某車體6005A鋁合金邊梁的腐蝕失效行為研究

張 倩，杜涵秋，許 鑫，呂 晶

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

0 前 言

近年來隨著鐵路客運(yùn)量日益增大、列車速度日趨加快，鋁合金材料在鐵道車輛車體上應(yīng)用廣泛，以滿足輕量化的使用要求[1]。由于鋁合金的屈服強(qiáng)度一般只有普通低碳鋼的1/2，抗拉強(qiáng)度只有普通低碳鋼的2/3，且鋁合金車體型材的壁厚較薄(一般只有4～6 mm)，若發(fā)生腐蝕則會(huì)降低鋁合金型材的強(qiáng)度及抗疲勞性能。而邊梁作為車體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件之一，若出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕會(huì)導(dǎo)致行車安全事故，因此對(duì)該類腐蝕失效案例進(jìn)行分析并提出改進(jìn)措施，對(duì)行車安全具有重要意義。

6005A鋁合金型材邊梁作為車體底架的主要組成部分之一，縱向貫通于車體底架的兩側(cè)，對(duì)軌道車體的整體起到連接和承重作用[2]，其組合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某車體邊梁的組合結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The diagrammatic sketch of composite structure of a car body structure of the edge beam

某車輛運(yùn)行3.6×106km左右時(shí)，在檢修過程中發(fā)現(xiàn)其車體吊掛牽引變流器一側(cè)的邊梁腐蝕嚴(yán)重，隨后換下。本工作通過對(duì)傷損邊梁進(jìn)行宏、微觀檢驗(yàn)等表征手段，綜合分析了邊梁發(fā)生腐蝕的原因。

1 試 驗(yàn)

1.1 宏觀檢查

傷損鋁合金邊梁的宏觀形貌和邊梁底部的宏觀形貌分別如圖2、圖3所示。邊梁鋁合金板厚約為4 mm，表面進(jìn)行了防腐噴漆涂層處理，邊梁下部局部涂層脫落，已露出鋁合金基體?？梢娺吜旱撞康鯍煸O(shè)備的位置所受腐蝕嚴(yán)重。經(jīng)測(cè)量，局部腐蝕區(qū)域面積約為230 mm×45 mm。放大腐蝕區(qū)域進(jìn)行觀察，宏觀形貌如圖4所示。由圖4可見吊掛設(shè)備的接觸部位有部分金屬已掉落，邊緣參差不齊，有明顯的材料損失；鋁合金表面呈灰白色，存在一定的腐蝕產(chǎn)物；此外，表面還存在一垂直向內(nèi)延伸的裂紋，裂紋深度約為10 mm，如圖4b中箭頭所指。

圖2 傷損鋁合金邊梁的宏觀形貌Fig. 2 The macro morphology of the damage aluminum alloy edge beam

圖3 邊梁底部的宏觀形貌Fig. 3 The macro morphology of the edge beam’s bottom

1.2 掃描電鏡觀察和微區(qū)能譜分析

采用FEI quanta400掃描電子顯微鏡對(duì)圖3方框中的腐蝕區(qū)域進(jìn)行SEM形貌分析，結(jié)果見圖5和圖6。

圖4 傷損鋁合金邊梁的放大宏觀形貌Fig. 4 The enlarged macro morphology of the damage aluminum alloy edge beam

圖5 邊梁表面的腐蝕宏觀形貌Fig. 5 The corrosion macro morphology of the edge beam’s surface

圖6 邊梁表面的龜裂微觀形貌Fig. 6 The crazing micro morphology of the edge beam’s surface

圖5可見傷損區(qū)域表面被大量腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，邊梁表面呈亮白色，這是由于表面大量的腐蝕產(chǎn)物形成的累積電荷所致。此外，圖6中還可觀察到表面存在大量腐蝕產(chǎn)物龜裂后形成的細(xì)小裂紋。對(duì)表面局部微區(qū)進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如圖7所示，圖7b中的表格數(shù)據(jù)為采用特征X射線K線系進(jìn)行定量計(jì)算得到的結(jié)果。圖7表明，腐蝕區(qū)域表面的腐蝕產(chǎn)物的主要元素為O、Al，此外還有少量的雜質(zhì)元素C、Na、Si、S、K、Fe。O的大量存在表明斷口處的腐蝕產(chǎn)物主要為鋁的氧化物。C、O、Na、S、K、Ca等元素的存在，結(jié)合邊梁處于車體排污口附近，由此可知邊梁在具有糞便類腐蝕性的大氣環(huán)境中運(yùn)行過。

