應(yīng)力水平對(duì)2219鋁合金腐蝕損傷力學(xué)性能的影響

李智，呂勝利，李逸飛

(西北工業(yè)大學(xué)無(wú)人機(jī)特種技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065)

2219鋁合金具有比強(qiáng)度高、低溫和高溫力學(xué)性能好等特點(diǎn)，在航空航天重大裝備的制造中得到廣泛應(yīng)用。材料在復(fù)雜的環(huán)境中服役，往往受到力與腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用，力學(xué)、化學(xué)效應(yīng)使得材料發(fā)生相較于單純的電化學(xué)作用更嚴(yán)重的腐蝕。腐蝕損傷會(huì)使材料的力學(xué)性能下降，削弱零件或結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，導(dǎo)致過(guò)早發(fā)生失效。材料表面的腐蝕坑可能成為應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞裂紋萌生的起源，帶來(lái)重大安全隱患[1]。所以，研究腐蝕中力學(xué)、化學(xué)效應(yīng)對(duì)材料造成的損傷及由此引起的性能變化就顯得非常重要。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者從多方面對(duì)鋁合金材料在環(huán)境介質(zhì)中的腐蝕機(jī)制及腐蝕損傷帶來(lái)的性能變化進(jìn)行了研究。Surnam等[2]研究AA1050鋁在大氣中的點(diǎn)蝕行為，指出蝕坑的深度、直徑與在環(huán)境中的暴露時(shí)間具有正相關(guān)性。Alyousif[3]研究鋁合金腐蝕損傷演化的過(guò)程，發(fā)現(xiàn)在給定應(yīng)力水平下，試樣疲勞壽命的分布主要由成核蝕坑尺寸的分布決定。?apraz等[4]研究純鋁因應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而引起的結(jié)構(gòu)退化、缺陷及性能的變化，通過(guò)對(duì)腐蝕過(guò)程中近表面應(yīng)力的測(cè)量及表面蝕坑的光譜分析，發(fā)現(xiàn)腐蝕會(huì)使金屬表面形成塑性變形層。Arriscorreta等[5]研究7075鋁合金在酸性的鹽溶液中發(fā)生腐蝕疲勞至斷裂失效的過(guò)程，指出對(duì)于試樣的疲勞壽命，應(yīng)力的影響似乎大于腐蝕時(shí)間的影響。Dollah等[6]研究了7075鋁合金在不同形式載荷作用下暴露于3.5%NaCl溶液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)拉伸載荷極易促使應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生，而壓縮載荷作用下試樣對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂不敏感，但當(dāng)試樣暴露于EXCO溶液中時(shí)，受壓縮載荷作用的試樣也被觀察到應(yīng)力腐蝕裂紋萌生，因此載荷對(duì)材料的腐蝕損傷具有重要影響。Melchers[7]研究了鋁合金在實(shí)際環(huán)境中長(zhǎng)期服役而發(fā)生的點(diǎn)蝕損傷，發(fā)現(xiàn)蝕坑深度變化趨勢(shì)并非遵循傳統(tǒng)認(rèn)為的冪律函數(shù)而是符合雙峰趨勢(shì)。而饒思賢等[8]則通過(guò)對(duì)靜載荷下LY12CZ鋁合金在3%NaCl水溶液中的腐蝕試驗(yàn)研究，指出在點(diǎn)蝕擴(kuò)展階段，點(diǎn)蝕的深度擴(kuò)展與腐蝕時(shí)間之間符合冪函數(shù)的規(guī)律，與外加應(yīng)力之間符合指數(shù)函數(shù)的規(guī)律。王英芹等[9]研究了6061鋁合金材料在65號(hào)冷卻液環(huán)境中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)試樣浸泡于腐蝕介質(zhì)中經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間作用，以蝕坑深度表征的腐蝕損傷程度仍無(wú)明顯變化，但在試樣處于相同介質(zhì)的沖刷環(huán)境下，在較短的時(shí)間里就發(fā)現(xiàn)腐蝕程度的增加。Hu等[10]提出了一種改進(jìn)的鋁合金點(diǎn)蝕演化模型，并以此預(yù)測(cè)2024鋁合金的疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)高應(yīng)力水平顯著降低了材料的腐蝕疲勞壽命且腐蝕疲勞后期材料塑性疲勞損傷較大。李旭東等[11]研究了LD2鋁合金在酸性介質(zhì)中的腐蝕機(jī)理，并考慮腐蝕產(chǎn)物下“隧道”效應(yīng)對(duì)腐蝕坑深度的影響，以此實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料疲勞壽命更精確的預(yù)測(cè)。史平安等[12]研究了不同應(yīng)力水平下電偶對(duì)2A12/40CrNiMoA 的電偶腐蝕行為的影響，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力水平增大，電偶電流密度增加，電偶腐蝕敏感性提高，應(yīng)力對(duì) 2A12 鋁合金腐蝕行為有較大影響，并建立了腐蝕損傷材料力學(xué)性能的預(yù)測(cè)模型。夏浩等[13]研究了不同載荷條件下7055鋁合金的應(yīng)力腐蝕性能，認(rèn)為應(yīng)力腐蝕載荷對(duì)材料的強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響，但造成了塑性的明顯下降，而抗拉應(yīng)變和延伸率均有降低。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從鋁合金材料腐蝕損傷隨暴露時(shí)間發(fā)展的規(guī)律、材料所受應(yīng)力對(duì)腐蝕損傷的影響、損傷對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的影響、由損傷引起的材料性能變化及對(duì)材料服役壽命的影響等多方面進(jìn)行了較多研究，但由于鋁合金材料種類(lèi)繁多，腐蝕環(huán)境更是多種多樣，不同的材料與腐蝕介質(zhì)構(gòu)成不同的腐蝕體系，由此造成的材料腐蝕損傷及引起的材料性能變化也不盡相同。因此，有必要對(duì)2219鋁合金的環(huán)境腐蝕損傷及力學(xué)性能變化展開(kāi)針對(duì)性研究。本文通過(guò)試驗(yàn)來(lái)探究2219鋁合金材料在應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下的腐蝕損傷及力學(xué)性能變化，并討論應(yīng)力水平與暴露時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能變化的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣

