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    7A52鋁合金焊接件應(yīng)力腐蝕性能評價(jià)

    2013-09-14 00:45:08張曉云梅克力熊文華郭孟秋
    材料工程 2013年10期
    關(guān)鍵詞:焊接件收縮率伸長率

    張曉云,梅克力,熊文華,郭孟秋,高 健

    (1北京航空材料研究院,北京 100095;2重慶長安汽車責(zé)任有限公司,重慶 400023)

    7A52鋁合金是中強(qiáng)可焊合金結(jié)構(gòu)材料,其熔鑄方便、成形性好,經(jīng)軋制能獲得比較理想的板材,具有高的比強(qiáng)度、硬度、熱加工性能好、塑性好、焊接性能優(yōu)良、耐蝕性和韌性好等優(yōu)點(diǎn),是航空航天器與地面車輛和裝備的主要焊接結(jié)構(gòu)材料。7A52鋁合金是Al-Zn-Mg-Cu系合金,屬于可熱處理強(qiáng)化合金,通過改進(jìn)固溶處理和時(shí)效工藝,可使其性能得到改善。7A52鋁合金的抗剝蝕能力較差[1,2],通過不同的熱處理或元素成分調(diào)整可提高其抗應(yīng)力腐蝕性能,但是以犧牲強(qiáng)度和降低焊接性能為代價(jià)。7A52常用的焊接工藝為金屬焊條惰性氣體(MIG)焊接,焊接中容易存在氣孔和變形,影響使用性能[3]。因此,提高其抗應(yīng)力腐蝕性能,必須綜合考慮強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕和焊接性能之間的制約關(guān)系[4,5]。

    應(yīng)力腐蝕的測試實(shí)驗(yàn)方法比較常用的有慢應(yīng)變速率拉伸(Slow Strain Rate Tension,SSRT)實(shí)驗(yàn)、恒載荷實(shí)驗(yàn)、恒變形或恒位移實(shí)驗(yàn)等,廣泛應(yīng)用于研究合金的化學(xué)成分、熱處理及顯微組織、電化學(xué)效應(yīng)、環(huán)境介質(zhì)等對其抗應(yīng)力腐蝕性能的研究[6-11]。本工作應(yīng)用慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法(SSRT)和恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法研究了7A52鋁合金焊接件的抗應(yīng)力腐蝕性能。

    1 實(shí)驗(yàn)

    1.1 實(shí)驗(yàn)材料

    焊板以7A52鋁合金作基材、使用5A56焊絲(化學(xué)成分見表1),采用雙絲氣體保護(hù)焊(MIG)工藝,雙面焊制成。焊板經(jīng)去應(yīng)力回火處理,探傷檢測合格后加工制作試樣。慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)用試樣形狀和尺寸參見HB 7235—95 ,恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)用試樣形狀和尺寸參見HB 5254—83[13],焊縫位于試樣工作段的中間部位。

    表1 7A52合金和5A56焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical composition of 7A52aluminum alloy and 5A56welding wire(mass fraction/%)

    1.2 實(shí)驗(yàn)方法

    1.2.1 慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

    參照GB/T 15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕 第7部分 慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)》[14]和 HB 7235—95《慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法》[12]進(jìn)行。

    1.2.2 恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

    參照GB/T 15970.4—2000《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕 第4部分 單軸加載拉伸試樣的制備和應(yīng)用》[15]和 HB 5254—83《變形鋁合金拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法》[13]進(jìn)行。

    2 結(jié)果與分析

    2.1 焊接試樣的力學(xué)性能

    焊接試樣的力學(xué)性能見表2,表2中數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣的平均值。與不同熱處理狀態(tài)的板材性能[2]相比較,焊接件的抗拉強(qiáng)度有所降低。

