不同厚度鋁合金試樣的應力腐蝕開裂特性分析

涂鳳娟

（西南石油大學材料科學與工程學院， 四川 成都 400020）

鋁合金材料具有高強度、高韌性、力學性能優(yōu)越的特點和良好的加工性能。微量Sc元素在鋁合金材料中的應用，可以在細化晶粒、提升鋁合金強度的基礎上，提升這一材料的耐熱性和可焊性。鋁合金的焊接性能、含鈧Al-Cu-Mg合金的纖維組織和取向?qū)︿X合金抗應力腐蝕開裂行為的影響等問題已經(jīng)成為了學者所關(guān)注的問題。本文對不同厚度的鋁合金試樣的應力腐蝕開裂特征進行分析，可以為鋁合金應力腐蝕斷裂機制的深入研究提供一定的理論支持。

1 鋁合金試樣應力腐蝕開裂的主要影響因素

一般而言，金屬材料應力腐蝕問題主要包含：材料本身的化學成分、組織結(jié)構(gòu)的應力腐蝕敏感性；特定的腐蝕環(huán)境；裝配應力和自身殘余應力等內(nèi)容[1]。陽極溶解理論和氫致開裂理論是目前學術(shù)界所接受的兩種主要的應力腐蝕開裂理論。在對上述內(nèi)容進行分析以后，可以發(fā)現(xiàn)，冶金因素、環(huán)境因素和應力因素是鋁合金試樣應力腐蝕開裂特征的主要影響因素。

1.1 冶金因素

冶金因素對鋁合金試樣應力腐蝕開裂特征的影響主要指的是熱處理制度、合金化工藝等因素的影響。時效因素是高強鋁合金熱處理工藝中的核心要素。短時回歸再時效處理技術(shù)的應用，可以在對晶界的析出相結(jié)構(gòu)進行調(diào)整的基礎上，對材料的應力腐蝕性能進行優(yōu)化，通過添加微量元素的方式改變合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，也可以讓合金的抗腐蝕應力性能得到提升。如Sc可以起到凈化微結(jié)構(gòu)、阻礙再結(jié)晶的作用。其與合金中的Al發(fā)生反應以后所形成的金屬間化合物可以讓合金擁有亞晶結(jié)構(gòu)和精細纖維結(jié)構(gòu)。

1.2 環(huán)境因素

鋁合金材料中使用的一些敏感材料會在特定環(huán)境下出現(xiàn)應力腐蝕開裂問題。環(huán)境因素對鋁合金應力腐蝕開裂特性的影響是外部因素對合金應力腐蝕敏感性的影響的表現(xiàn)。與之有關(guān)的環(huán)境因素包含了相對濕度、環(huán)境溫度、腐蝕介質(zhì)和溶液溶氧量等內(nèi)容。Ph值有時也可以被看作是環(huán)境因素對應力腐蝕開裂特性的影響的表現(xiàn)。

1.3 應力因素

應力因素涉及到了合金的載荷類型、加載方向和應變速率等因素。加載方向?qū)︿X合金SCC敏感性的評價結(jié)果有著較為重要的影響。在不同厚度鋁合金試樣應力腐蝕開裂特征分析實驗中，應變速率可以被看作是一種具有重要影響的參量。

2 應力腐蝕開裂特征實驗研究方法

鋁合金材料在實際應用過程中出現(xiàn)的應力腐蝕敏感性問題會導致應力腐蝕斷裂等嚴重問題。從試驗環(huán)境的角度來看，實驗室試驗和自然環(huán)境試驗是應力腐蝕實驗中所常用的兩種研究方法。根據(jù)應力腐蝕試驗標準的規(guī)定，鋁合金試樣的厚度為26 mm。但是從這一材料的實際應用情況來看，很多鋁合金構(gòu)建的壁厚度已經(jīng)達到了40 mm。以厚度為40 mm和26 mm的鋁合金試樣為例，對不同厚度的鋁合金試樣的應力腐蝕開裂特性進行分析，可以為實驗結(jié)果的科學性提供一定的保障。

