船舶用5456鋁合金應力腐蝕行為研究

摘要：船舶用Al-Mg合金具有晶間應力腐蝕開裂的傾向性。文章主要研究船舶用5456-H116鋁-鎂合金的應力腐蝕行為。文章主要采用重量損失方法來表征合金腐蝕敏感度。采用雙懸臂應力腐蝕實驗來研究高Mg含量的5456-H116在175 ℃時效不同時間下的應力腐蝕開裂行為。結果發現：合金腐蝕敏感度隨著時效時間增加而增加，而超過336 h之后合金的重量損失1量差異卻幾乎不大。5456-H116合金的應力腐蝕開裂的裂紋形貌并非是平面斷裂，而是一種三維斷裂模式。

關鍵詞：Al-Mg合金；應力腐蝕；時效時間；三維斷裂模式

中圖分類號：TG146 文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2014）15-0081-03

1956年5456合金在美國海軍軍艦的上層建筑上得以推廣應用。5456合金的Mg含量為5 wt%，大大超過3 wt%，當合金在>50 ℃的溫度下服役，合金在晶界處就會析出β相（Mg2Al3）。β相相比于基體是屬于陽極，容易發生電化學反應，加劇了其腐蝕敏感性，因此這種組織是相當敏感的，這種具有腐蝕敏感性的合金無論是在板材制備還是在服役時都具有應力腐蝕敏感性。

敏感性應力腐蝕只有在組織結構、腐蝕介質、應力三種因素的共同作用下才能發生。合金板材發生翹曲、下垂、機械振動或外力加載均產生拉應力，甚至在焊接、螺栓連接、鉚接后也會產生殘余拉伸應力，5456合金本身具有腐蝕敏感性組織，船舶工作的環境存在腐蝕介質-海水，因此5657在應用于船舶上特別容易發生應力腐蝕。

船舶用鋁合金主要有5456、5083、5086、5454合金等，見表1。雖然其力學性能相似，但是在復雜的腐蝕環境下是不同的。關于5083合金的腐蝕行為已經有較多的研究，但是5456鋁合金的應力腐蝕行為研究較少。本文目的是研究5456鋁合金的應力腐蝕行為。

1實驗過程

5456-H116板材厚度為30 mm，合金成分見表1。將5456合金試樣175 ℃條件下分別時效24 h、168 h、336 h和504 h來獲得不同程度的β相（Mg2Al3）析出敏感性組織。關于5456合金的腐蝕敏感性由于沒有相關的研究數據可參考，本文參考了典型的船用5083合金（成分接近）的熱處理工藝。因為5083合金175 ℃的腐蝕敏感性最顯著，故本試驗選用的時效溫度為175 ℃。

根據《ASTM G67D Determining the Susceptibility to Intergranular Corrosion of 5XXX Series Aluminum Alloys by Mass Loss After Exposure to Nitric Acid》標準，將5456-

H116試樣在71 wt%HNO3+5 wt%NaOH溶液30 ℃浸泡24 h之后測試合金單位面積的重量損失，試樣尺寸為25.4 mm×25.4 mm×25.4 mm。

根據《GBT 24445.1-90高強度合金雙懸臂（DCB）試樣-應力腐蝕試驗方法》將雙懸臂5456-H116試樣在應力比為R=0.1及10 Hz載荷的MTS材料測試機上進行5456-H116合金的裂紋預制，然后在3.5%NaCl鹽水浴中進行應力腐蝕實驗。雙懸臂DCB（double cantilever beam）的S-L方向的試樣，如圖1所示。

2實驗結果及分析

2.1重量損失結果與合金的組織腐蝕敏感性關系

為了得到腐蝕敏感性組織，本文將5456-H116合金試樣在17 5 ℃下時效不同時間，然后將試樣進行ASTM G67D實驗測試，采用重量損失結果來表征該合金的腐蝕敏感性，其結果見表2。從表2中可見編號為3#、4#、5#，即合金時效時間分別為168 h、336 h和504 h的試樣，它們之間的重量損失差距只有2 mg/cm2，這種差距相當小。將表2做成重量損失與時效時間的關系圖，如圖2（a）所示，可見剛開始時效時，合金重量損失隨著時間延長而急劇增加，當時間超過168 h之后曲線呈平臺狀，即重量損失差異不大。觀察試樣的形貌，如圖3所示，合金時效時間336 h之后表面已經發生了剝落腐蝕。

