腐蝕對Al-Zn-Mg合金型材疲勞強(qiáng)度影響規(guī)律的研究

陳 鑒，王向東，潘柏清，劉 雄，丁 浩，龍明生，剡蘇榮，謝紫華，邵曉峰

(中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司 時(shí)代電氣制造中心，湖南 株洲 412001)

近年來，隨著我國交通運(yùn)輸行業(yè)的飛速發(fā)展，高速列車、城軌列車相繼投入使用。Al-Zn-Mg合金因其具有不錯(cuò)的強(qiáng)質(zhì)比、優(yōu)異的成型性、合格的耐蝕性和可焊性在高速列車、城軌列車上得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

列車的運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜，若鋁合金結(jié)構(gòu)件表面的涂層失效，鋁合金型材將會直接接觸到潮濕空氣、Cl-離子等介質(zhì)，型材表面會發(fā)生腐蝕，此外，在列車運(yùn)行、停放過程中還需承受拉壓交變應(yīng)力、恒拉應(yīng)力的作用。由于Al-Zn-Mg合金自身存在一定的應(yīng)力腐蝕敏感性，在腐蝕介質(zhì)與恒拉應(yīng)力的綜合作用下，會發(fā)生應(yīng)力腐蝕；而在腐蝕介質(zhì)與交變載荷的共同作用下，會引發(fā)腐蝕疲勞[3-5]。腐蝕會引起結(jié)構(gòu)材料的損傷，使結(jié)構(gòu)材料性能下降，導(dǎo)致服役時(shí)間縮短。但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往會由于涂層存在良好的防護(hù)效果而忽視環(huán)境因素在強(qiáng)度衰減中的作用，給結(jié)構(gòu)材料的使用帶來不確定性。如今，隨著軌道車輛的服役年限增長、客容量增大以及運(yùn)行速度加快，對Al-Zn-Mg合金型材及其構(gòu)件的強(qiáng)度、耐蝕性，特別是安全性、可靠性提出了更高的要求，因此需要精細(xì)化了解腐蝕對Al-Zn-Mg合金疲勞性能衰減的影響。

灰色理論對于信息不完整的系統(tǒng)具有很好的預(yù)測性，在各行各業(yè)都有非常廣泛的應(yīng)用，田峻山等[6]通過非等間距灰色系統(tǒng)理論，對混凝土結(jié)構(gòu)的損傷系數(shù)進(jìn)行了壽命預(yù)測并得到了較高的預(yù)測結(jié)果。曲建軍等[7]根據(jù)軌道幾何不平順的發(fā)展特性，通過灰色理論較好地預(yù)測了軌道質(zhì)量隨時(shí)間發(fā)展的隨機(jī)波動特征，預(yù)測精度高。因此采用灰色理論可以對Al-Zn-Mg合金的疲勞強(qiáng)度衰減進(jìn)行精準(zhǔn)的預(yù)測。

本文采用恒定載荷應(yīng)力腐蝕+低應(yīng)力腐蝕疲勞相結(jié)合的方式模擬列車的“服役—停放”過程。首先，對Al-Zn-Mg合金樣品進(jìn)行加速試驗(yàn)；隨后,對加速試驗(yàn)后樣品的疲勞性能與腐蝕疲勞性能進(jìn)行檢測，并與已服役型材的相關(guān)性能進(jìn)行對照，從而獲得Al-Zn-Mg合金型材疲勞、腐蝕疲勞極限的衰減方程；最后，采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金型材的使用壽命進(jìn)行預(yù)測。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)使用的材料為Al-Zn(5.81%)-Mg(0.82%)-Cu(0.12%)-Zr(0.16%)-Mn (0.22%)，錠坯經(jīng)均勻化處理后，通過熱擠壓得到型材。合金擠壓型材經(jīng)470 ℃固溶處理60 min后，用水淬火，隨后進(jìn)行雙級時(shí)效處理，其中預(yù)時(shí)效制度為120 ℃/6 h，終時(shí)效制度為150 ℃/10 h。

1.2 室溫拉伸性能

Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸試樣尺寸一方面參考GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》[8]標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)考慮到所取試樣的實(shí)際尺寸，最終選擇公稱厚度為型材原始厚度的室溫拉伸試樣，具體試樣尺寸如圖1所示。室溫拉伸試驗(yàn)在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)過程中拉伸速率為2 mm/min，試驗(yàn)溫度為室溫(25±3)℃，拉伸試驗(yàn)過程中使用引伸計(jì)測量屈服點(diǎn)。