在25 ℃環(huán)境溫度下， 將2219鋁合金材料加工的試樣暴露于腐蝕溶液中，并使之受到拉伸載荷作用，經(jīng)一定時(shí)間腐蝕后取得所需試樣。2219鋁合金材料的化學(xué)成分如表1所示，力學(xué)及物理性能如表2所示。試樣的形狀尺寸如圖1所示。腐蝕溶液為根據(jù)ASTM G34-01標(biāo)準(zhǔn)[14]配制的EXCO(exfoliation corrosion)溶液，其成分為NaCl 234 g/L、KNO350 g/L、質(zhì)量分?jǐn)?shù)68%的HNO3溶液6.5 g/L經(jīng)蒸餾水稀釋?zhuān)跏紁H為0.4。研究表明，EXCO溶液浸泡可以再現(xiàn)外場(chǎng)出現(xiàn)的腐蝕損傷，是一種合理有效的加速腐蝕試驗(yàn)方法，2×××鋁合金浸泡于EXCO溶液中，加速腐蝕因子約為2.60，即室溫環(huán)境下實(shí)驗(yàn)室內(nèi)浸泡加速腐蝕1 d相當(dāng)于外場(chǎng)暴露2.60 a[15]。試驗(yàn)過(guò)程中，試樣標(biāo)距段浸沒(méi)在60 mL的腐蝕液中，同時(shí)受到拉伸載荷作用。拉伸應(yīng)力水平為79.0、118.5、158.0 MPa，即材料屈服強(qiáng)度的20%、30%、40%，以及無(wú)加載力作用的對(duì)照組。浸沒(méi)時(shí)間設(shè)置為1.0、1.5、2.0、2.5 h，分別相當(dāng)于外場(chǎng)暴露時(shí)間15、23、30、38 d。共得到16組不同的試樣，每組平行試樣數(shù)量為3，如表3所示。腐蝕后的試樣外觀如圖2所示。

