在對某鋁合金氣瓶進行常溫壓力循環(huán)試驗時,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→固溶時效處理→機械加工→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方法對鋁合金氣瓶的開裂原因進行分析,以避免該類問題再次發(fā)生。 

圖  1  鋁合金氣瓶泄漏部位的宏觀形貌

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

對試樣的內(nèi)壁和外壁進行宏觀觀察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知： 氣瓶內(nèi)壁可見較多的點狀缺陷,泄漏部位內(nèi)壁存在明顯的裂紋,裂紋上存在點狀缺陷,其他部位的點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。 

1.3   力學(xué)性能測試

在氣瓶泄漏部位取樣,對試樣進行力學(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。 

1.4   掃描電鏡(SEM)及能譜分析

在斷口處截取試樣,對試樣進行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均為點源,起始于內(nèi)壁的點狀缺陷處,2個裂紋源處均附有異物；裂紋擴展區(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)壁的點狀缺陷為點腐蝕坑,裂紋起源于點腐蝕坑。 

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)壁其他部位點狀缺陷的能譜分析結(jié)果

1.5   金相檢驗

在開裂氣瓶上截取金相試樣,將試樣進行鑲嵌、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)壁點腐蝕坑底部向外壁擴展。 

圖  7  試樣的拋光態(tài)微觀形貌

將試樣進行腐蝕處理,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)壁可見大量點狀缺陷,泄漏部位的裂紋起源于氣瓶內(nèi)壁的點狀缺陷處,裂紋擴展區(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。由金相檢驗結(jié)果可知,裂紋由內(nèi)壁點腐蝕坑底部向外壁擴展。 

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)點相與腐蝕性介質(zhì)相互作用,使氣瓶內(nèi)壁形成了點腐蝕坑,在對氣瓶進行循環(huán)壓力試驗時,點腐蝕坑內(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,裂紋不斷擴展直至穿透整個壁厚,最終導(dǎo)致氣瓶發(fā)生泄漏。 

3.   結(jié)論

鋁合金氣瓶發(fā)生泄漏的原因為：氣瓶內(nèi)壁接觸了腐蝕性介質(zhì),使氣瓶內(nèi)壁產(chǎn)生了點腐蝕坑,在循環(huán)壓力試驗過程中,點腐蝕坑作為疲勞裂紋源,使氣瓶在交變應(yīng)力作用下發(fā)生疲勞擴展,裂紋不斷擴展并穿透壁厚,最終造成氣瓶泄漏。

文章來源——材料與測試網(wǎng)