A7N01S-T5鋁合金焊縫金屬腐蝕疲勞裂紋萌生行為

徐曉龍，陳 輝，李 鵬，王曉敏，茍國慶

（1.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；3.西南交通大學生命科學與工程學院，四川 成都 610031）

A7N01S-T5鋁合金焊縫金屬腐蝕疲勞裂紋萌生行為

徐曉龍1，陳 輝1，李 鵬2，王曉敏3，茍國慶1

（1.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031；2.南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；3.西南交通大學生命科學與工程學院，四川 成都 610031）

以高速列車常用的A7N01S-T5鋁合金型材ER5356焊縫金屬為研究對象，采用掃描電鏡觀察不同時間節點焊縫部位腐蝕疲勞裂紋的萌生過程，并分析第二相在腐蝕疲勞裂紋萌生過程中的變化。結果表明，點蝕坑在第二相周圍優先萌生，點蝕機理為陽極溶解，在交變應力的促進作用下，焊縫區腐蝕疲勞“短裂紋”沿著點蝕坑周圍萌生。

A7N01S-T5鋁合金；焊縫；腐蝕疲勞；裂紋萌生

0 前言

列車在高速運行時，車體長時間承受著交變動載，在沿海和大氣污染嚴重的工業地區，列車還處于不同程度的腐蝕環境，如鹽霧、酸雨等。構件在交變應力和腐蝕環境交互、協同作用下，疲勞抗力較一般純機械疲勞相比更是明顯降低，疲勞壽命顯著縮短[1-2]，焊接接頭部位由于其不均質性，腐蝕疲勞現象尤為突出，常引起突發性、災難性事故。這種腐蝕疲勞現象逐漸受到人們重視，成為材料研究和工程設計中的重要考慮因素。

A7N01S-T5鋁合金屬于中高強鋁合金，焊接填充材料多采用ER5356焊絲，廣泛應用于車體底架、枕梁、端面梁、橫梁等高應力部位[3]。5系鋁合金（Al-Mg系）焊縫金屬往往具有較低的疲勞強度，當交變載荷與腐蝕介質交互作用時，疲勞抗力會顯著降低。前期關于腐蝕疲勞研究主要集中于飛機結構、海洋工程等領域，由于高速列車研究在我國起步較晚，現階段針對高速列車車體用鋁合金材料的腐蝕疲勞研究少有報道。腐蝕疲勞機理復雜，焊接接頭各微區性能差異顯著，其腐蝕疲勞涉及材料、冶金、環境的化學因素及電化學過程、構件所受的交變載荷，非常復雜，國內外學者對焊接接頭的腐蝕疲勞裂紋擴展過程和機制。在此研究了A7N01S-T5鋁合金焊接接頭ER5356焊縫金屬在3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋萌生行為。

1 實驗方法

試驗用母材為厚8 mm的A7N01S-T5鋁合金型材，填充材料采用ER5356焊絲（φ1.2 mm），保護氣為99.999%Ar，母材及焊絲化學成分見表1，焊接接頭設計如圖1所示，焊接參數見表2。

圖1 焊接接頭示意

表1 母材及焊絲的化學成分 %

表2 A7N01S-T5 MIG焊接工藝參數

對焊接試板橫向取樣，腐蝕疲勞試樣尺寸如圖2所示，對腐蝕疲勞試樣進行機械拋光直至在金相顯微鏡下觀察無明顯溝紋、劃痕。用油性記號筆在焊縫中心標記4 mm×4 mm正方形區域，分別在試驗進行2h、6h、14h、22h、30h后取出（直至試樣斷裂），超聲清洗焊縫金屬表面，在HITACHI JSM-6490LV掃描電鏡下結合EDS觀察分析焊縫標記區域內腐蝕微觀形貌演變過程。

圖2 腐蝕疲勞試樣尺寸

腐蝕疲勞試驗在PWS-100電液伺服低頻疲勞試驗機上進行，設定最大加載應力95 MPa，應力比R=0.1，試驗頻率10 Hz，試驗波形為正弦波，腐蝕介質為3.5%NaCl溶液，介質溫度25℃，相對濕度RH= 50%～70%。腐蝕疲勞試樣裝配效果如圖3所示。

圖3 腐蝕疲勞試樣裝配效果

2 結果分析和討論

鋁合金的微觀組織結構中往往存在大量的第二相，第二相與點蝕坑生長、腐蝕疲勞裂紋萌生有直接關聯[4-6]。在腐蝕疲勞過程中各時間節點焊縫金屬表面形貌演變過程如圖4所示。2 h時焊縫區白色第二相清晰可見，第二相彌散分布于焊縫基體表面（見圖4a），將析出相附近放大（見圖4b），析出相周圍的基體被腐蝕溶解，點蝕坑萌生于第二相附近，圖4b、圖4c及表3是對白色第二相及焊縫α（Al）基體的EDS分析結果，結果表明焊縫區白色第二相富集有較多量的Mg、Si、Fe、Zn等合金元素以及雜質O元素，顯然O元素主要以化合態存在于夾雜物中；焊縫基體則主要以Al、Mg合金元素存在，有少量Zn，焊縫中Zn元素為母材熔化時所帶入。