表1 2219-C10S鋁合金材料的化學(xué)成分

表2 2219鋁合金材料的力學(xué)與物理性能

圖1 應(yīng)力腐蝕試樣 Fig.1 Stress corrosion specimen

圖2 腐蝕后試樣外觀Fig.2 Appearance of a specimen after corrosion

表3 不同應(yīng)力及浸沒(méi)時(shí)間的試樣數(shù)量

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 蝕坑深度測(cè)試

采用 SCH-Ⅰ測(cè)厚儀(沈陽(yáng)科晶公司)，配合 LK-G30激光位移傳感器(日本Keyence公司)，對(duì)試樣表面蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量，取得蝕坑深度分布數(shù)據(jù)，以呈現(xiàn)材料腐蝕損傷與腐蝕時(shí)間、應(yīng)力水平的關(guān)系。

1.2.2 力學(xué)性能測(cè)試

在8801電液伺服試驗(yàn)機(jī)(美國(guó)Instron公司)上進(jìn)行靜拉伸試驗(yàn)，獲得腐蝕后試樣的強(qiáng)度、延伸率及彈性模量等力學(xué)性能參數(shù)，以展現(xiàn)材料力學(xué)性能隨腐蝕時(shí)間、應(yīng)力水平的變化規(guī)律。

1.2.3 拉伸斷口觀察

利用 DZ3連續(xù)變焦視頻顯微鏡(日本Union公司)對(duì)試樣拉伸斷口進(jìn)行顯微觀察，了解材料損傷與斷裂失效間的關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 腐蝕損傷分析

鋁合金材料受到腐蝕介質(zhì)及拉伸應(yīng)力的聯(lián)合作用發(fā)生腐蝕。起初，腐蝕類(lèi)型多為點(diǎn)蝕而非均勻腐蝕。點(diǎn)蝕坑的分布具有很大隨機(jī)性，一般出現(xiàn)在材料表面化學(xué)性質(zhì)與物理性質(zhì)不均勻處，如非金屬夾雜、第二相沉淀、鈍化膜缺陷和機(jī)械損傷部位。蝕坑的出現(xiàn)破壞了試樣表面的完整性，造成了材料的損傷。材料損傷程度可用蝕坑開(kāi)口尺寸、深度尺寸、長(zhǎng)寬比、投影面積等參數(shù)來(lái)表征。點(diǎn)蝕萌生后仍隨時(shí)間而不斷發(fā)展，蝕坑的形狀、尺寸也隨之變化。起始時(shí)，蝕坑沿表面及深度方向同時(shí)發(fā)展，隨后由于力學(xué)、化學(xué)效應(yīng)及閉塞電池的自催化作用，點(diǎn)蝕坑主要沿深度方向發(fā)展。蝕坑尖端可能出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致蝕坑底部材料發(fā)生破裂，于是應(yīng)力腐蝕裂紋在坑底尖端部位形核。蝕坑沿深度方向的發(fā)展是造成材料力學(xué)性能下降的主要原因，因此選擇對(duì)試樣表面蝕坑深度進(jìn)行測(cè)量并以之為特征值來(lái)表征材料的損傷程度。

采用最大蝕坑深度指標(biāo)來(lái)比較試樣的損傷程度。各試樣表面點(diǎn)蝕坑的深度測(cè)量數(shù)據(jù)證實(shí)了蝕坑深度分布的隨機(jī)性。但對(duì)比不同應(yīng)力水平下的試樣，可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力水平較高的試樣，其蝕坑深度趨于更大值。比如，對(duì)于腐蝕時(shí)間為1 h的4種不同應(yīng)力水平下的試樣，測(cè)得的最大蝕坑深度出現(xiàn)在受最大應(yīng)力(158 MPa)作用的試樣上，坑深為0.020 06 mm。但單個(gè)蝕坑隨時(shí)間的生長(zhǎng)，同樣具有不確定性，部分蝕坑可能發(fā)生鈍化，而另一些蝕坑則可能隨時(shí)間不斷向深度方向發(fā)展，一些蝕坑表面可能會(huì)出現(xiàn)次級(jí)蝕坑。

