噴砂處理對A7N01鋁合金應力腐蝕開裂和點蝕性能的影響

李明星，廖瀟垚，王曉敏，郭強軍，陳 輝

噴砂處理對A7N01鋁合金應力腐蝕開裂和點蝕性能的影響

李明星1，廖瀟垚1，王曉敏1，郭強軍2，陳 輝3

（1．西南交通大學 生命科學與工程學院，成都610031；2．南車青島四方機車車輛股份有限公司，青島266111；3．西南交通大學材料科學與工程學院，成都610031）

采用慢應變速率試驗和循環(huán)極化試驗，研究了噴砂對A7N01鋁合金耐應力腐蝕開裂和點蝕性能的影響。結果表明：在3．5%NaCl（質量分數(shù)）溶液中，與未噴砂合金相比，噴砂處理后A7N01鋁合金的應力腐蝕敏感指數(shù)增大，抗應力腐蝕性能下降。噴砂后合金的點蝕電位、保護電位均降低，滯后環(huán)增大，且隨浸泡時間增長，點蝕電位和保護電位負移，滯后環(huán)增大，噴砂處理使合金的抗點蝕能力和鈍化膜修復能力降低。噴砂處理會造成A7N01鋁合金表層晶粒細化、硬度增加，但同時噴砂也會造成表面粗糙度增加，并有微裂紋等表面損傷發(fā)生，從而降低合金的耐蝕性。

高速列車；A7N01鋁合金；噴砂處理；應力腐蝕開裂；點蝕

Abstract：The influence of sand blasting treatment on the stress corrosion cracking（SCC）property and pitting property of A7N01 aluminum alloy was investigated by slow stain rate test（SSRT）and circular polarization test．The results showed that the SCC sensitive indexes（ISSRT）and SCC sensitivity of treated alloy in 3．5%NaCl was higher than those of untreated alloy．The pitting potential（Eb）and protective potential（Ep）of treated alloy were lower than those of untreated alloy and the area of hysteresis loop was larger．With increasing the soaking time，Eband Epshifted negatively and the area of hysteresis loop increased．This implied that the anti-pitting property and selfrepairing property of A7N01 alloy decreased after sand blasting treatment．The treatment made the surface layer microhardness increase and the surface grains refine．However，the treatment led to the increase of surface roughness and the formation of micro-cracks on surface，which was harm to the anti-corrosive property of A7N01 Al alloy．

Key words：high-speed train；A7N01 Al alloy；sand blasting treatment；stress corrosion cracking；pitting

A7N01鋁合金為Al-Zn-Mg系合金，由于具有較高的比強度，良好的加工性能、擠壓性能和焊接性能，近年來被廣泛應用于制造高速列車車體的底座，端面梁，側面構件骨架，車架，枕梁等受力部件［1-2］。由于鋁合金的導熱系數(shù)高、線膨脹系數(shù)大，在車體焊接結構中往往會有較大的焊接殘余應力，不僅會影響焊接結構的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性，而且會降低焊接結構的疲勞性能、腐蝕性能等［3］。因而，對于采用A7N01鋁合金制成的承力部件，降低焊接殘余應力非常重要。噴砂和噴丸常用于焊接結構的表面處理，研究表明，噴丸和噴砂處理可有效改善焊接結構殘余應力分布，并獲得壓應力，從而有利于抑制裂紋的產(chǎn)生［4-7］。同時，大量研究表明噴丸對材料疲勞強度和耐蝕性也有很大影響［8-11］，而有關噴砂的研究目前主要集中在其對殘余應力的影響，關于噴砂對材料耐蝕性，尤其是耐應力腐蝕開裂性能的影響研究則較少。A7N01鋁合金作為高強鋁合金具有一定的腐蝕敏感性［12］，列車運行過程中材料所面臨的腐蝕開裂失效問題不可忽視。林紅吉等［13］研究了表面噴砂處理對5083鋁合金表面形貌和拉伸性能的影響，發(fā)現(xiàn)由于表面微裂紋的產(chǎn)生，在慢應變拉伸條件下合金的斷裂時間縮短，斷后伸長率降低。潘素平等［14］對噴砂處理后的5系鋁合金進行了研究，發(fā)現(xiàn)噴砂后5系鋁合金耐晶間腐蝕能力明顯降低。AFSETH等［15］研究了表面機械處理對5754鋁合金及其涂層體系耐絲狀腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)機械處理產(chǎn)生的嚴重變形層、包含氧化物的細小晶粒和彌散相使得合金及其涂層體系對絲狀腐蝕更加敏感。為討論噴砂處理對A7N01鋁合金腐蝕性能的影響，本工作采用慢應變速率試驗（SSRT），研究噴砂對A7N01鋁合金應力腐蝕開裂性能的影響，并采用循環(huán)極化曲線測試方法，分析噴砂處理對A7N01鋁合金的抗應力腐蝕開裂性能和電化學表面點蝕性能的影響。

