剝落腐蝕對7055鋁合金板材力學性能的影響

廖文博 ，劉心宇 ，劉勝膽，張新明

(1. 中南大學 材料科學與工程學院，湖南 長沙，410083；2. 桂林電子科技大學 廣西信息材料重點實驗室，廣西 桂林，541004)

高強鋁合金一直用作飛機的結構材料。在實際服役條件下尤其是沿海環境，這些鋁合金材料往往會發生局部腐蝕。剝落腐蝕是其中的一種典型形式，會導致材料表面金屬分層甚至和基體剝離[1]。剝落腐蝕可降低鋁合金的拉伸性能[2-4]、疲勞性能[5-6]和斷裂韌性[2,7]等性能，無疑這對飛機的安全構成嚴重威脅。因此，研究剝落腐蝕對鋁合金材料力學性能的影響顯得尤為重要，這可為飛機設計選材、評價材料的可靠性及預測材料的使用壽命提供依據。7000系鋁合金是熱處理強化合金，時效后可獲得很高的強度，是飛機的典型結構材料。剝落腐蝕也是該系鋁合金一種常見的局部腐蝕形式[6,8]。隨著航空工業的發展，不僅要求結構材料具有更高強度，而且要具有更好的耐腐蝕性能。為了使7000系合金兼備高強耐蝕性能，人們在熱處理制度方面進行了大量研究[8-12]，開發的T77工藝可使合金獲得接近T6態的強度和近T73態的耐腐蝕性能，通常被認為是一種基于回歸再時效(RRA)的三級時效處理工藝[11-12]。如7055鋁合金經T77處理后，具有較高的強度、良好的耐蝕性及較高的韌性等綜合性能，被用于制備軍用運輸機及大型客機的上翼蒙皮、龍骨梁等關鍵承力構件[13]。人們對該系合金的耐腐蝕性能及其機理進行了大量研究[8-10,14-15]，但就剝落腐蝕對其力學性能的影響的研究較少[5-6]。為此，本文作者以7055鋁合金板材為對象，通過剝落腐蝕加速實驗，研究腐蝕時間對其強度和伸長率的影響規律，并通過金相顯微鏡和掃描電鏡對其原因進行分析和討論。

1 實驗

1.1 實驗材料

研究的是材料厚度為2 mm的7055鋁合金板材，其化學成分如表1所示。板材于鹽浴爐中經470 ℃/1 h固溶后淬入室溫水中，然后進行回歸再時效處理，即121 ℃/24 h+190 ℃/0.5 h+水淬+121 ℃/24 h。

表1 7055鋁合金板材的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical compositions of studied 7055 aluminum alloy sheet %

1.2 腐蝕實驗

按國際標準 GB/6497—14將板材加工成拉伸試樣，經粗磨、細磨后依次用NaOH和HNO3溶液進行表面處理，然后用清水沖洗干凈，晾干。試樣留出中間標距為30 mm的區域，其余部分用松香封住。剝落腐蝕(EXCO)浸泡按國家標準 GB/T 22639—2008進行，腐蝕液為：234 g NaC1+50 g KNO3+6.3 mL HNO3加蒸餾水稀釋至1 L，容面比為15 mL/cm2。試驗在(25±3) ℃的恒溫水浴箱中進行，試樣在腐蝕液中分別浸泡3，6，12，24和48 h后取出用水漂洗，在濃硝酸中浸泡 30 s再次用水漂洗，然后吹干。采用Olympusμ760數碼相機記錄樣品腐蝕后的表面形貌。

1.3 性能檢測及分析

測試板材腐蝕前后(0～48 h)及去除了表面腐蝕層樣品(腐蝕48 h)的拉伸性能。拉伸實驗在CSS-44100電子萬能試驗機上進行，測得屈服強度 σ0.2、抗拉強度σb及伸長率δ5，取3個平行樣品進行測量。

板材腐蝕后切取樣品制備金相觀察腐蝕情況，金相樣品經粗磨、細磨及拋光后在XJP-6A金相顯微鏡上進行觀察。采用FEI Quanta 200掃描電鏡(SEM)對拉伸斷口進行觀察和分析。