圖7 腐蝕區(qū)域能譜分析結(jié)果Fig. 7 EDS analysis result in corrosion area

1.3 腐蝕區(qū)域截面的金相組織分析

取圖3中方框所示腐蝕區(qū)域處鋁合金板的橫截面進(jìn)行金相組織測(cè)試，磨制后用科勒試劑浸蝕并觀察，試樣金相磨面的宏觀形貌見圖8。

圖8 金相磨面的宏觀形貌Fig. 8 Macro morphology of metallographic grinding surface

采用Leica DMI5000M金相顯微鏡觀察試樣，結(jié)果表明鋁合金板表面存在晶間腐蝕裂紋。腐蝕區(qū)域的金相組織微觀形貌見圖9。圖9可見裂紋由鋁合金板表面沿晶界向內(nèi)部曲折擴(kuò)展，已形成區(qū)域性網(wǎng)狀裂紋，裂紋擴(kuò)展最大深度達(dá)1.0 mm，表明晶間腐蝕程度較嚴(yán)重。圖10所示為局部晶間腐蝕的放大形貌，由圖10可見鋁合金板表面腐蝕較嚴(yán)重的區(qū)域已出現(xiàn)剝落掉塊，擴(kuò)展至內(nèi)部的網(wǎng)狀裂紋也有部分從晶界處繼續(xù)向晶內(nèi)腐蝕，晶粒相互脫離甚至脫落，形成孔洞。

圖9 腐蝕區(qū)域的金相組織微觀形貌Fig. 9 The micro metallographic morphology of corrosion area

圖10 晶間裂紋的放大形貌Fig. 10 The enlarged morphology of interguanular cracks

裂紋尖端的放大形貌見圖11，由圖11可知，裂紋沿晶界拉開的寬度較大。圖12所示為試樣心部金相組織的形貌特征，可見金相組織晶粒尺寸較粗大且不均勻，可清晰看到析出相(AlCu、CuSi 或 AlMgSiCu 相)呈顆粒狀均勻分布在α - Al 固溶體晶粒上，亦可觀察到部分連續(xù)的析出相聚集在晶界上。

圖11 裂紋尖端的放大形貌Fig. 11 The enlarged morphology of crack tips

根據(jù)列車車體設(shè)計(jì)要求及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3260.4-2011，對(duì)6005A - T6鋁合金型材的金相組織技術(shù)要求為：型材的顯微組織不允許過燒，其晶粒度級(jí)別指數(shù)不低于3級(jí)。檢驗(yàn)結(jié)果表明該邊梁晶間腐蝕區(qū)域及基體內(nèi)部均未出現(xiàn)過燒組織。根據(jù)GB/T 6394-2017“金屬平均晶粒度測(cè)定方法”[3]對(duì)此試樣的晶粒度進(jìn)行評(píng)級(jí)，測(cè)得粗晶粒組織晶粒度大小為3級(jí)，細(xì)晶粒組織晶粒度大小為5級(jí)，滿足相關(guān)要求。

采用FM - 810自動(dòng)顯微維氏硬度計(jì)，分別在試樣心部及晶間裂紋附近進(jìn)行顯微硬度(HV1 N)測(cè)試，檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示，表1表明試樣的近表面晶間裂紋區(qū)域與心部的硬度接近，均在100 HV1 N左右，沒有明顯差異。

表1 試樣心部及晶間裂紋附近顯微硬度檢驗(yàn)結(jié)果 HV1 N

1.4 化學(xué)成分檢驗(yàn)

采用ICP 7400電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測(cè)試鋁合金車體的化學(xué)成分，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。表2顯示，橫梁的化學(xué)成分滿足牌號(hào)為6005A鋁合金的技術(shù)要求。