圖1 Al-Zn-Mg合金型材室溫拉伸試樣尺寸

1.3 常規(guī)疲勞性能

Al-Zn-Mg合金型材疲勞極限測試參照GB/T 3075—2008 《金屬材料 疲勞試驗(yàn) 軸向力控制方法》[9]執(zhí)行，S-N疲勞壽命曲線測試在應(yīng)力比R=0.1、應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1條件下進(jìn)行，循環(huán)極限壽命取107，檢測型材材料(50%置信度、95%可靠度)的疲勞性能差異，試樣尺寸如圖2所示。

圖2 Al-Zn-Mg合金型材疲勞試樣尺寸

1.4 腐蝕疲勞性能

Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞S-N曲線測試參照GB/T 3075—2008和GB/T 20120.1 —2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗(yàn) 第1部分：循環(huán)失效試驗(yàn)》[10]執(zhí)行，采用成組法取3級以上應(yīng)力水平對材料進(jìn)行指定應(yīng)力下的腐蝕疲勞壽命檢測，腐蝕溶液選取剝落腐蝕溶液(EXCO，NaCl(234 g/L)+ KNO3(50 g/L)+ HNO3(6.3 mL/L))。S-N腐蝕疲勞壽命曲線測試在R=0.1、Kt=1下進(jìn)行，循環(huán)極限壽命取5×104，檢測鋁合金型材的腐蝕疲勞性能差異，試驗(yàn)取樣尺寸同疲勞試樣。

1.5 組織觀察

Al-Zn-Mg合金的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)組織觀察分別采用FEI-Quanta200掃描電子顯微鏡和Tecnai G2 20透射電子顯微鏡。掃描電鏡樣品為Al-Zn-Mg合金室溫拉伸斷口樣品；透射電鏡樣品為厚度小于80 μm、直徑為3 mm且中間有薄區(qū)的小圓片。

1.6 衰減規(guī)律探索

采用恒定載荷應(yīng)力腐蝕+低應(yīng)力腐蝕疲勞對樣品進(jìn)行加速試驗(yàn)。恒定載荷應(yīng)力為50～200 MPa，加載時(shí)間為1～3天，腐蝕溶液為NaCl(3.5%)+ NaHSO3(0.01 mol/L)，同時(shí)考慮了氯離子及工業(yè)廢氣中的硫元素對合金性能的影響；腐蝕疲勞最大載荷為10～110 MPa，R=0.1，加載時(shí)間為1～3天，腐蝕溶液同樣為NaCl(3.5% )+ NaHSO3(0.01 mol/L)，1組應(yīng)力腐蝕加1組腐蝕疲勞為1個(gè)加速周期，分別測試得到未加速、加速1個(gè)周期和加速2個(gè)周期下合金的疲勞性能、腐蝕疲勞性能。最后通過灰色理論模型對不同加速周期下的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，得到合金型材衰減多周期后的疲勞極限，并將不同周期的疲勞極限進(jìn)行擬合，得到擬合曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 組織分析

通過透射電鏡觀察Al-Zn-Mg合金型材雙級時(shí)效后的第二相分布及晶界結(jié)構(gòu)。圖3(a)～圖3(b)為合金透射電鏡明場像，圖3(c)為圖3(a)中沿<100>Al的選區(qū)電子衍射圖片。由圖3(a)可知，基體內(nèi)有許多細(xì)小均勻分布的第二相粒子，粒子主要呈點(diǎn)狀。根據(jù)其對應(yīng)的衍射圖片(圖3(c))，能看到明顯的η′相的衍射斑點(diǎn)，GP區(qū)的衍射強(qiáng)度微弱。從圖3(b)中可以看到晶界處的第二相粒子呈島狀分布，析出的η相呈棒狀，彼此沒有直接連接。這種不連續(xù)分布的粗大η相，將腐蝕過程中的陽極溶解通道隔斷，降低了腐蝕介質(zhì)沿晶界的擴(kuò)散速率，從而可提高合金的耐蝕性能。在應(yīng)力腐蝕過程中，粗大η相有利于使富集在上面的氫原子形成氫氣逸出，抑制氫脆，因此在雙級時(shí)效態(tài)下，Al-Zn-Mg合金具有良好的抗腐蝕性能。

