腐蝕對Al-Zn-Mg合金型材疲勞強度影響規律的研究

陳 鑒，王向東，潘柏清，劉 雄，丁 浩，龍明生，剡蘇榮，謝紫華，邵曉峰

(中車株洲電力機車研究所有限公司 時代電氣制造中心，湖南 株洲 412001)

近年來，隨著我國交通運輸行業的飛速發展，高速列車、城軌列車相繼投入使用。Al-Zn-Mg合金因其具有不錯的強質比、優異的成型性、合格的耐蝕性和可焊性在高速列車、城軌列車上得到了廣泛應用[1-2]。

列車的運行環境較為復雜，若鋁合金結構件表面的涂層失效，鋁合金型材將會直接接觸到潮濕空氣、Cl-離子等介質，型材表面會發生腐蝕，此外，在列車運行、停放過程中還需承受拉壓交變應力、恒拉應力的作用。由于Al-Zn-Mg合金自身存在一定的應力腐蝕敏感性，在腐蝕介質與恒拉應力的綜合作用下，會發生應力腐蝕；而在腐蝕介質與交變載荷的共同作用下，會引發腐蝕疲勞[3-5]。腐蝕會引起結構材料的損傷，使結構材料性能下降，導致服役時間縮短。但在結構設計時往往會由于涂層存在良好的防護效果而忽視環境因素在強度衰減中的作用，給結構材料的使用帶來不確定性。如今，隨著軌道車輛的服役年限增長、客容量增大以及運行速度加快，對Al-Zn-Mg合金型材及其構件的強度、耐蝕性，特別是安全性、可靠性提出了更高的要求，因此需要精細化了解腐蝕對Al-Zn-Mg合金疲勞性能衰減的影響。

灰色理論對于信息不完整的系統具有很好的預測性，在各行各業都有非常廣泛的應用，田峻山等[6]通過非等間距灰色系統理論，對混凝土結構的損傷系數進行了壽命預測并得到了較高的預測結果。曲建軍等[7]根據軌道幾何不平順的發展特性，通過灰色理論較好地預測了軌道質量隨時間發展的隨機波動特征，預測精度高。因此采用灰色理論可以對Al-Zn-Mg合金的疲勞強度衰減進行精準的預測。

本文采用恒定載荷應力腐蝕+低應力腐蝕疲勞相結合的方式模擬列車的“服役—停放”過程。首先，對Al-Zn-Mg合金樣品進行加速試驗；隨后,對加速試驗后樣品的疲勞性能與腐蝕疲勞性能進行檢測，并與已服役型材的相關性能進行對照，從而獲得Al-Zn-Mg合金型材疲勞、腐蝕疲勞極限的衰減方程；最后，采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金型材的使用壽命進行預測。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗使用的材料為Al-Zn(5.81%)-Mg(0.82%)-Cu(0.12%)-Zr(0.16%)-Mn (0.22%)，錠坯經均勻化處理后，通過熱擠壓得到型材。合金擠壓型材經470 ℃固溶處理60 min后，用水淬火，隨后進行雙級時效處理，其中預時效制度為120 ℃/6 h，終時效制度為150 ℃/10 h。

1.2 室溫拉伸性能

Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸試樣尺寸一方面參考GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[8]標準，同時考慮到所取試樣的實際尺寸，最終選擇公稱厚度為型材原始厚度的室溫拉伸試樣，具體試樣尺寸如圖1所示。室溫拉伸試驗在萬能材料試驗機上進行，試驗過程中拉伸速率為2 mm/min，試驗溫度為室溫(25±3)℃，拉伸試驗過程中使用引伸計測量屈服點。

圖1 Al-Zn-Mg合金型材室溫拉伸試樣尺寸

1.3 常規疲勞性能

Al-Zn-Mg合金型材疲勞極限測試參照GB/T 3075—2008 《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》[9]執行，S-N疲勞壽命曲線測試在應力比R=0.1、應力集中系數Kt=1條件下進行，循環極限壽命取107，檢測型材材料(50%置信度、95%可靠度)的疲勞性能差異，試樣尺寸如圖2所示。

圖2 Al-Zn-Mg合金型材疲勞試樣尺寸

1.4 腐蝕疲勞性能

Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞S-N曲線測試參照GB/T 3075—2008和GB/T 20120.1 —2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗 第1部分：循環失效試驗》[10]執行，采用成組法取3級以上應力水平對材料進行指定應力下的腐蝕疲勞壽命檢測，腐蝕溶液選取剝落腐蝕溶液(EXCO，NaCl(234 g/L)+ KNO3(50 g/L)+ HNO3(6.3 mL/L))。S-N腐蝕疲勞壽命曲線測試在R=0.1、Kt=1下進行，循環極限壽命取5×104，檢測鋁合金型材的腐蝕疲勞性能差異，試驗取樣尺寸同疲勞試樣。