1 試驗

試驗材料為10 mm厚A7N01鋁合金擠壓型材，采用白剛玉砂在噴砂試驗機上進行噴砂處理，噴砂參數(shù)如下：砂粒尺寸30目（0．600 mm），風壓0．5 MPa，距離500 mm，角度45～60°。采用DC9V 500 m A型粗糙度儀測試噴砂試樣表面粗糙度。

將未噴砂的原始試樣（A試樣）和噴砂處理后的試樣（B試樣）用 Keller試劑（1 mL HF，1．5 mL HCl，2．5 mL HNO3，95 mL H2O）腐蝕后，采用ProgRes C5型光學顯微鏡（OM）和 HITACHI JSM-6490L型掃描電鏡（SEM）觀察微觀形貌。采用HXD-1000TM型顯微硬度計測試表層硬度，載荷為50 N，保荷時間20 s。

SSRT試樣尺寸如圖1所示，試樣垂直于擠壓方向取樣，切割后進行表面噴砂。試驗應變率為10－6s－1，分別在室溫下空氣環(huán)境和25℃，3．5%（質量分數(shù)，下同）NaCl溶液中對未噴砂的原始試樣和噴砂試樣進行慢應變速率試驗。根據(jù)式（1）計算應力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT［16］。試樣斷裂后采用掃描電鏡觀察斷口形貌。

圖1 慢應變速率試驗試樣尺寸Fig．1 Specimen size of slow strain rate test（SSRT）

式中：σb環(huán)境條件為試樣在腐蝕環(huán)境介質中的抗拉強度，MPa；σb惰性條件為試樣在空氣中的抗拉強度，MPa；A環(huán)境條件為試樣在腐蝕環(huán)境介質中的斷后伸長率；A惰性條件為試樣在空氣中的斷后伸長率。

電化學試驗采用三電極體系，輔助電極為鉑電極、參比電極為飽和甘汞電極（SCE）、工作電極為所制備的試樣。文中電位若無特指，均相對于飽和甘汞電極（SCE）。分別在原始和噴砂A7N01鋁合金上取10 mm×10 mm×10 mm電化學試驗試樣，在3．5%NaCl溶液中浸泡0，1，3 d后，在CS310電化學工作站上進行循環(huán)極化測試，試驗溶液為3．5%NaCl溶液，試驗掃描速率為2 mV／s，掃描范圍－2～2 V，試驗溫度為25℃。試驗結束后采用SEM觀察試樣表面形貌。

2 結果與討論

2．1 噴砂處理對硬度分布和形貌的影響

由圖2和圖3可見：A試樣表面平滑，粗糙度低；B試樣表面凹凸不平，粗糙度為8．624μm。A試樣表面晶粒比B試樣的小。在噴砂處理過程中，砂粒在壓力作用下高速撞擊試件表面，使表面發(fā)生塑性變形，晶內(nèi)位錯密度逐漸增加，形成位錯纏結，在持續(xù)噴砂作用下轉變?yōu)閬喚Ы绾途Ы纾瑥亩l(fā)展為細化的晶粒。由圖3還可見：A試樣表面形成了很多凹坑，還可見一些溝痕和裂紋。這表明噴砂會對鋁合金表面形成一定的損傷，在一定程度上破壞表面的完整性。由于表層位錯密度大［17］，晶粒細小，因而表層硬度也相應升高。由圖4可見：噴砂后試樣表層硬度增加，硬化層深度約為150μm。

2．2 噴砂對應力腐蝕性能的影響

由圖5和表1可見：試樣在25℃下3．5%NaCl溶液中的抗拉強度與其在空氣環(huán)境中的相比基本未發(fā)生變化，斷后伸長率降低6．25%。其應力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT為0．010 01，表明未噴砂的A7N01鋁合金材料在3．5%NaCl溶液中的應力腐蝕敏感性很低。與原始試件相比，噴砂試件在空氣環(huán)境中的抗拉強度下降2．11%，斷后伸長率下降12．4%，在25℃的3．5%NaCl溶液中，噴砂試件抗拉強度下降3．97%，斷后伸長率下降10．01%。噴砂試件應力腐蝕敏感指數(shù)ISSRT為0．056 36，明顯大于未噴砂試件的。