為了探究蝕坑生長(zhǎng)與應(yīng)力水平的關(guān)系，選擇蝕坑平均深度指標(biāo)來(lái)進(jìn)行比較分析。表4為不同應(yīng)力水平及腐蝕時(shí)間下各個(gè)試樣表面腐蝕坑的平均深度值，圖3、圖4為根據(jù)表4數(shù)據(jù)擬合的蝕坑深度與腐蝕時(shí)間、加載應(yīng)力間的關(guān)系曲線。圖3呈現(xiàn)了蝕坑平均深度與腐蝕時(shí)間之間的關(guān)系，且對(duì)于不同的應(yīng)力水平，腐蝕隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)具有很高的一致性。當(dāng)應(yīng)力值保持不變時(shí)，在腐蝕的初期階段，即腐蝕開(kāi)始到1.3 h，曲線幾乎保持水平，說(shuō)明此階段腐蝕坑沿深度方向發(fā)展的速度很慢；而當(dāng)腐蝕時(shí)間接近1.5 h，蝕坑深度值開(kāi)始隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速變大，說(shuō)明腐蝕到一定階段后，蝕坑沿深度方向發(fā)展的速率有一個(gè)顯著的增加，以至于蝕坑深度同步線性增加。其原因在于，在腐蝕坑剛剛萌生的初始階段，其尺寸很小，形成的腐蝕產(chǎn)物堆積在蝕坑周?chē)刮g坑內(nèi)腐蝕溶液的量非常有限，于是腐蝕更易于沿表面方向發(fā)展，而蝕坑則較易鈍化，所以深度方向的腐蝕處于一個(gè)非常緩慢的發(fā)展過(guò)程。由于蝕坑在表面方向的發(fā)展，使得其開(kāi)口尺寸不斷擴(kuò)大。且由于拉伸應(yīng)力的作用，附著在材料表面的腐蝕產(chǎn)物與材料基體間的結(jié)合是相對(duì)松散的，這使更多的腐蝕液進(jìn)入正在漸漸擴(kuò)大的蝕坑，使蝕坑具備了向深度方向快速發(fā)展的可能性。腐蝕使里層的新鮮材料裸露，來(lái)不及鈍化就被滲入的腐蝕液腐蝕，則大大加快了腐蝕沿深度方向的發(fā)展，到2.5 h，各應(yīng)力水平下的試樣的蝕坑深度都繼續(xù)增加，腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)了1.5倍，使得損傷擴(kuò)大了2.4～4.3倍。

表4 試樣表面點(diǎn)蝕坑平均深度

圖3 蝕坑平均深度與浸沒(méi)時(shí)長(zhǎng)關(guān)系 Fig.3 Relationship between average depth of pits and immersion time

圖4 蝕坑平均深度與應(yīng)力關(guān)系 Fig.4 Relationship between average depth of pits and stress