1.5 組織觀察

Al-Zn-Mg合金的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)組織觀察分別采用FEI-Quanta200掃描電子顯微鏡和Tecnai G2 20透射電子顯微鏡。掃描電鏡樣品為Al-Zn-Mg合金室溫拉伸斷口樣品；透射電鏡樣品為厚度小于80 μm、直徑為3 mm且中間有薄區的小圓片。

1.6 衰減規律探索

采用恒定載荷應力腐蝕+低應力腐蝕疲勞對樣品進行加速試驗。恒定載荷應力為50～200 MPa，加載時間為1～3天，腐蝕溶液為NaCl(3.5%)+ NaHSO3(0.01 mol/L)，同時考慮了氯離子及工業廢氣中的硫元素對合金性能的影響；腐蝕疲勞最大載荷為10～110 MPa，R=0.1，加載時間為1～3天，腐蝕溶液同樣為NaCl(3.5% )+ NaHSO3(0.01 mol/L)，1組應力腐蝕加1組腐蝕疲勞為1個加速周期，分別測試得到未加速、加速1個周期和加速2個周期下合金的疲勞性能、腐蝕疲勞性能。最后通過灰色理論模型對不同加速周期下的疲勞強度進行計算，得到合金型材衰減多周期后的疲勞極限，并將不同周期的疲勞極限進行擬合，得到擬合曲線。

2 試驗結果

2.1 組織分析

通過透射電鏡觀察Al-Zn-Mg合金型材雙級時效后的第二相分布及晶界結構。圖3(a)～圖3(b)為合金透射電鏡明場像，圖3(c)為圖3(a)中沿<100>Al的選區電子衍射圖片。由圖3(a)可知，基體內有許多細小均勻分布的第二相粒子，粒子主要呈點狀。根據其對應的衍射圖片(圖3(c))，能看到明顯的η′相的衍射斑點，GP區的衍射強度微弱。從圖3(b)中可以看到晶界處的第二相粒子呈島狀分布，析出的η相呈棒狀，彼此沒有直接連接。這種不連續分布的粗大η相，將腐蝕過程中的陽極溶解通道隔斷，降低了腐蝕介質沿晶界的擴散速率，從而可提高合金的耐蝕性能。在應力腐蝕過程中，粗大η相有利于使富集在上面的氫原子形成氫氣逸出，抑制氫脆，因此在雙級時效態下，Al-Zn-Mg合金具有良好的抗腐蝕性能。

圖3 Al-Zn-Mg合金型材雙級時效處理后的TEM組織

2.2 室溫拉伸性能

表1為Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸結果，平行試樣共3根。通過對比強度和伸長率可知，3根Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸性能穩定，其中平均抗拉強度(Rm)、平均屈服強度(RP0.2)和平均斷后伸長率(A)分別為345.95 MPa、315.77 MPa和22.67%。

表1 Al-Zn-Mg合金型材室溫拉伸性能

通過觀察Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸斷口(圖4)可以發現在斷裂面上存在大量的等軸韌窩，這些韌窩尺寸分布密集；在韌窩底部，發現了許多第二相粒子。表明該Al-Zn-Mg合金型材在經過雙級時效處理后具有不錯的韌性。

圖4 Al-Zn-Mg合金室溫拉伸斷口形貌

2.3 常規疲勞性能

表2為Al-Zn-Mg合金型材疲勞性能檢測結果，對應的升降法疲勞強度如圖5所示。依據升降法計算規則得到在應力比R=0.1、應力梯度Δσ=10 MPa條件下，Al-Zn-Mg合金型材試樣中值疲勞強度為219.29 MPa。

表2 Al-Zn-Mg合金型材疲勞性能檢測結果

圖5 Al-Zn-Mg合金型材疲勞強度

2.4 腐蝕疲勞性能

表3為Al-Zn-Mg合金型材的腐蝕疲勞性能檢測結果，對應的S-N曲線如圖6所示。Al-Zn-Mg合金型材在加載超過210 MPa的條件下很難達到5×104的循環周次，而在200 MPa時則可以通過。根據計算可知，Al-Zn-Mg合金的腐蝕疲勞極限強度為208.93 MPa。

表3 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞性能檢測結果

圖6 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞強度

2.5 型材衰減規律

表4、表5為Al-Zn-Mg合金型材在經過1個加速周期后的常規疲勞和腐蝕疲勞試驗結果。由表4可知，在R=0.1、Δσ=10 MPa條件下，依據升降法測試得到的Al-Zn-Mg合金型材中值疲勞強度為203.00 MPa。根據表5所列數據，依據成組法計算規則，可知Al-Zn-Mg合金型材經加速試驗后的腐蝕疲勞強度為169.46 MPa。

