熱處理狀態對6061鋁合金應力腐蝕性能的影響

姜 根，柏振海，羅兵輝，王 帥，羅嘉倩

（中南大學材料科學與工程學院，長沙410083）

0 前言

以6061 為代表的6×××系Al-Mg-Si 合金具有良好的工藝塑性、焊接性能和耐腐蝕性，而且應力腐蝕敏感性很低，因而被廣泛應用于軌道交通以及現代建筑等領域[1-2]。6×××系鋁合金一般是由鑄錠經均勻化、熱軋而后固溶時效（一般為T6），然后應用于各個領域。但在某些特定熱處理狀態下的6×××系鋁合金還是會發生應力腐蝕開裂[3-4]。

本論文擬通過對不同熱處理狀態下的6061 鋁合金（包括鑄態、均勻化態、熱軋態和T6 峰時效態）在3.5%NaCl 溶液中的應力腐蝕行為進行對比測試，從而探究6061 鋁合金的應力腐蝕敏感性是否具有“遺傳性”。

1 實驗方法

實驗材料為商用6061 鋁合金，其化學成分如表1所示。鑄錠在560 ℃下均勻化9 h后，在490 ℃下保溫2 h 經四道次進行75%的熱變形，隨后進行退火（320 ℃/2 h）以去除軋制過程中產生的內應力，最后進行T6 峰時效處理（535 ℃固溶1.5 h，180 ℃時效9 h）。慢應變速率拉伸的試樣及測試方法分別按照GB/T 228.1-2010[5]和GB/T 15970.7-2000[6]進行。試樣尺寸如圖1所示。應力腐蝕實驗在RWS50-CRIMS型慢應變應力腐蝕試驗機上進行，腐蝕介質為3.5%NaCl溶液，應變速率為6.67×10-6s-1，試驗溫度為25±1 ℃。開始試驗前先施加150 N 的載荷以消除機械誤差。

表1 6061鋁合金的化學成分（質量分數/%）

圖1 慢應變拉伸實驗試樣尺寸

表示應力腐蝕敏感性系數的方法有很多，比如使用斷裂時間的比值、延伸率的比值或者是斷裂能的比值等等。本文使用公式（1）給出的方法計算應力腐蝕敏感性系數ΙSSRT。該公式所給出的應力腐蝕敏感性評判依據是：與使用單項力學性能進行表征的應力腐蝕敏感性指數相比，將SSRT 實驗所獲得的各項力學性能指標如斷裂強度和延伸率等進行數學處理后的結果，能更好地反映材料的應力腐蝕斷裂敏感性。ΙSSRT的數值越大，表示其抗應力腐蝕的能力越差[7]。

6061 鋁合金的應力腐蝕敏感性系數用ΙSSRT表示[8]，公式為：

式中，σfw表示試樣在腐蝕介質中的斷裂強度（MPa），σfA表示試樣在惰性介質（干燥空氣）中的斷裂強度（MPa），δfw表示試樣在腐蝕介質中的斷裂伸長率（%），δfA表示試樣在惰性介質（干燥空氣）中的斷裂伸長率（%）。

慢應變速率拉伸斷口經過無水乙醇清洗后使用Siron 200 型掃描電鏡進行觀察。金相樣品使用Keller試劑腐蝕后在Ployvar-Met 金相顯微鏡上進行組織觀察。

2 實驗結果

2.1 應力腐蝕測試

圖2為不同熱處理狀態的6061鋁合金在空氣和3.5%NaCl 溶液中的慢應變速率拉伸曲線。可見鑄態合金在空氣和NaCl 溶液中僅存在延伸率上的損失，均勻化態的合金僅在強度上有所損失，而熱軋態的合金在強度和延伸率上都幾乎不存在損失，T6態的合金在強度和延伸率上均只有很少的損失。就強度而言，T6態＞鑄態＞熱軋態＞均勻化態。

圖2 不同狀態的6061鋁合金在空氣和3.5%NaCl溶液中的SSRT曲線

表2是判斷6061鋁合金是否具有應力腐蝕所需的參數。根據HB 7235-1995[8]的規定，當ψcorr/ψair＜95%時，可以認為材料在腐蝕介質中具有應力腐蝕敏感性。但由于慢應變速率拉伸斷口不均勻，若通過測量直徑計算頸縮處的橫截面積則誤差較大，故用公式（2）計算頸縮處橫截面積。

式中，S0、Le分別為試樣的橫截面積和引伸計標距，Fb、Fu分別為B點和斷裂時的點所對應的力，Δb、Δu 分別為B 點的延伸和斷裂時的延伸。

經過計算發現，4種狀態的6061鋁合金除了熱軋態外都具有應力腐蝕敏感性。表3是6061鋁合金應力腐蝕測試的結果。其它3種狀態的應力腐蝕敏感性順序為：均勻化態＞鑄態＞T6 態。但相比于2×××系和7×××系鋁合金來說其應力腐蝕敏感性很小[7，9]。