把文獻5083-H116合金在175 ℃的重量損失與時效時間的關系圖（如圖2（b）所示）與5456-H116合金進行對比，可以發現時效時間為0 h時，5456-H116合金和5083-H116合金的重量損失都是幾乎為零。在較短的時效時間內，例如時效時間為24 h，5456-H116合金、5083-H116合金重量損失分別約為30 mg/cm2、15 mg/cm2，此時5456-H116合金重量損幾乎是5083-H116合金的兩倍。當時效時間超過150 h時，5083-H116合金重量損失幾乎達到110 mg/cm2，遠遠高于5456-H116合金，此時5456-H116合金重量損失是60 mg/cm2。這可以充分說明當5456合金在較短時間內服役時其組織腐蝕敏感性比5083合金的腐蝕敏感性要高，而在服役較長的時間后，例如>100 h之后，5456合金的組織腐蝕敏感性比5083-H116合金的腐蝕敏感性要低得多。

2.2雙懸臂應力腐蝕實驗結果與分析

如圖4所示，5456-H116合金1#~5#試樣應力腐蝕不同時間所測得的裂紋長度，將圖4數據計算出疲勞裂紋擴展速率與加載應力強度因子時間的關系，結果如圖5所示。從圖5中可見未發生時效的1#（即重量損失約0.586 mg/cm2）試樣具有最低的應力腐蝕裂紋斷裂速率，但它的應力腐蝕強度因子卻是最高的。時效24 h的2#試樣（即重量損失約30 mg/cm2）它的應力腐蝕開裂速率較1#試樣高，應力腐蝕強度因子KSICC較1#試樣略低。3#、4#、5#試樣，即重量損失分別為62 mg/cm2、63 mg/cm2、64 mg/cm2的試樣，其腐蝕開裂速率最快，但KSICC最低。

如圖6所示，是時效336 h的4#試樣SCC雙懸臂試樣應力腐蝕實驗后的斷口照片，照片分別是垂直斷裂表面和平行斷裂表面。從斷口表面照片可以發現SCC的主裂紋（一次裂紋）斷裂是發生在L向，即平行于軋制方向。二次裂紋斷裂是在垂直主裂紋（一次裂紋）前端方向上，即平行于加載力的方向上發生的，即板材的S方向。二次裂紋在S方向上與主裂紋平面并不相關聯。二次裂紋與應力腐蝕開裂平面擴展的二維裂紋并不具有關聯性，而是獨立的。這些結果說明應力施加于合金時，合金發生腐蝕的敏感性程度是相當高的，并且也會發生晶間應力腐蝕。

如圖7所示為SCC雙懸臂試樣的斷裂形貌。圖7（a），時效時間為0 h的1#試樣有幾處微小的不同的裂紋形貌，位于疲勞裂紋和SCC服役區域，微孔出現在裂紋前端位置的。而時效了24 h的2#試樣（即重量損失30 mg/cm2的試樣），其應力腐蝕開裂的裂紋延長了，并在主裂紋上產生樹脂狀的分叉的二次裂紋，如圖7（b）所示。這個二次裂紋是在沿著主裂紋長度的4.5 mm處形成，此時的應力腐蝕開裂應力強度因子為KISCC=12.88 MPa·m-2。最后合金時效168 h之后的3#試樣（重量損失為62 mg/cm2），二次裂紋的數量明顯增多，如圖7（c）所示。相比2#試樣而言，二次裂紋的出現時間比較早，在沿著主裂紋長度的2.5 mm處就形成了。主裂紋上還有其他的二次裂紋分支，第一個大的分支是發生在主裂紋長度的6.2 mm位置處，此時的應力腐蝕開裂應力強度因子為KISCC=11.3 MPa·m-2。同時，在試樣表面還發生了大量的點蝕和均勻腐蝕。

3結語

本文研究了船舶用5456-H116鋁-鎂合金的應力腐蝕開裂敏感性行為，研究了5456合金在175 ℃下時效不同時間的重量損失來表征其應力腐蝕組織敏感性。研究了175 ℃時效不同時間后的5456-H116合金的雙懸臂應力腐蝕的腐蝕開裂速率和應力強度因子。結果如下：

①在較短的時效時間內，5456-H116合金重量損幾乎是5083-H116合金的兩倍。當時效時間超過150 h時，5083-H116合金重量損失遠遠高于5456-H116合金，說明時間>100 h之后，5456合金的組織腐蝕敏感性比5083-H116合金的腐蝕敏感性低得多。

②5456-H116合金的應力腐蝕開裂的裂紋形貌并非是平面斷裂而是一種三維斷裂模式。

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