    表2 焊接試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of welding sample

    2.2 慢應(yīng)變速率拉伸(SSRT)應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

    SSRT實(shí)驗(yàn)分別在硅油(25℃)和3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液(25,35,45,55℃)中進(jìn)行,應(yīng)變速率選擇5×10-6s-1和5×10-7s-1兩種,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3,4,數(shù)據(jù)為3~5個(gè)平行試樣的平均值,以斷裂在焊接部位的試樣為有效試樣。SSRT條件下,評定合金應(yīng)力腐蝕敏感性的指標(biāo)包括斷裂應(yīng)力σ、斷裂時(shí)間t、斷裂能E以及斷口形貌特征的輔助分析等。腐蝕環(huán)境中斷裂應(yīng)力越小且斷裂時(shí)間越短的合金,其應(yīng)力腐蝕敏感性越大。應(yīng)力腐蝕敏感性越大的合金,其力學(xué)性能,如伸長率δ、斷面收縮率Φ相應(yīng)的也要降低。根據(jù)在環(huán)境和惰性介質(zhì)中斷面收縮率的比值ΦCS/ΦIM判定材料的應(yīng)力腐蝕敏感性,一般認(rèn)為ΦCS/ΦIM>95%時(shí)材料沒有應(yīng)力腐蝕敏感性。

    表3 7A52在不同介質(zhì)中,應(yīng)變速率為5×10-6s-1時(shí)的伸長率、斷面收縮率和斷裂強(qiáng)度Table 3 Mechanical properties of 7A52in silica oil and 3.5%NaCl at the strain rate 5×10-6s-1

    表4 7A52在不同介質(zhì)中,應(yīng)變速率為5×10-7s-1時(shí)的伸長率、斷面收縮率和斷裂強(qiáng)度Table 4 Mechanical properties of 7A52in silica oil and 3.5%NaCl at the strain rate 5×10-7s-1

    從表3和表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直觀地看出,在3.5%NaCl溶液中,兩種應(yīng)變速率下,均表現(xiàn)為隨著溶液溫度的升高,斷裂時(shí)間縮短,抗拉強(qiáng)度下降。以應(yīng)變速率5×10-6s-1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)時(shí),在不同溫度下,伸長率、斷面收縮率的變化不明顯;但以應(yīng)變速率5×10-7s-1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)時(shí),隨著溶液溫度的升高,伸長率、斷面收縮率呈下降趨勢(見圖1)。

    將SSRT獲得的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)加以處理,得到的ISSRT綜合指數(shù)較單項(xiàng)力學(xué)性能指數(shù)能更好地反映應(yīng)力腐蝕敏感性,ISSRT從0到1表示應(yīng)力腐蝕敏感性漸增。ISSRT計(jì)算公式如下[16]:

    圖1 溫度和應(yīng)變速率對斷面伸長率(a)和收縮率(b)的影響Fig.1 The effect of temperature and strain rate on elongation(a)and rate of area reduce(b)

    式中:σfw為在環(huán)境介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度,MPa;σfA為在惰性介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度,MPa;δfw為在環(huán)境介質(zhì)中的斷裂伸長率,%;δfA為在惰性介質(zhì)中的斷裂伸長率,%。

    將25℃下在硅油和3.5%NaCl溶液中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(見表5)。

    表5 25℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的SCC敏感性比較Table 5 SCC susceptibility at 25℃and different strain rates

    如果僅通過ΦCS/ΦIM來評價(jià),以應(yīng)變速率為5×10-6s-1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn),7A52焊接試樣具有一定的SCC敏感性,而以應(yīng)變速率為5×10-7s-1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn),7A52焊接試樣無SCC敏感性。

    根據(jù)綜合指數(shù)ISSRT來看,兩種拉伸速率下的ISSRT值均遠(yuǎn)小于1,可以認(rèn)為7A52焊接試樣SCC敏感性很低,具有良好的抗SCC能力。

    以ΦCS/ΦIM指標(biāo)作為SCC敏感性的評價(jià)指標(biāo),與以綜合指數(shù)ISSRT作為SCC敏感性的評價(jià)指標(biāo),得出的SCC敏感性評價(jià)結(jié)果存在差異。原因是在硅油中進(jìn)行的SSRT實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù),應(yīng)變速率5×10-7s-1下的分散性比5×10-6s-1下的大,因此,以平均值計(jì)算ΦCS/ΦIM值的數(shù)據(jù)的誤差相對要大些。并且ΦCS/ΦIM計(jì)算時(shí)僅涉及材料的斷面收縮率一個(gè)性能指標(biāo),而ISSRT計(jì)算時(shí)涉及材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率兩個(gè)性能指標(biāo),因此以ISSRT為SCC敏感的判據(jù),較之以ΦCS/ΦIM為判據(jù)更為全面、準(zhǔn)確。

    從斷口微觀可以看出,焊接部位普遍存在氣孔(圖2(a)和圖2(c)),正常焊接組織呈多孔蜂窩狀(圖2(b)和圖2(d))。

    對比兩種不同拉伸速率下的斷口微觀可以發(fā)現(xiàn),在3.5%NaCl溶液中,應(yīng)變速率為5×10-7s-1下的斷口呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征(見圖3);而應(yīng)變速率為5×10-6s-1下,相似形態(tài)的斷口僅出現(xiàn)在溫度較高(55℃)的情況下(見圖4)。

    綜合力學(xué)性能指標(biāo)評價(jià)結(jié)果和微觀斷口形貌分析,盡管7A52焊接件具有較好的抗應(yīng)力腐蝕能力,但在7A52焊接試樣的SSRT實(shí)驗(yàn)中,選擇應(yīng)變速率為5×10-7s-1進(jìn)行實(shí)驗(yàn),既能夠反映7A52焊接試樣在不同環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性,又能夠在比較短的時(shí)間得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

    為了比較存在微觀缺陷和具有表面保護(hù)涂層時(shí)對應(yīng)力腐蝕敏感性的影響,在35℃,3.5%NaCl溶液中,以應(yīng)變速率5×10-6s-1進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)(每組4個(gè)平行試樣),一組人為制造缺陷,即在試樣的工作部位(即焊接部位)線切割制造了寬為0.2mm、長度為1mm的缺口;一組為按照實(shí)際使用情況對鋁合金進(jìn)行陽極氧化后噴涂防護(hù)涂層;一組為焊接后未進(jìn)行熱處理的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

    可見,與在同等條件下無缺陷的試樣相比較,存在缺陷的情況下伸長率、斷面收縮率、斷裂時(shí)間、抗拉強(qiáng)度都下降,說明焊接部位一旦存在缺陷,其應(yīng)力腐蝕敏感性將會(huì)增大。

    與相同條件下無防護(hù)的試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,涂層防護(hù)沒有顯示出優(yōu)勢,原因一是7A52焊接件本身應(yīng)力腐蝕敏感性低,二是防護(hù)涂層主要起到隔離腐蝕介質(zhì)的作用,在拉應(yīng)力的作用下,一旦涂層產(chǎn)生裂紋,涂層破裂的局部與整個(gè)試樣受保護(hù)的其他區(qū)域相比形成大陰極小陽極的結(jié)構(gòu),電偶效應(yīng)的影響反而促進(jìn)腐蝕的發(fā)展,因此,在構(gòu)件的防護(hù)過程中,嚴(yán)格控制涂層的施工質(zhì)量、保證涂層的完整性是很重要的腐蝕控制措施。

    圖2 25℃的硅油中,不同應(yīng)變速率時(shí)試樣的斷口形貌(a),(b)5×10-6s-1;(c),(d)5×10-7s-1Fig.2 Fracture morphology tested in silica oil at 25℃and different strain rates(a),(b)5×10-6s-1;(c),(d)5×10-7s-1

