基于SCC試驗的鋁合金材料應力腐蝕研究

賈云柯，王居超，李帥康

（1.華北理工大學以升創新教育基地，河北 唐山 063000；2.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063000）

鋁合金的應力腐蝕現象是由工況下所受的應力和所處的介質環境共同作用產生的，被稱為應力腐蝕開裂。所受應力包括外加應力、殘余應力、侵入應力、腐蝕應力等，介質環境包括溫度、濕度、磁場、酸堿度等。當材料、機械零件等在應力和腐蝕環境共同作用下時將會出現失效現象，而失效現象會導致材料、機械零件的穩定性、安全性、壽命大大降低，甚至不能工作。金屬材料的應力腐蝕現象對工程、建筑、材料、基建等行業的影響巨大，而鋁合金作為目前應用最多的合金之一，研究其在特殊環境之下的抗腐蝕能力將是非常有必要的。

1 研究背景

應力腐蝕對材料所處的環境有很強的選擇性，不同的材料只有在特定的腐蝕介質環境中才會發生嚴重的應力腐蝕，例如：鋁合金在水和NaCl溶液的環境中、低碳鋼在NaOH溶液環境中、鎂合金在NaCl-雙氧水、KCl-鉻酸鉀溶液的環境中、高強度鋼在水溶液環境中都會發生應力腐蝕現象。在各類材料零件工作中，由于溫度、濕度、酸堿度等外部環境因素影響下很容易處于這些腐蝕環境中造成失效。當鋁合金材料在腐蝕工況中受到應力時，對于較粗糙的試件，如果試樣的應力強度因子K小于腐蝕強度因子門檻值KISCC，那么腐蝕過程中鋁合金材料的損傷將會比較小，裂紋也不會擴展。而對于較光滑的試件，則應力腐蝕應力σSCC作為腐蝕強度因子門檻值，當試件處于腐蝕工況下受到的加載應力小于應力腐蝕門檻應力σSCC時，鋁合金材料也不會產生很明顯的裂紋。腐蝕強度因子門檻值KISCC和應力腐蝕門檻應力σSCC都不是材料常數，而是與腐蝕環境密切相關的。

2 研究內容

由于材料、機械零件等在應力和特殊腐蝕環境共同的作用下將會出現零件失效現象，而失效現象會導致材料、機械零件的穩定性、安全性、壽命大大降低，甚至不能工作。基于SCC應力腐蝕開裂試驗來研究鋁合金材料的應力腐蝕過程，探究鋁合金材料的抗應力腐蝕能力，在鋁合金材料應力腐蝕發生的過程中腐蝕裂紋的生成必然會引起材料內部應力值的變化，我們可以通過測定應力腐蝕過程中材料內部的應力應變值隨時間的變化來判斷鋁合金材料發生應力腐蝕時各個階段的時間點，最后對這些時間點進行分析，從而得出試驗結果。

在基本持續不變的加載應力與腐蝕工況的共同作用下，預制裂紋試驗中試件裂紋的擴展速率da/dt與應力強度因子KI之間存在著一定的關系，關系曲線分為三個區域，分為低速區、恒速區、高速區。

用公式表示為：

式中Ci是指與具體腐蝕環境以及溫度有關的參數。在恒速區，裂紋擴展速率da/dt與應力強度因子K1無關；在高速區，da/dt隨著K1的變大而變大，當KI=KIX時發生脆性斷裂，即KIX為腐蝕環境下的斷裂韌帶。由于裂紋尖端的腐蝕損傷累積嚴重，因而一般KIX比KI小。

3 應力腐蝕開裂試驗（SCC試驗）

由于材料的應力腐蝕是因材料類型、所受應力狀態、環境工況共同作用產生的，因此SCC應力腐蝕開裂試驗也有多種不同的試驗方法。同時材料應力腐蝕會需要一定的發生時間，即可能存在較長的潛伏期，所以試驗過程過程通常會進行加速處理，縮短試驗的時間。

將鋁合金放置于特定的環境下，通過記錄并分析試驗數據來探究鋁合金材料的應力腐蝕的過程，并且使用掃描電鏡來觀察材料發生腐蝕開裂的斷口形貌，從而得出鋁合金材料的抗腐蝕性能與腐蝕過程。

鋁合金試樣KI的表達式為：

為了深入細化的了解鋁合金材料應力腐蝕過程中各個階段所用的時間、受到的開裂應力等，本次SCC試驗使用應變片來模擬鋁合金材料受到開裂應力的過程和裂紋的形成與拓展。在SCC試驗開始之前還需要對鋁合金試樣進行預制疲勞裂紋。預制疲勞裂紋將在預SDS20電液伺服動靜試驗機上進行。在進行預制疲勞裂紋前，需要對鋁合金試樣的最大強度因子做一個評估，隨后對試樣進行常溫破壞性試驗從而得到試樣的拉、壓最大強度因子。

將鋁合金試樣的傳感器以及測量溫度變化的溫度傳感器與靜態應變儀連接在一起，將鋁合金試樣固定好之后依次對它緩慢加載拉應力和壓應力，使得試樣產生拉壓變形，并觀察應力儀中的數據，加載直至試樣斷裂失效，靜態應力儀中最大讀數即為鋁合金試樣的拉、壓最大強度因子。

表1 SCC預備實驗結果

表2 SCC試驗加載信息

通過進行預備常溫破壞性試驗，最終將加載的應力分為3個等級，分別為75%KImax、50%KImax和25%Kmax。完成預備常溫破壞性試驗之后就可以進行應力腐蝕開裂試驗，首先和預備試驗一樣對所有的鋁合金試樣進行應力加載。在試驗過程中為了使得腐蝕過程中裂紋能按我們觀測的方向擴展，將試樣無需進行應力加載和腐蝕的表面部分用膠帶進行粘貼。將貼于試樣上的應力感應片和靜態應變儀連接保持通信，做好數據記錄的工作，同時連接溫度補償傳感器，用以測定試驗過程中的溫度變化。最后將應力應變儀、溫度補償傳感器和計算機相連接通信，運用計算機控制系統自動持續采集傳感器的數據，設定計算機采集數據的時間間隔為30s。隨后配置 3.5%HCl+NaCl 飽和溶液，為了減少腐蝕介質濃度改變造成的影響，試驗采用大容量的容器來裝腐蝕溶液，這樣可以降低因溶液消耗而產生的濃度變化對試驗產生的影響。最后將測試的鋁合金試樣完全放入腐蝕溶液中，當試樣表面氣泡開始穩定生成并逐漸變大時，開始采樣。觀察采樣數據，當應變讀數趨于穩定后試驗停止。用計算機自動控制系統間斷的記錄實驗數據，并根據試驗數據運用matlab軟件作出鋁合金試樣的應變～時間曲線，對曲線進行處理運算分析得到最終的試驗結果。

4 試驗結果

分析采樣數據得知在SCC試驗中鋁合金試樣在特制腐蝕環境和加載的腐蝕應力下大約經過了1個小時的潛伏期后腐蝕過程才慢慢的開始，經過多次的裂紋擴展后，鋁合金材料試樣的形狀也發生彎曲變形，并且隨著加載的腐蝕應力的逐漸減小，試樣受到的內部腐蝕應力也會慢慢的減小，當減小至一個水平應力之后，又再次隨著鋁合金材料的應力腐蝕過程繼續增大。