表2 鋁合金車體化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 結(jié)果與討論

綜上所述，鋁合金邊梁在列車運(yùn)行過程中，由于處于排污口附近的腐蝕環(huán)境中，在邊梁型材的局部區(qū)域表面形成了晶間腐蝕裂紋，使材料發(fā)生了局部的表面基體脫落、變形，從而使邊梁失效，其腐蝕類型屬于晶間腐蝕(IGC)。IGC是一種常見的局部腐蝕，通常呈網(wǎng)絡(luò)狀，一般肉眼觀察不到，而且?guī)缀醪灰鸩牧系闹亓繐p失。IGC破壞的是晶粒和晶界間的結(jié)合力，引起材料力學(xué)性能下降，所以晶間腐蝕是結(jié)構(gòu)鋁合金中危險(xiǎn)性最大的腐蝕破壞形式之一[4]。

(1)運(yùn)行環(huán)境方面 鋁合金邊梁所處的環(huán)境條件是其產(chǎn)生腐蝕的外因。傷損邊梁位于排污口附近，處于潮濕、具有酸性物質(zhì)的環(huán)境中，使其運(yùn)行環(huán)境具有較強(qiáng)的腐蝕性，環(huán)境中含有的Na、S、O、H等元素容易在局部微小的缺陷處附著或進(jìn)入合金內(nèi)部，與鋁合金表面的氧化鋁薄膜發(fā)生反應(yīng)而破壞了氧化鋁鈍化膜。由于吊掛點(diǎn)位置露出的基體金屬呈活化狀態(tài)，而周圍鈍化膜處仍為鈍態(tài)，因此更形成了活性 - 鈍性腐蝕電池，由于陽(yáng)極面積比陰極面積小得多，陽(yáng)極電流密度很大，電化學(xué)反應(yīng)迅速進(jìn)行，更加重了吊掛點(diǎn)處晶間腐蝕的速度，使金屬出現(xiàn)輕微變形，掉塊。

(2)材料因素方面 鋁合金邊梁的組織特點(diǎn)是其產(chǎn)生腐蝕的內(nèi)因[5]。在6xxx系鋁合金中，若鋁合金中元素含量不合理或熱處理不當(dāng)，就會(huì)導(dǎo)致晶間腐蝕。Svenningsen等[6]認(rèn)為，影響6xxx系鋁合金晶間腐蝕最主要的因素是Cu含量，其次是熱處理工藝。Liang等[7]認(rèn)為，Mg、Si質(zhì)量比對(duì)晶間腐蝕有顯著影響。

合金元素Cu能有效增強(qiáng)鋁合金強(qiáng)度并提高鋁合金在熱加工時(shí)的塑性，同時(shí)可抑制鋁合金因添加Mn元素而呈現(xiàn)出各向異性的趨勢(shì)。然而，Cu含量的增加也提高了鋁合金的晶間腐蝕敏感性和過燒敏感性[8，9]。根據(jù)化學(xué)成分分析可知，鋁合金邊梁中含0.100%Cu，增大了其晶間腐蝕敏感性。晶間腐蝕歸因于陰極A1MgSi(Cu)中A14Mg8Si7Cu2(Q)相的析出與晶界無沉淀帶區(qū)(PFZ)之間的微電偶耦合作用[9]。

合金元素Mg與Si主要形成強(qiáng)化相Mg2Si，Mg、Si元素的質(zhì)量比會(huì)影響鋁合金的強(qiáng)度及耐蝕性。在生產(chǎn)實(shí)踐中，很難完全生成強(qiáng)化相Mg2Si，因此不能保持鋁合金中具有正常的Mg、Si元素質(zhì)量比(正常質(zhì)量比為mMg∶mSi=1.73)，多數(shù)鋁合金都含有過量的Mg或Si[10]。根據(jù)化學(xué)成分分析可知，鋁合金邊梁的Mg、Si質(zhì)量比為1.04<1.73，這時(shí)鋁合金內(nèi)部存在過剩的Si。Si過量有利于提高機(jī)械強(qiáng)度，但是增加了鋁合金形成晶間腐蝕的傾向[11]。相關(guān)研究表明[12-16]，Si與Mg2Si會(huì)協(xié)同作用促進(jìn)晶間腐蝕。一方面，Si粒子與其附近無沉淀區(qū)域(PFZ)的電位相差較大，導(dǎo)致附近無沉淀區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的陽(yáng)極溶解；另一方面，晶界Mg2Si的電位比其邊緣Al基體的負(fù)，在腐蝕初期作為陽(yáng)極發(fā)生陽(yáng)極溶解，Mg2Si中活性Mg優(yōu)先溶解，導(dǎo)致Si富集，Si加快了Mg2Si和晶界無沉淀帶的極性轉(zhuǎn)換，加速了Mg2Si沉淀的相鄰周邊沉淀物區(qū)(PFZ)的腐蝕。過剩的Si易沿晶界偏析，使塑性降低，從而引起晶界脆化，最終使鋁合金耐蝕性變差。過剩的Si還可與鋁合金中的雜質(zhì)鐵形成A1FeSi相，A1FeSi相的電位比鋁基體正，因此鋁基體作為陽(yáng)極發(fā)生陽(yáng)極腐蝕。

