高速列車車體鋁合金抗應(yīng)力腐蝕性能

基金項目： 國家科技支撐計劃資助項目（2009BAG12A07-B03）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（SWJTU12CX047）

作者簡介： 江超（1990-），男，博士研究生，研究方向為鋁合金應(yīng)力腐蝕，電話： 15982124997， E-mail： jccl048@163.com

通訊作者： 陳輝（1970-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為鋁合金結(jié)構(gòu)疲勞、殘余應(yīng)力， E-mail： xnrpt@163.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0500-07DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.017

摘要：

為了確定高速列車常用5、6、7系列鋁合金部件的安全可靠性，采用恒載荷方法和恒位移方法研究了其應(yīng)力腐蝕開裂敏感性，對試樣進(jìn)行機(jī)械切口并預(yù)制疲勞裂紋，在施力點施加恒定載荷或恒位移后進(jìn)行腐蝕試驗.通過相同加載對比實驗發(fā)現(xiàn)： 3種系列鋁合金中， 7N01P-T4臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子值低于11.238 MPa·m1/2，應(yīng)力極限值低于224.3 MPa，抗應(yīng)力腐蝕性能比5083P-H111、6005A-T6差，但均滿足使用要求；應(yīng)力腐蝕陰極反應(yīng)而導(dǎo)致的氫脆在裂紋源區(qū)附近呈現(xiàn)典型的應(yīng)力腐蝕特征，在疲勞區(qū)附近表現(xiàn)氫致開裂特征，與實際斷口上直線溝槽分布狀況相符.

關(guān)鍵詞：

鋁合金；車體；應(yīng)力腐蝕；恒載荷加載；氫致開裂

中圖分類號： TG115.28文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

近年來高速列車的快速發(fā)展對車體輕量化提出了更高的要求，高速鐵路車輛采用鋁合金中空結(jié)構(gòu)比鋼結(jié)構(gòu)減輕自重35%～66%，同時可增效和節(jié)能10%以上. 5、6、7系鋁合金由于各自的優(yōu)異性能，已被應(yīng)用于制造高速列車車體各主要部件，對車體的安全運行起著至關(guān)重要的作用[1-3].

陳小明等認(rèn)為影響7000系鋁合金的SCC敏感性因素很多，如熱處理工藝、外部環(huán)境、電化學(xué)效應(yīng)等[7].本文對車體用5、6、7系鋁合金按兩種不同加載方式進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗，探討其抵抗應(yīng)力腐蝕開裂性能，對高速列車車體制造及運行過程中車體鋁合金應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行評價.

1

試驗原理

2

試驗內(nèi)容

針對高速列車常用5083P-H111、6005A-T6、7N01P-T4鋁合金，采用恒位移和恒載荷兩種加載方式對比其應(yīng)力腐蝕性能， 3種鋁合金材料化學(xué)成分、力學(xué)性能如表1和表2所示[10].

試驗按照ISO7539-2003《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗》進(jìn)行.恒位移應(yīng)力腐蝕試驗時，每組材料試件數(shù)量為2，試樣B=6mm，W=12mm，三點彎跨距為60mm.為了使試驗具有可比性，取加載到3種材料上最大應(yīng)力都接近于材料屈服強(qiáng)度值，試樣加載情況見表3所示.放入周期腐蝕試驗箱內(nèi)進(jìn)行腐蝕，溫度為室溫25 ℃，腐蝕液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液，箱內(nèi)相對濕度為70±5%，腐蝕時間為80d.

恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗時，采用線切割切口試樣，切割用鉬絲直徑Φ≤0.2mm， B=6mm， W=12mm，切口長為2mm，預(yù)制疲勞裂紋在YK-1型音叉式疲勞開縫機(jī)上進(jìn)行.預(yù)制疲勞裂紋后，在試樣缺口兩側(cè)貼好刀口，在CFW-150型懸臂梁應(yīng)力腐蝕持久試驗機(jī)上加載，將裂紋區(qū)域浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%的NaCl溶液中.試驗中利用引伸計監(jiān)測刀口張開位移δ，觀察采集的δ-t曲線，判斷啟裂時間，同時對δ-t曲線不發(fā)生變化的試樣，試驗時間適當(dāng)延長.試驗完成后，用三點彎曲法在WDW-3100型拉壓試驗機(jī)上將腐蝕試樣壓斷，用JSM-6490LV掃描電鏡SEM（scanning electron microscopy）觀察腐蝕斷口及腐蝕產(chǎn)物形貌.

3

試驗結(jié)果及討論

3.1

恒載荷應(yīng)力腐蝕

3.1.1試驗結(jié)果

恒載荷試驗獲得數(shù)據(jù)如表4所示.