2.1 實驗室實驗法

實驗室實驗法是建立在恒應變試樣和慢應變試樣基礎上的腐蝕試驗方法。在試驗進行過程中，有學者利用雙懸臂梁試驗方法開展了實驗室應力腐蝕實驗，還有一些學者利用SSRT試樣和恒載荷試樣對高強鋁合金應力腐蝕行為進行分析?，F(xiàn)階段我國在實驗室應力腐蝕試驗方面借鑒的是美國材料試驗協(xié)會的相關(guān)試驗標準。在試驗過程中，試驗人員需要在w（NaCl）=3.5%的中性溶液中開展連續(xù)浸潤試驗、周期浸潤試驗和連續(xù)鹽霧實驗[2]。由于這種電解質(zhì)溶液的輔食機制與自然環(huán)境大氣腐蝕過程中的腐蝕機制之間存在著一定的差異性，因而在不同厚度鋁合金試樣的應力腐蝕開裂試驗的進行過程中，實驗室試驗結(jié)果并不能對試樣在自然環(huán)境中的使用情況進行重現(xiàn)，試驗結(jié)果也難以進行直接引用。

2.2 自然環(huán)境實驗法

自然環(huán)境法也和雙懸臂梁試驗方法之間存在著一定的聯(lián)系。這種實驗方式具有著實驗操作簡單。環(huán)境條件與實際環(huán)境相接近的特點。目前我國已經(jīng)在海洋環(huán)境和大氣環(huán)境下開展了鋁合金試樣應力腐蝕實驗。由于這一實驗方式存在著試驗周期長，環(huán)境因素的作用難以得到有效區(qū)分和試驗結(jié)果重視性差的特點，因而在實際研究工作中，學者采用的是兩種試驗方式相結(jié)合的實驗方法。例如一些國外學者利用實驗室試驗方式，開展了鹽霧試驗和周期浸潤試驗，與材料實際應用情況相似的自然環(huán)境暴露試驗，并在對實驗室試驗結(jié)果和自然環(huán)境試驗結(jié)果進行比較分析的基礎上，對同種材料在不同環(huán)境下的抗應力腐蝕能力進行了分析。

3 應力腐蝕開裂分析實驗

從鋁合金試樣應力腐蝕開裂試驗的實際情況來看，國內(nèi)學者也提出了這樣的觀點，單純利用實驗室試驗進行試驗的措施并不能對鋁合金在實際環(huán)境中的應力腐蝕現(xiàn)行進行有效模擬。在對厚度為40 mm和厚度為26 mm的鋁合金試樣的應力腐蝕開裂特性進行分析的過程中，試驗人員需要對2種厚度試樣的應力腐蝕開裂門檻值進行確定，并要在此基礎上，利用掃描電鏡分析試樣斷裂表面的微觀形貌。XRD技術(shù)和EDS技術(shù)是確定腐蝕產(chǎn)物組成成分的重要工具。在實驗開展過程中，試驗人員也需要對裂紋尖端pH和溶液溶解氧對鋁合金材料應力腐蝕斷裂過程的影響進行分析。

3.1 實驗過程

2024-T351鋁合金是應用于應力腐蝕開裂分析實驗的理想材料。這種鋁合金材料中包含有Si、Fe和Cu等多種金屬元素。試樣的取向為S-L取向和S-T取向。試樣尺寸遵循的是應力腐蝕試驗標準的相關(guān)規(guī)定。出于實驗需要，試驗工作中需要在2種厚度和2種取向基礎上取3種不同平行試樣，并在利用丙酮清洗試樣以后，利用螺栓加載預制裂紋。在實驗室試驗環(huán)節(jié)，w（NaCl）為13.5%水溶液的溫度在35～36℃之間。溶液的pH值在6～7之間。應力腐蝕試驗期間的式樣裂紋擴展長度用精度為0.001 mm的讀數(shù)顯微鏡進行觀測。在跟蹤裂紋擴展階段，2個裂面的裂紋取的是平均值。測氧儀用于測量試驗過程中腐蝕溶液的溶解氧隨腐蝕時間的變化情況。

如果試樣的裂紋擴展速率在1×10-9cm·s-1以下，試驗人員需要停止進行試驗操作，并要利用液氮法將經(jīng)過一定應力腐蝕周期的雙懸臂梁鋁合金試樣進行冷凍開裂處理，進而讓端口表面在室溫下融化。這一措施可以為應力腐蝕斷裂以后的試樣裂紋尖端pH值測定工作提供幫助。在借助掃描電鏡分析試樣的應力腐蝕端口表面形貌的基礎上，試驗人員需要完成以下工作內(nèi)容：借助EDS完成試樣端口表面的成分分析；借助XRD技術(shù)開展腐蝕產(chǎn)物相分析工作；利用Mostovoy公式完成混凝土試樣的應力腐蝕開裂門檻值的計算工作。以下內(nèi)容為應力腐蝕開裂門檻值計算過程中所應用的公式：