圖4則表達(dá)了蝕坑深度與所受應(yīng)力間的關(guān)系。當(dāng)腐蝕時(shí)間一定時(shí)，對(duì)于4種不同的應(yīng)力水平(包括應(yīng)力值為0，即無(wú)加載應(yīng)力)，可以看到當(dāng)應(yīng)力值更大時(shí)，對(duì)應(yīng)的蝕坑平均深度值也有所增加，說(shuō)明應(yīng)力與腐蝕程度呈正相關(guān)關(guān)系，較大的拉應(yīng)力有利于腐蝕坑沿深度方向的發(fā)展。其原因在于，由于力學(xué)化學(xué)效應(yīng)，應(yīng)力的作用使得材料腐蝕電位負(fù)移，更加易于形成蝕坑，且應(yīng)力使蝕坑底部的鈍化膜不斷破裂，有助于蝕坑向深度方向發(fā)展。當(dāng)應(yīng)力值更大時(shí)，鈍化膜更加容易破裂，使得腐蝕液進(jìn)入并接觸新鮮的金屬表面，形成新的腐蝕，這樣持續(xù)發(fā)展，將促進(jìn)應(yīng)力腐蝕裂紋在蝕坑底部尖端形核。但由曲線變化趨勢(shì)可知，在腐蝕的初期階段，即0～1.5 h，應(yīng)力對(duì)蝕坑深度的影響有限；當(dāng)腐蝕時(shí)間大于等于2 h，應(yīng)力水平引起的蝕坑平均深度的變化更加顯著，可見(jiàn)應(yīng)力水平對(duì)蝕坑深度發(fā)展的影響是分階段的，在不同時(shí)間階段，影響不同。比較圖3與圖4可以看到，對(duì)于2219鋁合金材料在EXCO溶液中發(fā)生的應(yīng)力腐蝕，在腐蝕發(fā)生的前2.5 h，應(yīng)力水平對(duì)以平均蝕坑深度表征的腐蝕損傷所產(chǎn)生的影響，要小于腐蝕時(shí)間所產(chǎn)生的影響。對(duì)于超過(guò)2.5 h后更長(zhǎng)腐蝕時(shí)間及更高應(yīng)力水平條件下各因素對(duì)腐蝕損傷的影響，則有待后續(xù)研究。

2.2 腐蝕損傷力學(xué)性能變化分析

表5所示為腐蝕后試樣的拉伸試驗(yàn)所取得的強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)擬合方法可以獲得試樣的力學(xué)性能參數(shù)與腐蝕時(shí)間、應(yīng)力水平之間的關(guān)系曲線，如圖5～10所示。圖5顯示，腐蝕后的試樣抗拉強(qiáng)度均有所降低，且隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，抗拉強(qiáng)度持續(xù)下降。2219鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度為475 MPa，當(dāng)腐蝕時(shí)間為1 h，各組試樣的抗拉強(qiáng)度在435～454 MPa之間，下降了4. 42%～8.42%；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到2.5 h，進(jìn)一步下降至355～390 MPa之間，相對(duì)未腐蝕材料強(qiáng)度下降了25.26%～17.89%。可見(jiàn)腐蝕時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的變化具有顯著影響，腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)將使材料抗拉強(qiáng)度不斷下降。其原因在于試樣腐蝕損傷隨時(shí)間不斷擴(kuò)大，而損傷破壞了材料內(nèi)部的連續(xù)性，造成材料有效截面積減小、蝕坑尖端的應(yīng)力集中等因素，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度隨之持續(xù)下降，在所受到的拉伸應(yīng)力值未達(dá)到原材料抗拉強(qiáng)度時(shí)就發(fā)生斷裂失效。

表5 腐蝕后試樣力學(xué)性能

圖5 抗拉強(qiáng)度與浸沒(méi)時(shí)長(zhǎng)關(guān)系Fig.5 Relationship between tensile strength and immersion time

圖6 抗拉強(qiáng)度與應(yīng)力水平關(guān)系Fig.6 Relationship between tensile strength and stress level

根據(jù)圖6考察應(yīng)力水平變化對(duì)力學(xué)性能的影響。由圖6可見(jiàn)，當(dāng)腐蝕時(shí)間一定時(shí)，由于試樣在腐蝕期間受到不同大小拉伸應(yīng)力的作用，其力學(xué)性能的下降程度也有所不同。較大應(yīng)力作用下腐蝕的試樣，測(cè)得較低的抗拉強(qiáng)度，即較高的應(yīng)力水平意味著材料抗拉強(qiáng)度較大幅度地下降。原因在于當(dāng)其他腐蝕條件相同時(shí)，較高的應(yīng)力水平使試樣受到較大的腐蝕損傷，導(dǎo)致了更大程度的性能下降。當(dāng)應(yīng)力水平為158 MPa、腐蝕時(shí)間為2.5 h，抗拉強(qiáng)度為348 MPa，強(qiáng)度損失達(dá)26.74%。

