船舶用5456鋁合金應(yīng)力腐蝕行為研究

摘要：船舶用Al-Mg合金具有晶間應(yīng)力腐蝕開裂的傾向性。文章主要研究船舶用5456-H116鋁-鎂合金的應(yīng)力腐蝕行為。文章主要采用重量損失方法來表征合金腐蝕敏感度。采用雙懸臂應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)來研究高M(jìn)g含量的5456-H116在175 ℃時(shí)效不同時(shí)間下的應(yīng)力腐蝕開裂行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：合金腐蝕敏感度隨著時(shí)效時(shí)間增加而增加，而超過336 h之后合金的重量損失1量差異卻幾乎不大。5456-H116合金的應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋形貌并非是平面斷裂，而是一種三維斷裂模式。

關(guān)鍵詞：Al-Mg合金；應(yīng)力腐蝕；時(shí)效時(shí)間；三維斷裂模式

中圖分類號(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2014）15-0081-03

1956年5456合金在美國(guó)海軍軍艦的上層建筑上得以推廣應(yīng)用。5456合金的Mg含量為5 wt%，大大超過3 wt%，當(dāng)合金在>50 ℃的溫度下服役，合金在晶界處就會(huì)析出β相（Mg2Al3）。β相相比于基體是屬于陽(yáng)極，容易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，加劇了其腐蝕敏感性，因此這種組織是相當(dāng)敏感的，這種具有腐蝕敏感性的合金無論是在板材制備還是在服役時(shí)都具有應(yīng)力腐蝕敏感性。

敏感性應(yīng)力腐蝕只有在組織結(jié)構(gòu)、腐蝕介質(zhì)、應(yīng)力三種因素的共同作用下才能發(fā)生。合金板材發(fā)生翹曲、下垂、機(jī)械振動(dòng)或外力加載均產(chǎn)生拉應(yīng)力，甚至在焊接、螺栓連接、鉚接后也會(huì)產(chǎn)生殘余拉伸應(yīng)力，5456合金本身具有腐蝕敏感性組織，船舶工作的環(huán)境存在腐蝕介質(zhì)-海水，因此5657在應(yīng)用于船舶上特別容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。

船舶用鋁合金主要有5456、5083、5086、5454合金等，見表1。雖然其力學(xué)性能相似，但是在復(fù)雜的腐蝕環(huán)境下是不同的。關(guān)于5083合金的腐蝕行為已經(jīng)有較多的研究，但是5456鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為研究較少。本文目的是研究5456鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為。

1實(shí)驗(yàn)過程

5456-H116板材厚度為30 mm，合金成分見表1。將5456合金試樣175 ℃條件下分別時(shí)效24 h、168 h、336 h和504 h來獲得不同程度的β相（Mg2Al3）析出敏感性組織。關(guān)于5456合金的腐蝕敏感性由于沒有相關(guān)的研究數(shù)據(jù)可參考，本文參考了典型的船用5083合金（成分接近）的熱處理工藝。因?yàn)?083合金175 ℃的腐蝕敏感性最顯著，故本試驗(yàn)選用的時(shí)效溫度為175 ℃。

根據(jù)《ASTM G67D Determining the Susceptibility to Intergranular Corrosion of 5XXX Series Aluminum Alloys by Mass Loss After Exposure to Nitric Acid》標(biāo)準(zhǔn)，將5456-

H116試樣在71 wt%HNO3+5 wt%NaOH溶液30 ℃浸泡24 h之后測(cè)試合金單位面積的重量損失，試樣尺寸為25.4 mm×25.4 mm×25.4 mm。

根據(jù)《GBT 24445.1-90高強(qiáng)度合金雙懸臂（DCB）試樣-應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》將雙懸臂5456-H116試樣在應(yīng)力比為R=0.1及10 Hz載荷的MTS材料測(cè)試機(jī)上進(jìn)行5456-H116合金的裂紋預(yù)制，然后在3.5%NaCl鹽水浴中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)。雙懸臂DCB（double cantilever beam）的S-L方向的試樣，如圖1所示。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1重量損失結(jié)果與合金的組織腐蝕敏感性關(guān)系

為了得到腐蝕敏感性組織，本文將5456-H116合金試樣在17 5 ℃下時(shí)效不同時(shí)間，然后將試樣進(jìn)行ASTM G67D實(shí)驗(yàn)測(cè)試，采用重量損失結(jié)果來表征該合金的腐蝕敏感性，其結(jié)果見表2。從表2中可見編號(hào)為3#、4#、5#，即合金時(shí)效時(shí)間分別為168 h、336 h和504 h的試樣，它們之間的重量損失差距只有2 mg/cm2，這種差距相當(dāng)小。將表2做成重量損失與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系圖，如圖2（a）所示，可見剛開始時(shí)效時(shí)，合金重量損失隨著時(shí)間延長(zhǎng)而急劇增加，當(dāng)時(shí)間超過168 h之后曲線呈平臺(tái)狀，即重量損失差異不大。觀察試樣的形貌，如圖3所示，合金時(shí)效時(shí)間336 h之后表面已經(jīng)發(fā)生了剝落腐蝕。

把文獻(xiàn)5083-H116合金在175 ℃的重量損失與時(shí)效時(shí)間的關(guān)系圖（如圖2（b）所示）與5456-H116合金進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)時(shí)效時(shí)間為0 h時(shí)，5456-H116合金和5083-H116合金的重量損失都是幾乎為零。在較短的時(shí)效時(shí)間內(nèi)，例如時(shí)效時(shí)間為24 h，5456-H116合金、5083-H116合金重量損失分別約為30 mg/cm2、15 mg/cm2，此時(shí)5456-H116合金重量損幾乎是5083-H116合金的兩倍。當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過150 h時(shí)，5083-H116合金重量損失幾乎達(dá)到110 mg/cm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5456-H116合金，此時(shí)5456-H116合金重量損失是60 mg/cm2。這可以充分說明當(dāng)5456合金在較短時(shí)間內(nèi)服役時(shí)其組織腐蝕敏感性比5083合金的腐蝕敏感性要高，而在服役較長(zhǎng)的時(shí)間后，例如>100 h之后，5456合金的組織腐蝕敏感性比5083-H116合金的腐蝕敏感性要低得多。

2.2雙懸臂應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖4所示，5456-H116合金1#~5#試樣應(yīng)力腐蝕不同時(shí)間所測(cè)得的裂紋長(zhǎng)度，將圖4數(shù)據(jù)計(jì)算出疲勞裂紋擴(kuò)展速率與加載應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。從圖5中可見未發(fā)生時(shí)效的1#（即重量損失約0.586 mg/cm2）試樣具有最低的應(yīng)力腐蝕裂紋斷裂速率，但它的應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度因子卻是最高的。時(shí)效24 h的2#試樣（即重量損失約30 mg/cm2）它的應(yīng)力腐蝕開裂速率較1#試樣高，應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度因子KSICC較1#試樣略低。3#、4#、5#試樣，即重量損失分別為62 mg/cm2、63 mg/cm2、64 mg/cm2的試樣，其腐蝕開裂速率最快，但KSICC最低。

如圖6所示，是時(shí)效336 h的4#試樣SCC雙懸臂試樣應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)后的斷口照片，照片分別是垂直斷裂表面和平行斷裂表面。從斷口表面照片可以發(fā)現(xiàn)SCC的主裂紋（一次裂紋）斷裂是發(fā)生在L向，即平行于軋制方向。二次裂紋斷裂是在垂直主裂紋（一次裂紋）前端方向上，即平行于加載力的方向上發(fā)生的，即板材的S方向。二次裂紋在S方向上與主裂紋平面并不相關(guān)聯(lián)。二次裂紋與應(yīng)力腐蝕開裂平面擴(kuò)展的二維裂紋并不具有關(guān)聯(lián)性，而是獨(dú)立的。這些結(jié)果說明應(yīng)力施加于合金時(shí)，合金發(fā)生腐蝕的敏感性程度是相當(dāng)高的，并且也會(huì)發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕。

如圖7所示為SCC雙懸臂試樣的斷裂形貌。圖7（a），時(shí)效時(shí)間為0 h的1#試樣有幾處微小的不同的裂紋形貌，位于疲勞裂紋和SCC服役區(qū)域，微孔出現(xiàn)在裂紋前端位置的。而時(shí)效了24 h的2#試樣（即重量損失30 mg/cm2的試樣），其應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋延長(zhǎng)了，并在主裂紋上產(chǎn)生樹脂狀的分叉的二次裂紋，如圖7（b）所示。這個(gè)二次裂紋是在沿著主裂紋長(zhǎng)度的4.5 mm處形成，此時(shí)的應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子為KISCC=12.88 MPa·m-2。最后合金時(shí)效168 h之后的3#試樣（重量損失為62 mg/cm2），二次裂紋的數(shù)量明顯增多，如圖7（c）所示。相比2#試樣而言，二次裂紋的出現(xiàn)時(shí)間比較早，在沿著主裂紋長(zhǎng)度的2.5 mm處就形成了。主裂紋上還有其他的二次裂紋分支，第一個(gè)大的分支是發(fā)生在主裂紋長(zhǎng)度的6.2 mm位置處，此時(shí)的應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力強(qiáng)度因子為KISCC=11.3 MPa·m-2。同時(shí)，在試樣表面還發(fā)生了大量的點(diǎn)蝕和均勻腐蝕。

3結(jié)語(yǔ)

本文研究了船舶用5456-H116鋁-鎂合金的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性行為，研究了5456合金在175 ℃下時(shí)效不同時(shí)間的重量損失來表征其應(yīng)力腐蝕組織敏感性。研究了175 ℃時(shí)效不同時(shí)間后的5456-H116合金的雙懸臂應(yīng)力腐蝕的腐蝕開裂速率和應(yīng)力強(qiáng)度因子。結(jié)果如下：

①在較短的時(shí)效時(shí)間內(nèi)，5456-H116合金重量損幾乎是5083-H116合金的兩倍。當(dāng)時(shí)效時(shí)間超過150 h時(shí)，5083-H116合金重量損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5456-H116合金，說明時(shí)間>100 h之后，5456合金的組織腐蝕敏感性比5083-H116合金的腐蝕敏感性低得多。

②5456-H116合金的應(yīng)力腐蝕開裂的裂紋形貌并非是平面斷裂而是一種三維斷裂模式。

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