表4 加速1個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材疲勞檢測結果

表5 加速1個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞檢測結果

通過對比未加速之前與加速1個周期后Al-Zn-Mg合金型材的常規疲勞強度、腐蝕疲勞強度可知，合金型材的常規疲勞強度衰減約16 MPa，而腐蝕疲勞強度衰減約39 MPa。可見，在腐蝕條件下，合金力學性能的衰減比未腐蝕時更為明顯。

表6、表7為Al-Zn-Mg合金型材在經過2個加速周期后的常規疲勞和腐蝕疲勞試驗結果。依據升降法計算表6的數據，得到在R=0.1、Δσ=10 MPa條件下，加速2個周期后Al-Zn-Mg合金型材的疲勞極限為182.50 MPa；根據表7所列數據計算得到加速2個周期后Al-Zn-Mg合金型材循環5×104周次后的腐蝕疲勞極限強度為125.13 MPa。可見，相較于加速1個周期后的常規疲勞與腐蝕疲勞強度又有一定程度的下降，其中常規疲勞強度下降約20 MPa，腐蝕疲勞強度下降約44 MPa，Al-Zn-Mg合金型材的性能衰減降幅有增大趨勢。

表6 加速2個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材疲勞檢測結果

以表2～表7中Al-Zn-Mg合金型材加速試驗前后的常規疲勞強度值和腐蝕疲勞強度值為基礎，將其數據統計如表8所示。采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金在不同加速周期下的疲勞性能、腐蝕疲勞性能進行分析，得到合金的常規疲勞性能發展系數為0.106，灰色作用量為237.12；而腐蝕疲勞性能的發展系數為0.30，灰色作用量為257.84。可見，Al-Zn-Mg合金型材的腐蝕疲勞性能發展趨勢更快。

表7 加速2個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞檢測結果

表8 加速試驗前后Al-Zn-Mg合金型材性能數據及灰色理論參數值

使用灰色理論模型對長周期下的Al-Zn-Mg合金型材的疲勞強度及腐蝕疲勞強度進行預測，可以得知在6個加速周期后，合金的疲勞強度仍可達到119.17 MPa，而腐蝕疲勞強度則只有37.39 MPa(表9)，充分說明腐蝕對于Al-Zn-Mg合金性能衰減的加速作用。腐蝕介質中絕大多數結構件的疲勞壽命降低，裂紋擴展速率增加。在腐蝕介質中，Cl-和H+會優先作用于沿晶界分布的MgZn2相，引起腐蝕。由于該Al-Zn-Mg合金型材經過雙級時效處理，MgZn2相呈島狀分布，因此在金屬表面形成點蝕坑，使型材表面的粗糙度上升，同時引起局部損傷與應力集中，會成為疲勞加載下的疲勞源頭，引起疲勞強度降低；同時由于H+尺寸較小，在合金內部有一定的自由度，會隨裂紋尖端逐漸向型材內部擴張，進一步破壞構件。

表9 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞性能預測表

對灰色理論模型預測數據進行擬合分析，擬合曲線如圖7所示。常規疲勞強度和腐蝕疲勞強度都隨加速周期呈指數形式衰減。通過擬合可知常規疲勞強度、腐蝕疲勞強度隨加速周期的衰減方程分別為：

圖7 疲勞和腐蝕疲勞強度隨加速周期的擬合曲線

FA=-12.31+234.05exp(-0.095t)

(1)

FC=-4.02+217.33exp(-0.27t)

(2)

式中：FA——常規疲勞強度；

FC——腐蝕疲勞強度；

t——加速周期。

2個衰減方程的擬合系數分別為0.999 43和0.998 17，說明具有良好的擬合效果。

3 結論

本文通過腐蝕疲勞、應力腐蝕相結合的方法模擬 “服役—停放”狀態，測試了不同加速周期下Al-Zn-Mg合金型材的疲勞強度、腐蝕疲勞強度。采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金在不同加速周期下的疲勞性能、腐蝕疲勞性能進行分析，得出合金型材常規疲勞性能發展系數和灰色作用量分別為0.11和237.12，腐蝕疲勞性能發展系數和灰色作用量分別為0.30和257.84。可見，Al-Zn-Mg合金型材的常規疲勞強度、腐蝕疲勞強度會隨模擬加速試驗周期的延長而衰減，腐蝕疲勞條件下Al-Zn-Mg合金型材的性能衰減比常規疲勞條件下的性能衰減更快。