對(duì)比圖5與圖6，可以看到腐蝕時(shí)間對(duì)材料抗拉強(qiáng)度的影響更大，而應(yīng)力水平所產(chǎn)生的影響則相對(duì)較小。這恰好與前述關(guān)于腐蝕時(shí)間、應(yīng)力水平兩種因素對(duì)試樣腐蝕損傷的影響的分析相一致。圖7表示，材料的延伸率隨腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而迅速下降。對(duì)于受158 MPa拉伸應(yīng)力作用的試樣，腐蝕時(shí)間1 h，延伸率從10%下降到8.1%，損失達(dá)19%；腐蝕時(shí)間2.5 h，延伸率從10%下降到5.4%，損失達(dá)46%。圖8說(shuō)明,對(duì)于確定的腐蝕時(shí)間，當(dāng)所受拉伸應(yīng)力增大時(shí)，試樣的延伸率也有所下降，但從曲線的變化趨勢(shì)可知，應(yīng)力對(duì)延伸率變化的影響要小于腐蝕時(shí)間的影響。圖9顯示，當(dāng)受到的拉應(yīng)力恒定時(shí)，試樣的彈性模量隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，圖10說(shuō)明對(duì)于確定的腐蝕時(shí)間，較大的拉應(yīng)力給試樣帶來(lái)更大的彈性模量損失，其變化趨勢(shì)與抗拉強(qiáng)度的變化類(lèi)似。因此，當(dāng)2219鋁合金試樣暴露于EXCO溶液中且同時(shí)受到拉伸應(yīng)力作用而發(fā)生腐蝕，腐蝕時(shí)間、應(yīng)力水平都會(huì)影響材料的腐蝕損傷并進(jìn)而影響材料力學(xué)性能的變化。隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)或應(yīng)力水平的提高，材料的腐蝕損傷增加并導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)腐蝕時(shí)間不超過(guò)2.5 h，腐蝕時(shí)間對(duì)材料損傷、性能變化的影響更大，而應(yīng)力水平的影響相對(duì)較小。

圖7 延伸率與浸沒(méi)時(shí)長(zhǎng)關(guān)系Fig.7 Relationship between elongation and immersion time

圖8 延伸率與應(yīng)力水平關(guān)系Fig.8 Relationship between elongation and stress level

圖9 彈性模量與浸沒(méi)時(shí)長(zhǎng)關(guān)系Fig.9 Relationship between elastic modulus and immersion time

圖10 彈性模量與應(yīng)力水平關(guān)系Fig.10 Relationship between elastic modulus and stress level

2.3 拉伸斷口形貌分析

對(duì)于腐蝕后試樣拉伸斷口的觀察，有助于了解腐蝕損傷與試樣斷裂失效間的關(guān)系。圖11為一個(gè)試樣的拉伸斷口宏觀形貌，該試樣曾在158 MPa拉應(yīng)力作用下暴露于EXCO溶液中，經(jīng)歷2.5 h加速腐蝕后取出，隨后在拉伸試驗(yàn)機(jī)上受拉伸作用直至斷裂。由圖11可見(jiàn)試樣斷口方向與拉伸應(yīng)力方向大致垂直，無(wú)明顯頸縮現(xiàn)象。測(cè)量計(jì)算延伸率為5.4%，斷裂類(lèi)型屬于混合斷裂，接近于脆性斷裂。利用顯微鏡對(duì)斷口進(jìn)行顯微觀察，由圖12可見(jiàn)，斷口明顯呈沿晶斷裂特征，其原因在于，力學(xué)、化學(xué)效應(yīng)使晶粒邊界優(yōu)先發(fā)生溶解并斷裂?？梢砸?jiàn)到斷口處存在多處小裂紋。圖13顯示斷口主裂紋起裂位置在一個(gè)點(diǎn)蝕坑處。腐蝕在試樣表面形成了點(diǎn)蝕坑，在拉伸試驗(yàn)中，蝕坑底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成材料破裂并繼續(xù)擴(kuò)展成為較大裂紋，成為材料在所受拉伸應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度時(shí)即斷裂失效的主要原因。由圖14可見(jiàn)，斷口處還可觀察到非常細(xì)小的微裂紋，這些微裂紋是在試樣暴露于EXCO溶液中的時(shí)候就已經(jīng)形成了，在拉伸過(guò)程時(shí)，裂紋因外載荷而迅速擴(kuò)展。由于試樣表面下存在著多個(gè)這樣的微裂紋，嚴(yán)重破壞了材料的連續(xù)性，致使試樣抗拉強(qiáng)度顯著下降，這也是促使材料在受到拉伸作用時(shí)沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分的塑性變形階段就發(fā)生瞬間斷裂的重要因素。

