprocesses a T6heattreatment b T73heattreatmentand c T6+T73heattreatments 在3种工艺热处理后的合金横截面心部取样, 经离子减薄处理后,使用 Spectra300 型透射电镜 (TEM)观察第二相形貌。由图6可以看出:3种热 处理工艺下,合金晶内均析出大量细小、弥散分布的 第二相,呈球状和短棒状;T6态合金中的晶内第二 相最为细小,第二相在晶界呈局部连续状分布;仅进 行 T73热处理的合金的晶内第二相发生粗化,且在 晶界处第 二 相 呈 点 状 分 布;对 T6 态 合 金 再 进 行 T73热处理后,第二相在晶内呈弥散分布,尺寸较 T6态合金粗大,比仅进行 T73热处理的合金细小, 第二相在晶界呈局部连续状分布。

 2 开裂原因分析 

由理化检验结果可知:1 # 和2 # 开裂螺母的化 学成分和硬度均满足标准要求;其原始断口较为平 齐,未见明显塑性变形痕迹,断口呈木纹状沿晶形 貌,局部可见泥纹花样,并且存在氯、硫等腐蚀性元 素;在主裂纹两侧存在较多的二次裂纹,主裂纹和二 110 程全士,等:7075铝合金高锁螺母开裂原因 次裂纹均呈沿晶开裂形貌;显微组织未见晶粒粗大、 复熔球及三角晶界等铝合金典型过烧形貌;高锁螺 母安装后其收口部分产生了较高的周向残余拉应 力,收口部分表面氧化膜层存在明显开裂特征;高锁 螺母所用7075铝合金经历了 T6+T73热处理,晶 界上析出了粗大的第二相,第二相在晶界处呈局部 连续状。 通常回火脆性、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆 以及过热、过烧引起的脆性断口大都为沿晶特征。 开裂 螺 母 材 料 为 7075 铝 合 金,不 存 在 回 火 脆 性; 7075铝合金的强度较低,一般不发生氢脆;螺母表 面进行了阳极氧化+十六醇润滑处理,不存在低熔 点金属如镉等,可排除液体金属致脆因素;显微组织 正常,未见晶粒粗大、复熔球及三角晶界等铝合金典 型过烧形貌,可排除过热、过烧因素。应力腐蚀发生 的条件包括:材料具有应力腐蚀敏感性,受力状态必 须为拉应 力,材 料 所 处 环 境 中 存 在 特 定 的 腐 蚀 介 质[4-5]。7075铝合金是氯离子敏感材料[6]。高锁螺 母要求材料状态为 T73态,而库存7075铝合金材 料仅有 T6态,因此为满足产品状态要求,又对7075 铝合金进行了 T73热处理;处理后7075铝合金的 晶粒相比于原始 T6态发生粗化,导致应力腐蚀敏 感性提高[7] ;与仅进行 T73热处理的合金相比,由 T6态转变为 T73态的合金晶界上析出了粗大的第 二相,局部还呈连续状分布,这种晶界上连续析出的 第二相提升了材料的应力腐蚀敏感性,并且为腐蚀 电流提供了一个链状的阳极腐蚀通道,使得腐蚀裂 纹沿晶界扩展[8-9]。开裂高锁螺母的服役环境为大 气环境,其收口部位表面氧化膜层存在裂纹,导致螺 母基体直接接触大气环境;而因工业化发展,大气环 境中普遍存在氯离子,这为螺母应力腐蚀开裂提供 了必要的腐蚀介质[10],开裂螺母原始断口上存在的 氯离子也证实了这点。残余应力分析结果显示,高 锁螺母安装后其收口部分产生了较高的残余拉应 力。综上判 断,7075 铝 合 金 高 锁 螺 母 在 服 役 过 程 中,受到腐蚀性介质和持续的周向残余拉应力作用 而发生应力腐蚀开裂,随着服役时间的延长裂纹逐 步扩展直至完全开裂。

 3 结论与建议

 (1)7075铝合金高锁螺母在服役过程中发生 应力腐蚀开裂。高锁螺母安装后,其收口部位产生 了周向残余拉应力,表面氧化膜层开裂使得金属基 体与腐蚀性大气环境接触;7075铝合金在由 T6态 转变为 T73态的热处理过程中,第二相沿晶界局部 连续析出,为裂纹萌生和扩展提供了通道。在上述 因素的共同作用下,螺母发生应力腐蚀开裂。 (2)为降低该7075铝合金高锁螺母应力腐蚀 开裂风险,应选用直接进行 T73热处理的7075铝 合金,避免在热处理过程中第二相在晶界的连续析 出,降低应力腐蚀敏感性;通过增加螺母壁厚,降低 其收口部位周向残余拉应力水平;将表面处理工序 调整至收口工序后,避免氧化膜层在收口时开裂。

来源：材料与测试网