圖3 Al-Zn-Mg合金型材雙級時(shí)效處理后的TEM組織

2.2 室溫拉伸性能

表1為Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸結(jié)果，平行試樣共3根。通過對比強(qiáng)度和伸長率可知，3根Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸性能穩(wěn)定，其中平均抗拉強(qiáng)度(Rm)、平均屈服強(qiáng)度(RP0.2)和平均斷后伸長率(A)分別為345.95 MPa、315.77 MPa和22.67%。

表1 Al-Zn-Mg合金型材室溫拉伸性能

通過觀察Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸斷口(圖4)可以發(fā)現(xiàn)在斷裂面上存在大量的等軸韌窩，這些韌窩尺寸分布密集；在韌窩底部，發(fā)現(xiàn)了許多第二相粒子。表明該Al-Zn-Mg合金型材在經(jīng)過雙級時(shí)效處理后具有不錯(cuò)的韌性。

圖4 Al-Zn-Mg合金室溫拉伸斷口形貌

2.3 常規(guī)疲勞性能

表2為Al-Zn-Mg合金型材疲勞性能檢測結(jié)果，對應(yīng)的升降法疲勞強(qiáng)度如圖5所示。依據(jù)升降法計(jì)算規(guī)則得到在應(yīng)力比R=0.1、應(yīng)力梯度Δσ=10 MPa條件下，Al-Zn-Mg合金型材試樣中值疲勞強(qiáng)度為219.29 MPa。

表2 Al-Zn-Mg合金型材疲勞性能檢測結(jié)果

圖5 Al-Zn-Mg合金型材疲勞強(qiáng)度

2.4 腐蝕疲勞性能

表3為Al-Zn-Mg合金型材的腐蝕疲勞性能檢測結(jié)果，對應(yīng)的S-N曲線如圖6所示。Al-Zn-Mg合金型材在加載超過210 MPa的條件下很難達(dá)到5×104的循環(huán)周次，而在200 MPa時(shí)則可以通過。根據(jù)計(jì)算可知，Al-Zn-Mg合金的腐蝕疲勞極限強(qiáng)度為208.93 MPa。

表3 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞性能檢測結(jié)果

圖6 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞強(qiáng)度

2.5 型材衰減規(guī)律

表4、表5為Al-Zn-Mg合金型材在經(jīng)過1個(gè)加速周期后的常規(guī)疲勞和腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果。由表4可知，在R=0.1、Δσ=10 MPa條件下，依據(jù)升降法測試得到的Al-Zn-Mg合金型材中值疲勞強(qiáng)度為203.00 MPa。根據(jù)表5所列數(shù)據(jù)，依據(jù)成組法計(jì)算規(guī)則，可知Al-Zn-Mg合金型材經(jīng)加速試驗(yàn)后的腐蝕疲勞強(qiáng)度為169.46 MPa。

表4 加速1個(gè)周期試驗(yàn)后Al-Zn-Mg合金型材疲勞檢測結(jié)果

表5 加速1個(gè)周期試驗(yàn)后Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞檢測結(jié)果

通過對比未加速之前與加速1個(gè)周期后Al-Zn-Mg合金型材的常規(guī)疲勞強(qiáng)度、腐蝕疲勞強(qiáng)度可知，合金型材的常規(guī)疲勞強(qiáng)度衰減約16 MPa，而腐蝕疲勞強(qiáng)度衰減約39 MPa?？梢?，在腐蝕條件下，合金力學(xué)性能的衰減比未腐蝕時(shí)更為明顯。

表6、表7為Al-Zn-Mg合金型材在經(jīng)過2個(gè)加速周期后的常規(guī)疲勞和腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果。依據(jù)升降法計(jì)算表6的數(shù)據(jù)，得到在R=0.1、Δσ=10 MPa條件下，加速2個(gè)周期后Al-Zn-Mg合金型材的疲勞極限為182.50 MPa；根據(jù)表7所列數(shù)據(jù)計(jì)算得到加速2個(gè)周期后Al-Zn-Mg合金型材循環(huán)5×104周次后的腐蝕疲勞極限強(qiáng)度為125.13 MPa?？梢姡噍^于加速1個(gè)周期后的常規(guī)疲勞與腐蝕疲勞強(qiáng)度又有一定程度的下降，其中常規(guī)疲勞強(qiáng)度下降約20 MPa，腐蝕疲勞強(qiáng)度下降約44 MPa，Al-Zn-Mg合金型材的性能衰減降幅有增大趨勢。