2 實驗結果

2.1 室溫拉伸性能

表2所示為7055鋁合金板材腐蝕不同時間后的拉伸性能。由表2可知：經剝落腐蝕后，7055鋁合金板材的強度和伸長率都降低；腐蝕24 h后，板材的抗拉強度降至500 MPa以下，伸長率也降至1.1%；腐蝕48 h后伸長率降至0.9%，屈服強度和抗拉強度接近。以未腐蝕板材的性能P(0)為基準，計算腐蝕不同時間后性能P(t)的下降程度ΔP(t)：

表2 7055鋁合金板材腐蝕前后的拉伸性能Table 2 Tensile properties of 7055 aluminum alloy sheet before and after corrosion

計算結果與腐蝕時間的關系如圖1所示。腐蝕時間對2024和2091等鋁合金的拉伸性能的下降程度的影響可用以下關系表示[3]：

其中：ΔPs(t)為強度下降幅度；ΔPe(t)為伸長率下降幅度；t為腐蝕時間，C，A，n和k都為擬合得到的常數。采用式(2)和(3)對圖 1中的實驗數據進行擬合，得到7055鋁合金板材拉伸性能下降程度與剝落腐蝕時間的關系式如下。

屈服強度下降程度：

抗拉強度下降程度：

伸長率下降程度：

根據式(4)～(6)繪制的曲線如圖1所示。在所研究的時間范圍內，上述關系式可較好地描述腐蝕時間對拉伸性能下降程度的影響規律。當腐蝕時間相同時，板材的屈服強度和抗拉強度的下降程度相差不大，但明顯小于伸長率的下降程度；在最初6 h，板材的強度和伸長率的下降程度迅速增大，強度下降約15%，而伸長率下降程度達80%；隨著腐蝕時間的延長，強度和伸長率的下降程度緩慢增加，至48 h時，強度下降約28%，伸長率下降87%。由此可知：腐蝕對板材的伸長率比強度有更大的影響。

圖1 7055鋁合金板材拉伸性能下降程度與剝落腐蝕時間的關系Fig.1 Relationship between drop percentage in tensile properties of 7055 aluminum alloy sheet and exfoliation corrosion exposure time

2.2 腐蝕形貌

樣品腐蝕后的表面形貌如圖2所示。樣品剛放入溶液中時表面出現大量的氣泡，腐蝕3 h后表面有些腐蝕跡象，并開始變色；約6 h后表面氣泡明顯減少，腐蝕跡象更加明顯，分布不均勻，表面顏色變化不大，如圖2(a)所示；腐蝕12 h時，在樣品表面可觀察到一些小爆皮(PC級)，而其他區域未見明顯的腐蝕，如圖2(b)所示；腐蝕時間延長至24 h時，樣品表面均為深灰紅色的腐蝕產物所覆蓋，一些腐蝕產物已脫落并沉到容器底部(EA級)，如圖2(c)所示；至48 h時，樣品表面脫落的腐蝕產物增加，腐蝕更加深入到樣品內部(EB級)，如圖2(d)所示。

圖3所示為7055鋁合金板材剝落腐蝕后截面的金相照片。當腐蝕時間較短時，樣品表層可觀察到沿晶腐蝕跡象(如圖3(a)所示)，此時，腐蝕深度較??；隨著時間延長，腐蝕不斷地沿著晶界進行，深入到樣品內部，同時，由于腐蝕產物膨脹產生的力將表層的金屬頂起而呈層狀脫落，如圖3(b)所示。此外，由于腐蝕沿著晶界進行，將晶粒的形狀襯托出來。

圖2 樣品腐蝕不同時間后的表面形貌Fig.2 Surface morphology of specimen after corrosion exposure for different time

圖3 樣品腐蝕后的截面的金相照片(RD：軋向，ND：法向)Fig.3 Optical micrographs of cross-section of specimen after corrosion

2.3 斷口形貌

圖4 7055鋁合金樣品拉伸斷口的SEM照片Fig.4 SEM images of fracture surface of 7055 aluminum alloy after tensile testing