3.1.2試樣裂紋宏觀形貌

恒載荷應(yīng)力腐蝕實驗中，5083P-H111和6005A-T6鋁合金母材表面都未出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋， 7N01P-T4母材發(fā)生了應(yīng)力腐蝕表面出現(xiàn)了細(xì)小的應(yīng)力腐蝕裂紋，宏觀形貌如圖2所示.

從圖2看出， 5083P-H111和6005A-T6鋁合金試樣疲勞裂紋下面只有腐蝕產(chǎn)物的堆積，沒有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕.7N01P-T4的HZ-4號試樣疲勞裂紋下出現(xiàn)了明顯的分叉式應(yīng)力腐蝕裂紋，主裂紋比較平直，細(xì)小的裂紋分叉隨機(jī)分布.

3.1.3試樣斷口宏觀形貌

恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗中， 5、6、7系列鋁合金試樣斷口宏觀形貌如圖3所示.

圖3（a）中， HZ-1號試樣斷口平整細(xì)膩，沒有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕溝槽.圖3（b）中， HZ-2號試樣預(yù)制疲勞區(qū)斷口比較粗糙，出現(xiàn)了直線溝槽，一直延伸到線切割切口處，但疲勞裂紋前端沒有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂.圖3（c）中， HZ-4試樣斷口上應(yīng)力腐蝕區(qū)出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力腐蝕裂紋，且疲勞區(qū)也出現(xiàn)了較深的直線溝槽，一直延伸穿過線切割區(qū).圖3（d）為HZ-10號試樣加載最小載荷經(jīng)過12 d腐蝕后的斷口圖，疲勞裂紋前段有細(xì)微的應(yīng)力腐蝕開裂，說明應(yīng)力腐蝕剛剛開始，而疲勞裂紋區(qū)上直線溝槽也有擴(kuò)大變深的趨勢.

3.1.4試樣斷口微觀形貌

應(yīng)力腐蝕試樣斷口掃描電鏡如圖4所示.

圖4（c）中， 5083P-H111斷口疲勞區(qū)平直無褶皺，其上很多點坑無序排列著，其尺寸比塑性區(qū)韌窩尺寸小很多，點坑很淺，可認(rèn)為沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕.腐蝕液中的Cl-吸附在試樣表面，氧化膜破壞的傾向增大，根據(jù)變形顯微組織的特點，可知試樣表面的點蝕將向縱深發(fā)展，沿晶間不斷往縱向和橫向擴(kuò)展直到晶界處的β相被腐蝕掉，晶粒脫落，當(dāng)各蝕坑沿晶間彼此相連時，形成片層狀金屬脫落[12].圖4（a）中， 6005A-T6疲勞區(qū)斷口上有很多平行鏈狀點坑，其方向與板厚方向平行，同時在斷口上可看到明顯的直線溝槽，其方向與點坑方向一致，推測直線溝槽是由鏈狀點坑擴(kuò)展而來.在直線溝槽附近A區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知， A區(qū)域中， Mg含量為1.82%，高于標(biāo)準(zhǔn)的0.4%～0.8%. Mg含量越高時，合金耐蝕性能就比較差，從而產(chǎn)生鏈狀點坑.

圖4（b）為7N01P-T4試樣SCC區(qū)前段塑性壓斷區(qū)，很多二次裂紋平行分布并不相連，其裂紋起源于SCC裂紋頂端，處在應(yīng)力腐蝕裂紋尖端，同時裂紋間隙、深度較小，在塑性壓斷過程中沒有與主應(yīng)力腐蝕裂紋相連，其穿過塑性壓斷區(qū)韌窩，向塑性區(qū)擴(kuò)展.圖4（d）為圖4（b）中SCC前端B區(qū)，可在應(yīng)力腐蝕裂紋底部發(fā)現(xiàn)類似冰糖狀花樣，晶粒邊緣較鈍可能是腐蝕時間過長所致，空洞可能是第二相粒子的脫落形成.圖4（e）為7N01P-T4試樣在最小載荷作用下疲勞區(qū)前段發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，其裂紋附近覆蓋了較厚的一層腐蝕物，說明應(yīng)力腐蝕裂紋一旦開裂，腐蝕液沿著應(yīng)力腐蝕裂紋向材料深處潤濕，從而引發(fā)深處材料繼續(xù)受到應(yīng)力腐蝕.

3.2

恒位移應(yīng)力腐蝕

3.2.1試樣裂紋宏觀形貌

恒位移腐蝕實驗中，試樣表面宏觀形貌如圖6所示.

圖6中試樣表面被灰色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，三點彎支點處由于與鋼接觸產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕，出現(xiàn)了一些點蝕坑和剝蝕.線切割開口處表面沒有出現(xiàn)裂紋，試樣表面其他位置由于包鋁層的保護(hù)作用，沒有出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象.