此外，晶粒大小也是影響鋁合金IGC性能的一個(gè)重要因素，晶粒粗大會(huì)導(dǎo)致材料的韌性下降。Andersen等[16]發(fā)現(xiàn)，過剩的Si會(huì)使合金晶粒粗化。本工作測(cè)得鋁合金邊梁的顯微組織為α - Al固溶體晶粒上均勻分布著析出相(AlCu、CuSi或AlMgSiCu相)，并無異常，但其晶粒尺寸較大，且晶粒的不均勻性較高。晶粒尺寸粗大將使晶界變少，析出相在晶界處的分布會(huì)更加集中。

由實(shí)驗(yàn)觀察可知，鋁合金邊梁的晶內(nèi)析出相大面積彌散分布于基體上，尺寸較小、密度大，在晶界上還存在連續(xù)分布的特征。鋁合金在腐蝕過程中，由于晶界析出相的電位低于α - Al固溶體，晶界連續(xù)析出相與周圍的基體易構(gòu)成微電池腐蝕，晶界析出相作為陽(yáng)極腐蝕通道而優(yōu)先腐蝕溶解，析出相在晶界的相對(duì)集中分布使腐蝕通道易于沿晶界連續(xù)分布，因此，該型材在腐蝕環(huán)境中易發(fā)生沿晶腐蝕，導(dǎo)致裂紋易于沿晶界擴(kuò)展，且連續(xù)分布的晶界析出相也增大了合金的晶間腐蝕敏感傾向。

(3)受力方面 鋁合金邊梁腐蝕區(qū)域處于牽引變流器的吊掛點(diǎn)附近。邊梁作為安裝在列車車身上的部件，運(yùn)行過程中必然會(huì)隨車身經(jīng)受交變應(yīng)力，因此牽引變流器吊掛點(diǎn)處的邊梁表面涂層將更易脫落而露出基體，表面的氧化膜也更易被破壞。當(dāng)腐蝕發(fā)生時(shí)，車身交變應(yīng)力和重力作用會(huì)加速晶間腐蝕的擴(kuò)展，降低型材的強(qiáng)度使基體發(fā)生變形、裂紋。

3 結(jié)論及建議

(1)失效鋁合金邊梁發(fā)生了晶間腐蝕(IGC)，裂紋萌生于腐蝕區(qū)域表面，沿晶界向內(nèi)部擴(kuò)展，使鋁合金型材的性能降低。

(2)在列車運(yùn)行過程中，由于鋁合金邊梁處于排污口附近的腐蝕環(huán)境中，在邊梁型材的局部應(yīng)力集中區(qū)域表面形成了晶間腐蝕裂紋，使材料局部表面基體脫落、輕微變形，從而使邊梁失效。

(3)鋁合金表面的保護(hù)性氧化膜雖能起到一定的耐蝕作用，但當(dāng)其暴露于極端pH值條件時(shí)，氧化膜會(huì)遭到破壞。因此，建議加強(qiáng)列車排污口、空調(diào)出風(fēng)口等特殊位置鋁合金車體的表面防護(hù)措施，如增加表面涂漆厚度、采用陽(yáng)極氧化、微弧氧化、金屬鍍層等表面防腐技術(shù)等。