圖11 試樣拉伸斷口形貌Fig.11 Tensilefracture morphology of a specimen

圖12 斷口類(lèi)型Fig.12 Fracture characteristic

圖13 斷口處主裂紋起裂于點(diǎn)蝕坑位置Fig.13 The main crack at a fracture initiating at a pit site

微小裂紋在點(diǎn)蝕坑處形核并擴(kuò)展圖14 斷口處的微小裂紋Fig.14 A microcrack at the fracture

3 結(jié)論

(1)腐蝕時(shí)間、應(yīng)力水平是影響2219鋁合金材料在EXCO溶液中應(yīng)力腐蝕損傷發(fā)展的重要因素。在腐蝕發(fā)生的前2.5 h，應(yīng)力水平對(duì)以蝕坑深度表征的腐蝕損傷所產(chǎn)生的影響，要小于腐蝕時(shí)間所產(chǎn)生的影響。

(2)當(dāng)腐蝕試樣受靜拉伸作用且應(yīng)力水平不超過(guò)2219鋁合金屈服強(qiáng)度的40%時(shí)，在腐蝕的前1.3 h，腐蝕損傷沿深度方向發(fā)展的速度很慢；當(dāng)腐蝕時(shí)間達(dá)到1.5 h，以蝕坑深度值表示的腐蝕損傷迅速變大。

(3)當(dāng)腐蝕時(shí)間不超過(guò)2.5 h且保持一定時(shí)，試樣腐蝕損傷程度與應(yīng)力水平呈正相關(guān)關(guān)系。拉應(yīng)力促進(jìn)腐蝕坑向深度方向發(fā)展而使腐蝕損傷更加嚴(yán)重。但應(yīng)力對(duì)損傷發(fā)展的影響在不同時(shí)間段是不同的：在腐蝕的初期階段，即0.0～1.5 h，應(yīng)力水平的影響有限；當(dāng)腐蝕時(shí)間大于等于2.0 h，應(yīng)力水平引起的蝕坑平均深度的變化更加顯著。

(4)腐蝕損傷使材料力學(xué)性能下降，腐蝕時(shí)間、應(yīng)力水平與材料力學(xué)性能的變化具有相關(guān)性：當(dāng)腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)、應(yīng)力水平升高，材料都會(huì)因更嚴(yán)重的腐蝕損傷而表現(xiàn)出抗拉強(qiáng)度、延伸率、彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)更大的下降。當(dāng)腐蝕時(shí)間不超過(guò)2.5 h，腐蝕時(shí)間對(duì)材料力學(xué)性能的變化具有更大影響，而應(yīng)力水平的影響相對(duì)較小。

(5)試樣拉伸斷口的斷裂類(lèi)型為沿晶斷裂。腐蝕損傷造成的點(diǎn)蝕坑、微裂紋破壞了材料的連續(xù)性，使材料力學(xué)性能下降，是促使材料在拉伸試驗(yàn)中沒(méi)有經(jīng)過(guò)充分的塑性變形階段就發(fā)生瞬間斷裂的重要因素。深度大的點(diǎn)蝕坑、微裂紋可能成為斷口主裂紋的起源。