式中：K1為裂紋長度為a時的裂紋尖端應力場強度；E為試樣材料的彈性模量；V為加載變形前后的差值；h為試樣半高；a為裂紋的長度。在門檻值的求取過程中，試驗人員需要在斷口長度為1/4、1/2和3/4處取3個不同值，以三者的平均長度為有效裂紋長度。

3.2 實驗結(jié)果

從裂紋長度隨應力腐蝕時間的變化情況和裂紋擴展速率隨應力腐蝕時間的變化情況來看，裂紋長度與腐蝕時間之間在腐蝕過程中存在著一種類似于正相關(guān)的關(guān)系，隨著時間的不斷變化，裂紋的長度會表現(xiàn)出遞增的特點。相比于裂紋長度與時間之間的關(guān)系，裂紋擴展速率與實踐之間存在著負相關(guān)關(guān)系，它會隨著時間的變化而不斷下降。在不同厚度的鋁合金試樣在應力腐蝕初期，裂紋尖端應力具有著集中性的特點，由于這一時期新鮮的斷裂表面暴露于實驗室環(huán)境下的腐蝕溶液之中，因而試驗人員在應力腐蝕初期會觀察到溶蝕速度較快的特點。隨著裂紋尖端應力的不斷釋放，在不斷累積的腐蝕產(chǎn)物在裂紋尖端形成鈍化膜以后，40 mm厚試樣的裂紋擴展長度要長于26 mm試樣的裂紋擴展長度。從門檻值計算結(jié)果來看，兩種鋁合金試樣并沒有表現(xiàn)出明顯的差異[3]。

在實驗室試驗環(huán)境下，拉應力的作用會讓鋁合金試樣的裂紋尖端的鈍化膜出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，新的鋁合金材料表面與NaCl溶液接觸以后所形成的陽極溶解反應會形成新的氫氧化鋁腐蝕產(chǎn)物，這一實驗現(xiàn)象在自然環(huán)境試驗條件下也有所反映。根據(jù)自然環(huán)境實驗法的對照結(jié)果，裂紋尖端pH值出現(xiàn)了酸化現(xiàn)象。經(jīng)過對實驗環(huán)境進行分析，這一現(xiàn)象是鋁合金式樣裂紋尖端出現(xiàn)的陽極溶解現(xiàn)象的產(chǎn)物，陽極溶解的產(chǎn)物與主體溶液之間行程的陽極體系是導致pH值酸化現(xiàn)象的重要因素。這樣，從pH值的變化情況來看，應力作用下出現(xiàn)的鈍化膜破裂問題會讓鋁合金試樣的腐蝕速率有所增加，此時pH至會隨著腐蝕速率的增加而增加，在應力腐蝕后期，腐蝕產(chǎn)物的堆積會讓主體溶液的pH值表現(xiàn)出穩(wěn)定化的特點，從總體上看，相比于26 mm厚的鋁合金材料，40 mm厚的材料的腐蝕程度更為嚴重。

4 結(jié)語

冶金因素、環(huán)境因素和應力因素是鋁合金試樣應力腐蝕開裂特征的主要影響因素。在對厚度為40 mm和厚度為26 mm的鋁合金試樣的應力腐蝕開裂特性進行分析的過程中，試驗人員需要對兩種厚度試樣的應力腐蝕開裂門檻值進行確定，并要在此基礎上，利用掃描電鏡分析銀利服飾斷裂表面的微觀形貌。根據(jù)試驗結(jié)果，應力腐蝕初期的腐蝕速度相對較快，在環(huán)境條件相近的情況下，厚板試樣的裂紋尖端Ph酸化情況要高于薄板試樣的Ph變化情況。

[1]楊青，朱立群，李衛(wèi)平，等.不同厚度鋁合金試樣的應力腐蝕開裂特性研究[J].稀有金屬，2014，38（4）：581-588.

[2]郝雪龍，孫澤明，劉建華.取向?qū)?124鋁合金抗應力腐蝕開裂行為的影響[J].中國有色金屬學報，2013，23（12）：3 294-3 301.

[3]趙鵬，蘇艷.高強鋁合金應力腐蝕開裂研究進展[J].裝備環(huán)境工程，2016，13（1）：130-138.