5083鋁合金攪拌摩擦焊縫應(yīng)力腐蝕行為＊

袁鴿成，李仲華，朱振華，路浩東，吳其光

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510090）

5083鋁合金攪拌摩擦焊縫應(yīng)力腐蝕行為＊

袁鴿成，李仲華，朱振華，路浩東，吳其光

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510090）

在慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)機(jī)上，分別測定了5083－H321鋁合金板材及其攪拌摩擦焊焊縫在空氣和3．5%NaCl溶液中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線；借助光學(xué)顯微鏡、顯微硬度儀、動電位掃描儀及掃描電子顯微鏡分析了焊縫和母材的微觀組織、硬度分布、極化曲線及應(yīng)力腐蝕斷口的微觀形貌．結(jié)果表明：焊縫的斷裂強(qiáng)度及表層硬度分別達(dá)到母材強(qiáng)度及硬度的96%和90%，伸長率超過母材的2倍；應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)低于母材；焊縫應(yīng)力腐蝕斷口呈現(xiàn)與母材斷口不同的混合型斷裂形貌．焊縫的細(xì)晶組織及第二相溶解是其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于母材的本質(zhì)原因．

5083鋁合金；攪拌摩擦焊；慢應(yīng)變速率拉伸；應(yīng)力腐蝕

攪拌摩擦焊（FSW）是一種節(jié)能環(huán)保的先進(jìn)固相連接技術(shù)，自1991年由英國焊接研究所（TWI）發(fā)明至今［1］，在交通運(yùn)輸、航空航天、船舶制造等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊．國內(nèi)外已有一些關(guān)于2XXX及7XXX系鋁合金FSW 工藝及性能的研究報(bào)道［2－3］，而對5XXX系鋁合金FSW研究相對較少．5083作為一種不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好的焊接性能、抗蝕性能及加工性能，廣泛應(yīng)用于船舶制造及海洋運(yùn)輸．而在海水環(huán)境中，氯離子（Cl－）會導(dǎo)致鋁合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕（SCC）．應(yīng)力腐蝕是一種經(jīng)常發(fā)生在遠(yuǎn)低于金屬材料屈服強(qiáng)度下的脆性斷裂，危害極大，因此研究鋁合金在氯離子環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕行為具有重要的意義［4］．可是，國內(nèi)外對該合金FSW焊縫的應(yīng)力腐蝕行為及機(jī)理研究，還鮮見報(bào)道［5］．本文在模擬海水環(huán)境下，研究了5083鋁合金FSW焊縫的應(yīng)力腐蝕行為，并探討了其腐蝕機(jī)理，為開發(fā)船用5xxx系鋁合金FSW綠色制造工藝及其性能評價(jià)或優(yōu)化提供依據(jù)．

1 試驗(yàn)方法

被焊材料為5083－H321鋁合金壁板，單塊尺寸為250 mm×80 mm×4mm（長×寬×厚）．焊接設(shè)備為小型攪拌摩擦焊機(jī)，攪拌頭軸肩直徑22 mm，設(shè)計(jì)為光滑凹槽形狀，攪拌針設(shè)計(jì)為帶有螺紋的圓臺形狀，長3．4 mm，近軸肩處直徑7 mm，另一端直徑6 mm．焊接速度為80 mm／min，攪拌轉(zhuǎn)速為700 r／min，焊接傾角為3°，下壓量為0．5 mm．采用慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）試驗(yàn)機(jī)測定焊縫及母材在空氣和3．5%NaCl溶液中的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，應(yīng)變速率為3．3×10－5s－1．母材及焊縫硬度和金相樣品經(jīng)粗磨，拋光后，分別采用HVS－5型號硬度儀測定表面硬度分布，壓力4．9 N，保壓時(shí)間10 s；焊縫橫截面用自配混合酸試劑侵蝕，采用leicaDMI－5000M數(shù)字式倒置光學(xué)顯微鏡（OM）拍攝金相．采用PS－268A型電化學(xué)測量儀測定極化曲線．采用Hitachi S－3400N掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌．