表3 A7N01S-T5焊縫區第二相及基體EDS分析 %

點蝕一般萌生于金屬表面化學性質與物理性質的不均勻處，如第二相沉淀、非金屬夾雜、鈍化膜缺陷部位，這些部位容易產生局部腐蝕。由于第二相中Mg、Zn的高化學溶解性，Mg、Zn等化學活潑元素將優先選擇性溶解，同時導致不活潑元素Fe的富集，而Fe的富集將使第二相電位逐步變正，與α（Al）基體建立起新的腐蝕微電偶，被腐蝕后富Fe的第二相作為陰極，其附近的α（Al）基體作為陽極并發生陽極溶解[7-8]，不斷發生如下電化學反應：

圖4 焊縫區在腐蝕疲勞過程中表面形貌變化（3.5%NaCl溶液）

隨著腐蝕疲勞時間的增加，焊縫基體不斷溶解，點蝕坑數量和面積均在不斷增加，同時蝕坑在深度和直徑方向不斷長大（見圖4d～圖4h），導致第二相與基體的結合力逐漸減弱，在持續交變應力的作用下，部分較大尺寸點蝕坑內的第二相脫離基體，表現為深邃的“小黑洞”（見圖4 f）。

腐蝕疲勞36.5 h時，試樣斷裂。由于蝕坑尺寸不斷長大，部分距離較近的蝕坑相連在一起，相鄰蝕坑間之間的“壁壘”被溶解而形成更大尺寸的腐蝕坑，蝕坑內部晶粒被腐蝕、脫落，腐蝕疲勞“短裂紋”沿著點蝕坑周圍萌生（圖4h～圖4i）。

另一方面，在交變應力和腐蝕介質的持續交互作用下，大部分點蝕坑內的第二相已經脫落，蝕坑內新的裸露金屬處于活性溶解狀態，坑外金屬相對處于鈍化狀態，蝕坑內外又處于一個很大的活化——鈍化電池，在蝕坑內部，新裸露金屬作為陽極而不斷溶解，產生可溶性金屬離子。為了維持內部溶液電中性，蝕坑外侵蝕性陰離子（如Cl-）不斷向蝕坑內遷移，蝕坑內Cl-濃度升高并促進水解反應：

蝕坑內溶液PH值降低，也會加速點蝕的迅速發展。

3 結論

（1）焊縫區點蝕坑彌散分布于α(Al)基體，點蝕坑主要在富含Fe的第二相附近的基體處萌生，點蝕機理為陽極溶解。

（2）隨著腐蝕疲勞試驗時間的增加，點蝕坑不斷長大，相鄰蝕坑連在一起形成更大尺寸點蝕坑，焊縫金屬腐蝕疲勞短裂紋沿著點蝕坑周圍萌生。

[1]肖紀美.腐蝕控制總論——材料的腐蝕及其控制方法[M].北京：化學工業出版社，1994.

[2]EbaraR.CorrosionFatiguePhenomenaLearned from Failure Analysis[J].EngineeringFailureAnalysis，2006（13）：516-525.

[3]金昌海，張海軍.從高速列車車體焊接來看鋁合金焊接技術發展之動向[J].金屬加工熱加工，2011（16）：14-15.

[4]KimberliJones，DavidW.Hoeppner.The interaction between pitting corrosion grain boundaries and constituent particles during corrosion fatigue of 7075T6 aluminum alloy[J].Intenational Journal of Fatigue，2009（31）：686-692.

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[6] Harlow D G，Wei R P.A probability model for the growth of corrosion pits in aluminum alloys induced by constituent particles[J].Engineering Fracture Mechanics，1998（59）：305-325.

[7]李勁風，鄭子樵，任文達.第二相在鋁合金局部腐蝕中的作用機制[J].材料導報，2005，19（2）：81-83.

[8] Seri O.The effect of NaCl concentration on the corrosion behavior of aluminum containing iron[J].Corrosion Science，1994，36（10）：1789-1803.

Corrosion fatigue crack initiation behavior of A7N01S-T5 aluminum alloy welding metal

XU Xiaolong1，CHEN Hui1，LI Peng2，WANG Xiaomin3，GOU Guoqing1
（1.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China；3.School of Life Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

By taking welding metal of a typical aluminium alloy profile A7N01S-T5 on the high-speed train as research object，this paper researched the corrosion fatigue crack initiation process under different time nodes with SEM，and the change of microstructures and chemical composition of second phase particles were analyzed.The results showed that corrosion pits initiated around the second phase particles as a result of anodic dissolution，and short corrosion fatigue cracks in the welding metal formed and propagated around the pits under the action of alternating stress.

A7N01S-T5 aluminium alloy；welding metal；corrosion fatigue；crack initiation

TG405

：A

：1001-2303（2015）10-0050-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.11

2015-03-17；

：2015-06-17

徐曉龍（1988—），男，四川達州人，碩士，主要從事高速列車鋁合金焊接及服役行為評價、焊接材料的研究工作。