表6 加速2個(gè)周期試驗(yàn)后Al-Zn-Mg合金型材疲勞檢測結(jié)果

以表2～表7中Al-Zn-Mg合金型材加速試驗(yàn)前后的常規(guī)疲勞強(qiáng)度值和腐蝕疲勞強(qiáng)度值為基礎(chǔ)，將其數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表8所示。采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金在不同加速周期下的疲勞性能、腐蝕疲勞性能進(jìn)行分析，得到合金的常規(guī)疲勞性能發(fā)展系數(shù)為0.106，灰色作用量為237.12；而腐蝕疲勞性能的發(fā)展系數(shù)為0.30，灰色作用量為257.84?？梢?，Al-Zn-Mg合金型材的腐蝕疲勞性能發(fā)展趨勢更快。

表7 加速2個(gè)周期試驗(yàn)后Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞檢測結(jié)果

表8 加速試驗(yàn)前后Al-Zn-Mg合金型材性能數(shù)據(jù)及灰色理論參數(shù)值

使用灰色理論模型對長周期下的Al-Zn-Mg合金型材的疲勞強(qiáng)度及腐蝕疲勞強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，可以得知在6個(gè)加速周期后，合金的疲勞強(qiáng)度仍可達(dá)到119.17 MPa，而腐蝕疲勞強(qiáng)度則只有37.39 MPa(表9)，充分說明腐蝕對于Al-Zn-Mg合金性能衰減的加速作用。腐蝕介質(zhì)中絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命降低，裂紋擴(kuò)展速率增加。在腐蝕介質(zhì)中，Cl-和H+會優(yōu)先作用于沿晶界分布的MgZn2相，引起腐蝕。由于該Al-Zn-Mg合金型材經(jīng)過雙級時(shí)效處理，MgZn2相呈島狀分布，因此在金屬表面形成點(diǎn)蝕坑，使型材表面的粗糙度上升，同時(shí)引起局部損傷與應(yīng)力集中，會成為疲勞加載下的疲勞源頭，引起疲勞強(qiáng)度降低；同時(shí)由于H+尺寸較小，在合金內(nèi)部有一定的自由度，會隨裂紋尖端逐漸向型材內(nèi)部擴(kuò)張，進(jìn)一步破壞構(gòu)件。

表9 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞性能預(yù)測表

對灰色理論模型預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，擬合曲線如圖7所示。常規(guī)疲勞強(qiáng)度和腐蝕疲勞強(qiáng)度都隨加速周期呈指數(shù)形式衰減。通過擬合可知常規(guī)疲勞強(qiáng)度、腐蝕疲勞強(qiáng)度隨加速周期的衰減方程分別為：

圖7 疲勞和腐蝕疲勞強(qiáng)度隨加速周期的擬合曲線

FA=-12.31+234.05exp(-0.095t)

(1)

FC=-4.02+217.33exp(-0.27t)

(2)

式中：FA——常規(guī)疲勞強(qiáng)度；

FC——腐蝕疲勞強(qiáng)度；

t——加速周期。

2個(gè)衰減方程的擬合系數(shù)分別為0.999 43和0.998 17，說明具有良好的擬合效果。

3 結(jié)論

本文通過腐蝕疲勞、應(yīng)力腐蝕相結(jié)合的方法模擬 “服役—停放”狀態(tài)，測試了不同加速周期下Al-Zn-Mg合金型材的疲勞強(qiáng)度、腐蝕疲勞強(qiáng)度。采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金在不同加速周期下的疲勞性能、腐蝕疲勞性能進(jìn)行分析，得出合金型材常規(guī)疲勞性能發(fā)展系數(shù)和灰色作用量分別為0.11和237.12，腐蝕疲勞性能發(fā)展系數(shù)和灰色作用量分別為0.30和257.84?？梢?，Al-Zn-Mg合金型材的常規(guī)疲勞強(qiáng)度、腐蝕疲勞強(qiáng)度會隨模擬加速試驗(yàn)周期的延長而衰減，腐蝕疲勞條件下Al-Zn-Mg合金型材的性能衰減比常規(guī)疲勞條件下的性能衰減更快。