圖2 A試樣的表面形貌Fig．2 Surface morphology of the sample A

圖3 B試樣表面形貌Fig．3 Surface morphology of sample B：（a）OM morphology；（b）SEM morphology

圖4 2種試樣表層顯微硬度分布Fig．4 Microhardness curves of 2 samples

圖5 原始和噴砂試樣在不同條件下的應變-應力曲線Fig．5 Strain-stress curves of untreated samples and sand basting treated samples

表1 原始試樣和噴砂試樣SSRT結果Tab．1 The SSRT results of untreated samples and sand basting treated samples

對比可知，噴砂后鋁合金的抗拉強度和斷后伸長率均降低，這主要是由于噴砂會造成的表面損傷，以及表層產(chǎn)生微裂紋，這些表面損傷和微裂紋在拉應力的作用下會逐漸發(fā)展成應力集中形成裂紋源，擴展最終導致斷裂［17］。在3．5%NaCl腐蝕環(huán)境中，噴砂后鋁合金在25℃的3．5%NaCl溶液中的抗拉強度和斷后伸長率進一步下降，這表明，噴砂處理后A7N01鋁合金的應力腐蝕敏感性明顯增大。

由圖6可見：在空氣中進行SSRT后，兩種試樣邊緣均可見拉伸過程中滑移形成的平坦區(qū)，內(nèi)部為塑性斷裂的韌窩形貌。由圖7可見：在3．5%NaCl溶液中進行SSRT后，噴砂試樣斷口芯部為韌窩形貌，邊緣為滑移形成的平坦延伸區(qū)，與空氣條件下的斷口相比，韌窩較淺且小，在斷口邊緣部位未發(fā)現(xiàn)脆性斷裂形貌。由圖7還可見：噴砂試件斷口在損傷的不平處有腐蝕介質的堆積。

2．3 噴砂對點蝕行為的影響

點蝕電位（Eb）是試件表面鈍化膜被擊破發(fā)生腐蝕電流明顯增大的電位，Eb取正向電流密度為100μA／cm2時的電位值［18］，Eb越高，材料耐點蝕能力越強。保護電位Ep為反向掃描線與正掃描線的交點電位，保護電位Ep反映了蝕孔重新鈍化的能力，Ep越高，則鈍化膜越容易被修復。Eb－Ep所表征的滯后環(huán)反映了已有蝕點的發(fā)展趨勢，Eb－Ep越大，蝕點的發(fā)展趨勢越大。

圖6 原始試樣和噴砂試樣在空氣中SSRT后斷口形貌Fig．6 Fracture morphology of untreated samples（a）and sand blasting treated sample（b）after SSRT in air

圖7 原始試樣和噴砂試樣在3．5%NaCl溶液中SSRT后的斷口形貌Fig．7 Fracture morphology of untreated sample（a）and sand basting treated samples（b）after SSRT in 3．5%NaCl solution

由圖8和表2可見：2種試樣的Ecorr，Eb和Ep均在浸泡24 h后明顯降低，浸泡72 h后稍有增大或基本不變，且2種試樣的滯后環(huán)均隨著浸泡時間的延長而增大。7000系鋁合金對Cl－具有較強的敏感 性［12，19］，A7N01 鋁 合 金 的 主 要 強 化 相 η 相（MgZn2）的電位（－0．86 V）低于基體α-Al的（－0．68 V）［20］，在NaCl溶液中，η相粒子作為陽極被優(yōu)先溶解脫落，形成蝕點，如圖9（a）所示。由于強化相往往聚集在晶界，隨著腐蝕反應的進行，蝕點面積不斷增大變深，且腐蝕沿晶界擴展，如圖9（b）所示。隨著浸泡時間的延長，腐蝕產(chǎn)物逐漸增多并覆蓋在試件表面，對腐蝕介質的入侵形成了一定的阻礙［21］，使得蝕點數(shù)量的增多減緩，但滯后環(huán)的持續(xù)增大表明，已形成的蝕點會繼續(xù)擴展，形成較深的蝕孔，圖9（c）的表面腐蝕形貌也表明了蝕孔的繼續(xù)發(fā)展。B試樣的Eb、Ep和Ecorr均低于A試樣的，這表明噴砂使A7N01鋁合金表面的點蝕敏感性增強，WALTER的研究表明，在粗糙度較大的合金表面，腐蝕過程中鈍化膜難以形成［22］。Eb－Ep隨浸泡時間的延長而增大，表明腐蝕時間越長，蝕孔越向內(nèi)部擴展，鈍化膜的修復越困難。由圖10可見：表面粗糙度的增加使得腐蝕介質的吸附和反應更加容易，同時腐蝕產(chǎn)物在表面的不均勻覆蓋也使其對腐蝕介質繼續(xù)浸入的阻礙作用降低，已經(jīng)形成的蝕點容易向內(nèi)部擴展。