3.2.2試樣斷口宏觀形貌

恒位移應(yīng)力腐蝕試驗中5、6、7系列鋁合金試驗腐蝕80 d后壓斷后斷口宏觀形貌如圖7所示.

在圖7（a）、（b）中， 5083P-H111和6005A-T6鋁合金試樣斷口平齊，機(jī)械切口下部并沒有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋；圖7（c）中試樣有應(yīng)力腐蝕裂紋經(jīng)壓斷形成的明顯“舌狀”突起，與板厚方向平行，中部還延伸有細(xì)微的二次裂紋，相互平行并不交叉.

3.2.3試樣斷口微觀形貌

7N01P-T4鋁合金試樣發(fā)生了應(yīng)力腐蝕，其斷口掃描電鏡如圖8所示.

圖8中可知， HW-5斷口上有多條相互平行的應(yīng)力腐蝕裂紋，裂紋平直并不連續(xù)，有未連接的臺階裂紋，符合氫致破裂機(jī)理. HW-5斷口微觀形貌與圖4（b）的形貌相似，從而證明了7N01P-T4試樣在恒位移應(yīng)力腐蝕實驗中也發(fā)生了應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象.

4

分析討論

根據(jù)對氫在金屬中行為的了解，在應(yīng)力腐蝕發(fā)生后，陰極析氫反應(yīng)產(chǎn)生的活性氫原子能夠擴(kuò)散到鋁合金內(nèi)難溶相與基材間的空隙聚集，既使該處變脆，又復(fù)合成氫分子，由此形成的巨大內(nèi)壓使微裂紋產(chǎn)生并協(xié)助局部應(yīng)力使裂紋解理擴(kuò)展；其次，因氫具有應(yīng)力誘導(dǎo)上坡擴(kuò)散的特性，氫原子會向裂紋尖端應(yīng)力集中處擴(kuò)散聚集，當(dāng)氫量增至臨界值后裂紋擴(kuò)展，隨后繼續(xù)此過程.因此，裂紋可以是異地萌生、擴(kuò)展相連.氫脆與應(yīng)力腐蝕同時發(fā)生，由應(yīng)力腐蝕陰極反應(yīng)而導(dǎo)致的氫脆在裂紋源區(qū)附近則呈現(xiàn)典型的應(yīng)力腐蝕特征，如圖4（d）所示.圖4（b）和圖8斷口氫脆裂紋特征明顯裂紋平直沒有分叉，整個過程與焊接時產(chǎn)生氫致裂紋十分相似，具有延遲、間歇擴(kuò)展特點，并且是混合型斷裂.

氫致穿晶裂紋形成過程的推測解釋6、7系鋁合金斷口疲勞區(qū)上直線溝槽的產(chǎn)生. 6、7系列鋁合金難溶相呈鏈?zhǔn)椒植荚诰Ы缟希浞较蚺c擠壓或扎制方向平行.由于力學(xué)性能與基體有差異，在疲勞裂紋擴(kuò)展時，疲勞裂紋斷口上形成直線溝紋.當(dāng)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕陰極析氫反應(yīng)，產(chǎn)生活性氫原子，除就地參與應(yīng)力腐蝕外，還長程擴(kuò)散到難溶相周圍聚集并復(fù)合成氫分子造成內(nèi)壓力促成裂紋生成，使原先的溝紋擴(kuò)大伸長變成裂紋. 6系鋁合金屬于Al-Mg-Si系鋁合金，沒有出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕，電化學(xué)腐蝕析氫反應(yīng)產(chǎn)氫量少，不足以使直線溝紋擴(kuò)大. 5083P-H111屬于非熱處理鋁合金，不僅沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕，也沒有直線溝紋.

5

結(jié)論

（1） 通過恒載荷和恒位移實驗得到5083P-H111、6005A-T6鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性小， 7N01P-T4容易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，斷口上有“舌狀”凸起；

（2） 7N01P-T4鋁合金K1SCC值應(yīng)在11.238 MPa·m1/2以下，對應(yīng)的應(yīng)力臨界極值為224.3 MPa， σ/σb=0.488，應(yīng)力腐蝕敏感性高；

（3） 應(yīng)力腐蝕裂紋容易引起二次微裂紋，應(yīng)力腐蝕陰極反應(yīng)導(dǎo)致的氫脆在裂紋源區(qū)附近則呈現(xiàn)典型的應(yīng)力腐蝕特征，有明顯冰糖狀花樣；

（4） 應(yīng)力腐蝕陰極反應(yīng)導(dǎo)致的氫脆在疲勞區(qū)附近則呈現(xiàn)氫致開裂特征，與7N01P-T4斷口上直線溝槽相符.

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