2 結(jié)果與討論

2．1 應(yīng)力－應(yīng)變曲線

母材及焊縫在空氣和3．5%NaCl溶液中的慢拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線分別如圖1（a）和（b）所示．從圖可見，無論在空氣還是溶液中，母材的抗拉強(qiáng)度都略高于焊縫，而焊縫的延伸率都遠(yuǎn)高于母材．各曲線抗拉強(qiáng)度及延伸率的數(shù)值分別列于表1．從表中可見，母材及焊縫在空氣中的抗拉強(qiáng)度和延伸率都比溶液中略低，說明發(fā)生了輕微的應(yīng)力腐蝕．采用如下公式［6］計(jì)算二者的應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)：

式（1）中：σfw、σfA分別為腐蝕介質(zhì)及惰性介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度，單位為MPa；δfw和δfA分別為腐蝕介質(zhì)及惰性介質(zhì)中的延伸率．一般地，0＜ISSRT＜1，材料SCC敏感性隨該指數(shù)增大而增強(qiáng)．上式以腐蝕及惰性介質(zhì)的抗拉強(qiáng)度和延伸率為綜合指標(biāo)可更準(zhǔn)確地評價(jià)材料的抗SCC性能．計(jì)算得到的母材和焊縫的應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)分別為0．17和0．06，說明焊縫的抗SCC性能優(yōu)于母材．

圖1 母材及焊縫慢速率拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線

表1 5083鋁合金母材及焊縫的應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)

圖2 空氣中慢拉伸斷口

2．2 斷口形貌

斷口形貌是反映材料是否發(fā)生SCC的另一特征．母材及焊縫在空氣中的SSRT斷口如圖2．從圖可見，兩者均為韌性斷口形貌，焊縫斷口韌窩較深而大，表現(xiàn)出明顯高于母材的延伸率．

圖3為母材及焊縫在溶液中的SSRT斷口形貌．從圖3（a）可見，母材斷口韌窩幾乎消失，宏觀端口幾乎無頸縮現(xiàn)象，盡管仍有近10%的均勻伸長率，但微觀斷口仍呈現(xiàn)出與軋制帶狀組織相關(guān)的層狀臺階形脆斷形貌；焊縫斷口形貌與母材不同，呈現(xiàn)淺小韌窩及準(zhǔn)解理的混合斷口形貌．

圖3 溶液中慢拉伸斷口

圖4 焊縫金相組織

圖5 焊縫硬度分布

由表1知FSW焊縫的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到母材的96%，可見FSW焊接效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)焊接方法．與傳統(tǒng)熔焊焊縫分區(qū)不同，F(xiàn)SW焊接過程中熱量及塑性變形的共同作用將焊縫劃分為焊核區(qū)、熱力影響區(qū)及熱影響區(qū)三個微觀組織不同的區(qū)域．圖4為母材及焊縫后退側(cè)各區(qū)的金相組織．4（a）母材為典型的軋制變形組織；經(jīng)攪拌工具作用，在焊核區(qū)形成了細(xì)小的再結(jié)晶等軸晶，如圖4（b）所示，并且焊核區(qū)的位錯密度減?。?］．而熱力影響區(qū)則為塑性變形組織，可看出晶粒有沿?cái)嚢栊D(zhuǎn)剪切方向產(chǎn)生塑性流動的痕跡，如圖4（c）所示，熱影響區(qū)晶粒發(fā)生長大，如圖4（d）．焊縫區(qū)的第二相被攪拌工具攪碎或者由于熱量輸入溶解于基體中，所以焊縫區(qū)第二相比母材明顯減少．因此，焊縫區(qū)晶粒細(xì)小及位錯密度的降低導(dǎo)致焊縫延伸率明顯高于母材．

圖5顯示了5083鋁合金FSW焊縫表層硬度沿焊縫橫向的分布，圖中AS及RS分別為焊縫前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)，NZ、TMAZ及HAZ分別為焊核區(qū)、熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)．從圖可見，相比析出型強(qiáng)化合金，該合金的硬度分布較均勻，平均硬度達(dá)到母材的90%，反應(yīng)了焊縫性能較均勻，這與焊縫仍具有很高的抗拉強(qiáng)度值極為一致．但也可發(fā)現(xiàn)，硬度分布亦有較小波動，細(xì)小等軸晶導(dǎo)致中心硬度略高；前進(jìn)側(cè)硬度出現(xiàn)一峰值，應(yīng)與表層焊核區(qū)“洋蔥環(huán)”尖的擴(kuò)展流動相關(guān)，軸肩邊緣處因明顯的晶粒粗化而顯示出最低硬度值．