圖8 2種試樣浸泡不同時間后的循環(huán)極化曲線Fig．8 Cyclic polarization curves of 2 samples after soaking for different times：（a）sample A；（b）sample B

表2 循環(huán)極化電位結果Tab．2 Cyclic polarization potential results

2.4 噴砂對A7N01腐蝕性能的影響機制

噴砂后A7N01合金表面發(fā)生強烈的塑性變形，而通常塑性形變會導致位錯密度增加［17］，晶粒細化、硬度增加。細小的晶粒有利于提高合金的強度和耐蝕性［23］。但噴砂會造成合金的表面損傷，從而降低其強度和耐蝕性，因此噴砂對合金的腐蝕性能產(chǎn)生了兩種相反傾向的影響。由本試驗結果可見：噴砂后，A7N01鋁合金的應力腐蝕敏感性和點蝕敏感性均增加了［23］。根據(jù)熱力學第二定律合金點蝕演化過程由勢能控制，從SHAHRYARI的研究表明，合金表面的高能量位點密度增加會導致其點蝕敏感性增加［24］。噴砂后，由于表層位錯密度增加，使其周圍的原子具有較高的能量，表面能的增加使噴砂試件具有更高的活性，腐蝕介質更容易被吸附在表面上，在其表面的電化學反應也更容易進行［13］。中性NaCl溶液中發(fā)生吸氧腐蝕，導致電位較低的強化相具有比基體更快的腐蝕速率，形成小的蝕點，隨著反應的進行，腐蝕產(chǎn)物逐漸增多，由于噴砂后合金表面粗糙度增加，粗糙峰谷底腐蝕產(chǎn)物的擴散速率慢，容易在谷底處塞積，形成閉塞電池效應，蝕孔內(nèi)酸度增加，加速腐蝕反應的進行［25］，造成點蝕向內(nèi)部的擴展。在有外加拉應力的情況下，應力與腐蝕介質的協(xié)同作用會加速腐蝕裂紋的擴展。

圖9 A試樣在3．5%NaCl溶液中浸泡不同時間極化掃描后表面腐蝕形貌Fig．9 Surface morphology of sample A after soaking for different times and cyclic polarization testing in 3．5%NaCl

圖10 B試樣在3．5%NaCl溶液中浸泡不同時間極化掃描后表面腐蝕形貌Fig．10 Surface morphology of sample B after soaking for different times and cyclic polarization testing in 3．5%NaCl

3 結論

（1）經(jīng)噴砂處理的A7N01鋁合金，由于表層發(fā)生塑性變形，使表層的晶粒細化、硬度增加，但同時，噴砂造成了鋁合金表面一定程度的損傷。

（2）SSRT結果表明，在3．5%NaCl溶液中，A7N01鋁合金噴砂試件的應力腐蝕敏感指數(shù)高于原始試件的。

（3）循環(huán)極化試驗結果表明，隨著在腐蝕介質中浸泡時間的延長，原始試件和噴砂試件的耐點蝕能力以及鈍化膜修復能力均降低，且噴砂使試件的點蝕敏感性增強，蝕孔也更容易擴展。

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Influence of Sand Blasting Treatment on Stress Corrosion Cracking and Pitting Corrosion Properties of A7N01 Aluminum Alloy

LI Mingxing1，LIAO Xiaoyao1，WANG Xiaomin1，GUO Qiangjun2，CHEN Hui3
（1．School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2．CSR Qingdao Sifang Co．，Ltd．，Qingdao 266111，China；3．School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

TG174．2

A

1005-748X（2017）09-0683-06

10.11973／fsyfh-201709005

2016-04-06

四川省科技支撐計劃資助項目（2016GZ0239）

王曉敏（1975－），副教授，博士，從事鋁合金及焊接接頭腐蝕與防護的相關工作，xmwang991011＠163．com