    圖3 不同溫度的3.5%NaCl溶液中,應(yīng)變速率為5×10-7s-1下拉伸后的斷口形貌(a)25℃;(b)35℃;(c)45℃;(d)55℃Fig.3 Fracture morphology tested in 3.5%NaCl at different temperatures,the strain rate 5×10-7s-1(a)25℃;(b)35℃;(c)45℃;(d)55℃

    未熱處理的試樣與相同實(shí)驗(yàn)條件下已進(jìn)行熱處理的試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度基本相同,但伸長率和斷裂時(shí)間稍高些,說明焊接后即使未進(jìn)行熱處理也不影響焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能。這主要是因?yàn)椋p絲焊焊接速率快,熱量來不及擴(kuò)散,熱影響區(qū)小,焊縫內(nèi)部成分較為均勻[17,18]。

    圖4 不同溫度的3.5%NaCl溶液中,應(yīng)變速率為5×10-6s-1下拉伸后的斷口形貌(a)25℃;(b)35℃;(c)45℃;(d)55℃Fig.4 Fracture morphology tested in 3.5%NaCl at different temperatures,the strain rate 5×10-6s-1(a)25℃;(b)35℃;(c)45℃;(d)55℃

    表6 7A52在不同狀態(tài)下的伸長率、斷面收縮率和斷裂強(qiáng)度Table 6 Mechanical properties of 7A52at different conditions

    2.3 恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

    恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)在35℃和55℃的3.5%NaCl+0.5%H2O2溶液中進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可見,除55℃下施加應(yīng)力水平≥90%σp0.2的試樣有斷裂外,在應(yīng)力水平低于80%σp0.2時(shí),即使實(shí)驗(yàn)長達(dá)90天也沒有發(fā)生斷裂。ASTM G47[19]中對于2×××和7×××系列的鋁合金在短橫向的應(yīng)力腐蝕敏感性評價(jià)時(shí)間分別為10天和20天,在長橫向的應(yīng)力腐蝕敏感性評價(jià)時(shí)間為40天。由此可見,焊接件具有良好的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。但是當(dāng)使用環(huán)境溫度較高、施加應(yīng)力大于等于90%σp0.2時(shí),也有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

    表7 7A52恒載荷拉伸SCC實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 The results of direct tensile stress corrosion test for 7A52

    圖5是在55℃的3.5%NaCl+0.5%H2O2溶液中進(jìn)行拉伸SCC實(shí)驗(yàn),發(fā)生斷裂的試樣的斷口形貌??梢娛堑湫偷腟CC斷口,存在明顯的二次裂紋,并且隨著應(yīng)力水平的增加,二次裂紋增大。

    將55℃下恒載拉伸SCC實(shí)驗(yàn)后,但尚未斷裂的試樣再進(jìn)抗拉強(qiáng)度測試,結(jié)果見圖6,可見不同應(yīng)力水平下進(jìn)行恒載拉伸SCC實(shí)驗(yàn)后的剩余強(qiáng)度差別不大,這也從另一個(gè)方面說明了7A52焊接件具有良好的抗腐蝕和應(yīng)力腐蝕的性能。

    圖5 55℃的3.5%NaCl+0.5%H2O2 溶液中恒載荷拉伸SCC后的斷口形貌 (a)90%σp0.2;(b)95%σp0.2Fig.5 Microstructure after direct tensile stress test in 3.5%NaCl+0.5%H2O2at 55℃ (a)90%σp0.2;(b)95%σp0.2

    圖6 55℃的3.5%NaCl+0.5%H2O2中SCC實(shí)驗(yàn)后的試樣的剩余強(qiáng)度Fig.6 Residual tensile strength after direct tensile stress test for 90days in 3.5%NaCl+0.5%H2O2at 55℃

    圖7是將35℃和55℃下恒載拉伸SCC實(shí)驗(yàn)后,但尚未斷裂的試樣再進(jìn)行拉伸,測試剩余強(qiáng)度后的試樣的斷口形貌,可見焊接部位普遍存在大小不同的氣孔,有的存在裂紋;在氣孔附近存在不同程度的微裂紋。

    為了比較,每組5個(gè)試樣,不施加載荷分別浸泡在35℃和55℃的3.5%NaCl+0.5%H2O2溶液中,90天后取出,并測試其抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8,可見其剩余強(qiáng)度差異不大。圖9是測試剩余強(qiáng)度后的試樣的斷口形貌,可見有氣孔,但無明顯的微裂紋。

    圖7 3.5%NaCl+0.5%H2O2溶液中恒載荷拉伸SCC后,剩余強(qiáng)度測試后的斷口形貌(a)35℃,50%σp0.2;(b)55℃,50%σp0.2;(c)35℃,70%σp0.2;(d)55℃,70%σp0.2;(e)35℃,90%σp0.2;(f)55℃,90%σp0.2Fig.7 Microstructure after direct tensile stress test in 3.5%NaCl+0.5%H2O2and residual strength measurement(a)35℃,50%σp0.2;(b)55℃,50%σp0.2;(c)35℃,70%σp0.2;(d)55℃,70%σp0.2;(e)35℃,90%σp0.2;(f)55℃,90%σp0.2

    圖8 未加載荷試樣浸泡90d后的剩余強(qiáng)度Fig.8 Residual strength after immersing 90dwithout loading

    綜合恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以得出7A52鋁合金焊接件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的門檻值在35℃下使用時(shí)為153MPa,在55℃下使用時(shí)為136MPa。

    3 結(jié)論

    (1)應(yīng)用慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法,綜合單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指數(shù)評價(jià)結(jié)果,7A52焊接件應(yīng)力腐蝕敏感性比較低,具有較好的抗應(yīng)力腐蝕能力。

    (2)應(yīng)用恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焊接件具有良好的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。但是當(dāng)使用環(huán)境溫度較高、施加應(yīng)力大于等于90%σp0.2時(shí),也有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。7A52鋁合金焊接件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的門檻值在35℃下使用時(shí)為153MPa,在55℃下使用時(shí)為136MPa。

    圖9 未加載荷試樣浸泡90d后剩余強(qiáng)度測試后的形貌 (a)35℃;(b)55℃Fig.9 Microstructure after immersing 90days in 3.5%NaCl without loading (a)35℃;(b)55℃

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    [14]GB/T 15970.7—2000,金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕 第7部分慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)[S].

    [15]GB/T 15970.4—2000,金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕 第4部分單軸加載拉伸試樣的制備和應(yīng)用[S].

    [16]劉繼華,李荻,郭寶蘭,等.LC4高強(qiáng)鋁合金的慢應(yīng)變速率拉伸實(shí)驗(yàn)[J].材料科學(xué)與工藝,2001,9(1):37-41.LIU Ji-h(huán)ua,LI Di,GUO Bao-lan,et al.Slow strain rate tension test of high-strength aluminum alloy of 7075[J].Material Science and Technology,2001,9(1):37-41.

    [17]明珠,馬新沛,王克鴻,等.厚板鋁合金雙絲氣體保護(hù)焊工藝[J].焊接,2004,(10):25-28.MING Zhu,MA Xin-pei,WANG Ke-h(huán)ong,et al.Study on double wire gas shielded arc welding technological of thick aluminum alloy plate[J].Welding &Joining,2004,(10):25-28.

    [18]余進(jìn),王克鴻,徐越蘭,等.7A52鋁合金雙絲焊接頭組織與性能[J].焊接學(xué)報(bào),2005,26(10):87-89.YU Jin,WANG Ke-h(huán)ong,XU Yue-lan,et al.Microstructures and properties of 7A52aluminum alloy welded joint by twin wire welding [J].Transactions of the China Welding Institution,2005,26(10):87-89.

    [19]ASTM G47,standard test method for determining susceptibility to stress-corrosion cracking of 2×××and 7×××aluminum alloy produets[S].

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