通過掃描電鏡對樣品的斷口觀察發現：在樣品的中心部分，腐蝕對其斷裂特征幾乎沒有影響，但在樣品表層有較大的差別，典型的SEM照片如圖4所示；對于未腐蝕樣品，拉伸斷口表層呈現出典型的準解理特征(見圖4(a))；而中心是典型的韌性斷裂特征，以穿晶韌斷為主，可觀察到大量的韌窩(見圖 4(b))；經過3 h腐蝕后，樣品拉伸斷口從表層至中心可分成3個區域，如圖 4(c)所示。表層為沿晶斷裂層，可觀察到很多沿晶裂紋，顯然為表層發生了腐蝕的區域；次表層呈現準解理特征，中心層仍主要是穿晶韌斷，都與未腐蝕樣品的表層類似；隨著腐蝕時間的延長，表面的腐蝕層厚度不斷增加(如圖4(e)所示)，不僅可觀察到沿晶裂紋，還可觀察到一些白色的腐蝕產物。

3 分析與討論

經過剝落腐蝕后，7055鋁合金板材表面遭受損傷，出現了大量的沿晶微裂紋和腐蝕缺口(圖 2和圖3)。開始時腐蝕較輕微，雖都沿著晶界發生并擴展，但幾乎未看到剝落的跡象。隨著時間的延長，腐蝕順著晶界沿板材軋向和法向擴展，腐蝕產物不斷增多，體積膨脹，產生的楔力導致微裂紋形成，表層的金屬甚至被頂起而與基體脫離，出現一些腐蝕缺口(如圖3(b)所示)。在拉伸過程中，這些腐蝕缺口底部易產生應力集中，而產生的沿晶微裂紋可充當裂紋源，拉應力的作用促使這些微裂紋沿著晶界快速擴展，因此，板材的拉伸強度尤其是伸長率大大降低。隨著腐蝕時間的不斷延長，板材的損傷程度不斷增加，腐蝕得更深，導致拉伸性能不斷降低。

將腐蝕48 h后的板材表面的腐蝕層去除再進行拉伸測試，發現板材的抗拉強度恢復至563 MPa，屈服強度恢復至487 MPa，伸長率恢復至5.4%；與未腐蝕的相比，下降程度大大減小，分別約為 5%，15%和23%。由表2和圖1可知：表面腐蝕層對拉伸性能有很大的不利影響。腐蝕層被除去后，表層的沿晶微裂紋和腐蝕缺口都被除去，因此，板材的拉伸性能得到恢復，但沒有完全達到未腐蝕板材的水平。Petroyiannis等[16]通過研究發現，將 2024鋁合金板材表面腐蝕層去除后，其強度和伸長率雖然得到恢復，但仍未達到未腐蝕合金的水平，認為是腐蝕層下面的富氫脆性區的影響所致。本文作者發現，在7000系鋁合金中亦存在同樣的情況。其原因是腐蝕沿著晶界發展深入到板材的內部，產生的氫原子擴展至微裂紋附近的金屬內部，從而降低了晶格的結合力，產生氫脆[17]，降低板材的拉伸性能。但對于板材表面的腐蝕層和富氫脆性區的影響，腐蝕層的影響似乎明顯更大，這可從板材去除腐蝕層后拉伸性能的恢復程度得到證明。對于強度的損失程度(約28%)，腐蝕層產生的影響約占23%，富氫脆性區的影響約占5%；而對于伸長率的損失(約87%)，腐蝕層的影響約占64%，富氫脆性區的影響約占23%。板材被腐蝕后，強度與伸長率永久性下降。板材表面的腐蝕層和基體的結合力大大降低，在拉伸過程中起不到承受載荷的作用，雖然去除表面腐蝕層可恢復強度和伸長率，但板材的實際承載面積更小，能承受的載荷也降低。本研究結果還表明：對于7000系合金，腐蝕后的拉伸性能下降程度與腐蝕時間存在一定的關系，這使得預測剝落腐蝕后材料的拉伸性能成為可能，但在實際應用中需要獲得材料服役環境下的相關參數，情況更為復雜，這有待于進一步研究。

4 結論

(1) 剝落腐蝕后 7055鋁合金板材的拉伸性能降低，在最初6 h，強度和伸長率迅速降低，而后緩慢降低；腐蝕24 h后，板材的抗拉強度低于500 MPa，伸長率只有 1%左右；強度的降低程度顯著低于伸長率的降低程度。

(2) 板材腐蝕后表層出現大量的沿晶腐蝕裂紋和腐蝕缺口，拉伸時在缺口處產生應力集中，裂紋源的數量增加，這是拉伸性能降低的主要原因。

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