自腐蝕電位高低一般地可以反映材料抗腐蝕性能的好壞，母材與焊縫的極化曲線如圖6所示．從圖可見，母材及焊縫的自腐蝕電位分別為－0．82 V和－0．77 V，焊縫的自腐蝕電位略高于母材．由此可推測焊縫的抗腐蝕性能要優(yōu)于母材，與上述SSRT結(jié)果相吻合．實(shí)際上，從圖4還可見，母材中含有較多的第二相，作者另一論文已證實(shí)這些第二相多為β相（Mg5Al8）［8］，易分布于晶界．文獻(xiàn)［9］指出基體的自腐蝕電位高于β相電位，分別為－0．82 V和－1．15 V，b相沿晶分布嚴(yán)重降低材料抗SCC性能．本文作者已在論文［8］中采用TEM研究了5083鋁合金中b相的分布形態(tài)，F(xiàn)SW過程產(chǎn)生的剪切變形及熱量可使焊縫中的第二相細(xì)化及部分溶解，減少b相在晶界分布，因此提高了焊縫的抗SCC性能．

圖6 母材及焊縫的極化曲線

3 結(jié) 論

（1）5083鋁合金FSW焊縫及母材的SSRT應(yīng)力腐蝕敏感指數(shù)分別為0．06和0．17，焊縫抗SCC性能優(yōu)于母材，母材應(yīng)力腐蝕斷口呈現(xiàn)出與軋制帶狀組織相應(yīng)的層狀臺階形脆斷形貌，而焊縫斷口呈現(xiàn)淺小韌窩及準(zhǔn)解理的混合斷口形貌．

（2）焊縫的斷裂強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的96%，焊縫的表層硬度沿其橫向分布波動較小，平均硬度值達(dá)到母材硬度的90%，伸長率超過母材的2倍．

（3）焊縫的自腐蝕電位略高于母材，分別為－0．77V和－0．82 V；焊縫的細(xì)小再結(jié)晶組織及第二相溶解是其抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于母材的本質(zhì)原因．

［1］欒國紅，柴鵬．?dāng)嚢枘Σ梁讣夹g(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］．金屬加工，2004，24：19－22．

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［4］劉繼華．高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)力腐蝕測試方法綜述與評價(jià)［J］．材料工程，2007，10：76－80．

［5］王文，王快社，郭群，等．鋁合金攪拌摩擦焊接接頭應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展［J］．熱加工工藝，2009，38（23）：6－8．

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The friction stir welds performance of stress corrosion cracking for 5083 aluminum alloy plate

YUAN Ge－cheng，LI Zhong－h(huán)ua，ZHU Zhen－h(huán)ua，LU Hao－dong，Wu Qi－guang
（Faculty of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Friction stir welding （FSW）is conducted for 5083－H321 aluminum alloy plates．The stressstrain curves of joints and parent metal（PM）in air and 3．5%NaCl solution were tested by using slow strain rate tention（SSRT）tester，respectively．The microstructure，polarization potential，fracture of stress corrosion cracking（SCC）and hardness were analyzed by using optical microscope（OM），hardness tester，potentiodynamic scanner and scanning electron microscope（SEM）．The results show that the rupture strength and hardness of joints reaches 96 and 90 percent of those of PM，respectively．The elongation of joints is more than 2 times of that of PM．The SCC susceptibility index of joints is lower than that of PM．The SCC fracture shows mixed－type crack feature，which is different from that of PM．The fine microstructure and the dissolution of the second phase are the substantial reasons why the joints have better properties of anti SCC than that of PM．

5083 aluminum alloy；friction stir welding；slow strain rate tension；stress corrosion cracking

TG172

A

1673－9981（2010）04－0509－05

2010－10－27

廣東省重大科技專項(xiàng)（2008A090300004）；廣東省教育廳211學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目

袁鴿成（1963—），男，博士，教授．