表2 6061鋁合金應力腐蝕敏感性判斷所需參數

表3 6061鋁合金應力腐蝕測試結果

2.2 拉伸斷口觀察

圖3是不同狀態的6061鋁合金慢應變速率拉伸的斷口掃描照片。從圖3（a）和圖3（b）中可以看出，鑄態6061 鋁合金在空氣和NaCl 溶液中的斷口形貌都以沿晶斷裂為主，但是在NaCl 溶液中的斷口中有二次裂紋的存在，這是應力腐蝕斷口的典型形貌之一；圖3（c）和圖3（d）是均勻化態6061 鋁合金的斷口形貌。空氣中的斷口形貌是以韌窩為主的韌性斷裂，而從NaCl 溶液中的斷口中可以觀察到解理區的存在，這是應力腐蝕斷口的另一個特征；圖3（e）和圖3（f）是熱軋態6061 鋁合金的斷口形貌，空氣和NaCl 溶液中斷口都是韌性斷裂，整個斷口形貌相似，說明其無應力腐蝕敏感性；圖3（g）和圖3（h）是T6 峰時效態6061 鋁合金的斷口形貌。空氣中的斷口為韌性斷裂，韌窩數量多且深，而從NaCl 溶液中的斷口可以觀察到韌窩數量變少且變淺、變大，部分區域有轉變成解理面的趨勢。

圖3 6061鋁合金SSRT斷口掃描電鏡照片

2.3 微觀組織觀察

圖4是不同熱處理狀態的6061鋁合金的金相照片。從圖4（a）鑄態組織的金相照片中可以看出，合金存在較明顯的枝晶偏析，晶界上析出相連續粗大，形成網絡狀組織；圖4（b）是均勻化態的金相組織照片，枝晶偏析基本消除，晶界析出相回溶到基體，晶界變窄、變細，但仍然連續；圖4（c） 為熱軋板的金相顯微組織，晶粒沿軋制方向顯著延展成纖維狀組織，晶界析出相變得不連續且更加細小；圖4（d）為T6 峰時效態的金相組織照片，晶界析出相更加離散細小，呈顆粒狀，且晶界處開始出現無沉淀析出帶，晶內析出相細小而密集。

圖4 不同狀態的6061鋁合金的金相照片

3 分析與討論

從應力腐蝕分析結果來看，不同狀態的6061鋁合金在應力腐蝕性能上沒有“遺傳性”，熱軋態的合金不具有應力腐蝕敏感性，而其他3種狀態的應力腐蝕敏感性順序為：均勻化態＞鑄態＞T6 態，其ΙSSRT分 別 為0.090、0.063、0.052 （如 表3 所示）。對于鑄態的合金（圖4（a）），由于其晶間析出相連續，容易形成陽極腐蝕通道，且晶界附近存在元素偏析，使得與晶界析出相之間存在電位差，因而會造成材料的應力腐蝕，所以鑄態合金的應力腐蝕斷口與空氣中的斷口均為沿晶斷裂（見圖3（a）和圖3（b））。但應力腐蝕斷口有二次裂紋的存在，這是因為合金發生應力腐蝕使得晶界脆化，晶粒在拉力的作用下更容易被拉扯開來，從而產生二次裂紋。均勻化態的組織（圖4（b））因晶界附近元素分布均勻，晶界析出相與晶界周圍的電位差較大，晶界析出相連續，容易形成陽極腐蝕通道，故其應力腐蝕敏感性最高。所以均勻化態的合金在空氣中的斷口是韌性斷裂，而應力腐蝕斷口上存在大片的解理區。熱軋態的合金（圖4（c））經應力退火后，合金中存在的內應力很小，晶界析出相離散分布，尺寸相對于T6 態較大，更容易捕捉應力腐蝕過程中的氫，不易形成陽極腐蝕通道，且晶界沒有無沉淀析出帶的存在，因此熱軋態的合金不會發生應力腐蝕。所以熱軋態在空氣和腐蝕液中的斷口形貌相似（見圖3（e）和圖3（f））。而T6峰時效態（圖4（d））的晶界析出相呈顆粒狀不連續分布，且有無沉淀析出帶的存在，晶內析出相細小且密集，但是寬化的無沉淀析出帶與晶界析出相之間存在電位差，故而使得材料發生應力腐蝕。所以T6 態的合金在空氣中的斷口是韌性斷裂，而應力腐蝕斷口上也存在大片的解理區。

4 結論

（1）6061 鋁合金從鑄態、均勻化態、熱軋態到T6 峰時效態均不存在應力腐蝕性能上的“遺傳性”。

（2）熱軋態的合金不具有應力腐蝕敏感性，其余3 種狀態合金的應力腐蝕敏感性順序依次為：勻化態＞鑄態＞T6 峰時效態，其應力腐蝕敏感性系數分別為0.094、0.064、0.053。

（3）6061 鋁合金鑄態樣品在空氣和腐蝕液中的拉伸斷口都是沿晶斷裂，但應力腐蝕斷口中有二次裂紋的存在；熱軋態的樣品在空氣和腐蝕液中的拉伸斷口都是韌性斷裂，所以無應力腐蝕敏感性；均勻化態和T6 態的樣品在空氣中的拉伸斷口以韌性斷裂為主，而應力腐蝕斷口中存在韌窩和解理區域，是韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂。