7A41鋁合金的力學性能和耐蝕性能

池海濤， 劉馥兵， 胡曉光

(1. 福建祥鑫股份有限公司， 福建 閩侯 350119; 2. 中國電力科學研究院有限公司， 北京 100055)

7×××系鋁合金具有密度低、強度高、斷裂韌性高等綜合優異性能，逐漸成為航空航天、國防軍工、軌道交通等領域的重要結構材料之一[1-6]。如7003、7046等合金在汽車保險杠等結構件中應用，通過增量添加Zn、Mg、Cu和稀有合金元素Sc等合金元素的超高強7×××系 合金如7050/7055等合金也廣泛地應用于航空結構件中[7-11]。電力領域輸電桿塔的結構材料通常為Q390和Q420等鋼材[12-13]，鋼材在應用過程中需要鍍鋅以保證耐蝕性能，但是同時會污染環境，此外，在山地等交通不便的位置安裝輸電塔時，也增加了運輸難度和運輸成本，因此，也對輸電桿塔提出了輕量化要求，而7×××鋁合金是可選擇的材料之一。

7A41鋁合金是7×××系鋁合金的新牌號，合金設計思路是在Al-Zn-Mg合金中加入少量的Cu元素，主要考慮兩個方面：一方面是Cu可溶入η′及η相中，使晶內與晶界的電位差降低，從而提高材料的耐蝕性能，同時Cu元素能提高強化相的體積分數，從而提高合金強度，滿足力學性能要求；另一方面需要考慮Cu的過多增加會顯著增加合金的淬火敏感性，進而無法實現合金的在線淬火而增加合金成本[14-18]。7A41鋁合金綜合性能優異，非常適用于制造新型鋁合金輸電桿塔結構。輸電桿塔長期暴露于室外，環境復雜，尤其是處于沿海地區對材料本身的耐蝕性能提出了更高的要求，而合金耐腐蝕性能的優劣直接關系到輸電桿塔的使用壽命。

本文主要對合金的力學性能、耐應力腐蝕和鹽霧腐蝕性能進行了測試，對合金的微觀組織特征進行了表征，對該合金的綜合性能進行了評價，為合金成分優化和綜合性能的改善提供了建議。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

以純鋁錠、Zn錠、Mg錠、Al-10Mn、Al-50Cu和Al-10Zr等中間合金為原料，采用500 kg的電阻爐進行熔煉制備7A41鋁合金鑄錠，鑄錠尺寸為φ152 mm×550 mm，利用ARL3460 OES型熱電直讀光譜儀進行合金成分的測試，7A41鋁合金牌號的成分范圍和本文實際的合金元素含量如表1所示。對7A41鋁合金鑄錠進行二級均勻化制度，具體參數為410 ℃×6 h+455 ℃×8 h。利用11MN的擠壓機將7A41鋁合金鑄錠擠壓成鋁合金型材(L40 mm×4 mm角型材)，根據該合金的成分特性，設計如下制造工藝：熱擠壓溫度為430 ℃，擠壓比為20。擠壓型材出口處采用在線淬火工藝對合金進行在固溶處理，型材冷卻后將其進行雙級時效處理，時效工藝為125 ℃×8 h+165 ℃×4 h。

表1 7A41鋁合金的化學成分(質量分數，%)

圖1為7A41鋁合金T6態擠壓型材的顯微組織。從圖1可以看出，縱向和橫向均顯示出了典型的鋁合金擠壓型材組織特征：沿縱向觀察(見圖1(a))，晶粒呈長條狀，具有典型的擠壓織構，沿軸向觀察(見圖1(b))，絕大多數晶粒基本上為等軸狀且細小均勻。此外，在金相照片中還能觀察到合金組織中含有大量彌散分布的強化相。

圖1 T6態7A41鋁合金的顯微組織

1.2 試驗方法

1)力學性能測試 利用線切割將7A41鋁合金型材沿縱向切割成拉伸試樣，拉伸試樣尺寸如圖2所示，并利用1000號砂紙將試樣打磨光亮。拉伸試驗在室溫下采用Instron3369力學試驗機，拉伸速率為2 mm/min，拉伸試樣標距為60 mm，對試樣進行3組平行拉伸檢測，測試后取平均值。

圖2 常溫拉伸試樣尺寸

(1)

式中：σfω在環境介質中的斷裂強度，MPa；σfA在惰性介質中的斷裂強度，MPa；δfω在惰性介質中的斷裂伸長率，%；δfA在環境介質中的斷裂伸長率，%。ISSRT從0→1，表示應力腐蝕斷裂敏感性逐漸增加。

3)鹽霧腐蝕性能測試 鹽霧腐蝕試樣尺寸180 mm×60 mm×3 mm，試驗前試樣表面用酒精擦拭干凈。氯化鈉溶液濃度為(50±5) g/L。將試樣放入鹽霧箱中，試驗溫度為35 ℃，噴霧壓力為1 kPa，試樣被測試表面與垂直方向成15°～25°。試驗周期可選擇2、6、24、48、72、96、144、168、240、480、720和1000 h。試驗結束后取出試樣，清洗吹干后觀察試樣表面。根據試驗外觀、腐蝕缺陷分布情況、腐蝕時間節點、質量變化、力學性能變化等進行評價。

4)微觀組織表征 利用Observer.A1m蔡司光學顯微鏡對合金顯微組織進行基本表征，利用Tecnai F2F30 場發射透射電鏡(Transmission electron microscope, TEM)分析7A41鋁合金T6狀態下的微觀組織特征，對合金的析出相、晶界特征進行表征，透射電鏡的加速電壓為300 kV。

2 試驗結果分析

2.1 拉伸性能與斷口

T6態7A41鋁合金拉伸應力-應變曲線如圖3所示，力學性能如表2所示。從測試結果可以看出，7A41鋁合金力學性能十分優異，平均抗拉強度為505 MPa，平均屈服強度為474 MPa，伸長率為16.3%。拉伸性能測試后對拉伸試樣斷口進行了表征，如圖4所示。7A41鋁合金斷裂面平整，基本上沿切向45°斷裂，而且斷口出現了明顯的頸縮現象。由高倍SEM斷口照片發現，合金呈現明顯的韌性斷裂特征，斷口處分布著大量尺寸不同的韌窩，在部分韌窩底部還可以發現明顯存在的第二相顆粒(見圖4(b)箭頭指示的位置)。

圖3 T6態7A41鋁合金的拉伸應力-應變曲線

圖4 T6態7A41鋁合金拉伸斷口形貌

表2 T6態7A41鋁合金力學性能

2.2 耐應力腐蝕性能

表3為T6態7A41鋁合金試樣分別在硅油和3.5wt%NaCl 腐蝕液中慢拉伸力學性能指標測試結果和應力腐蝕敏感系數計算結果，可以看出，7A41鋁合金在硅油和3.5wt%NaCl腐蝕液中的強度幾乎相同，但是伸長率從17.96%降低至13.82%。經過計算后合金的應力腐蝕敏感系數為3.98%，小于5%，可見T6態7A41鋁合金無明顯的應力腐蝕特征。圖5為在3.5wt%NaCl 腐蝕液中的試樣斷口照片，從圖5可以看出，試樣在腐蝕環境條件下，試樣側表面呈現了剪切韌窩的斷裂特征，而斷口中心處則呈現韌窩特征，這與7A41鋁合金較低的應力腐蝕敏感系數相對應。

表3 T6態7A41鋁合金應力腐蝕測試結果

圖5 T6態7A41鋁合金應力腐蝕試樣斷口形貌

2.3 耐鹽霧腐蝕性能

T6態7A41鋁合金鹽霧腐蝕試樣經過清洗后，稱量腐蝕試驗前后的質量變化，利用冪函數M=Dtn擬合得到腐蝕質量損失隨時間的變化曲線，如圖6所示。其中M為質量損失，t為腐蝕時間，D和n為常數，D值越小證明材料的耐蝕性能越好，n值則是材料腐蝕速率的體現。同時，也測試了經過陽極氧化(鍍膜厚度為10 μm和15 μm)后7A41鋁合金的耐蝕性能。圖6中對不同試樣的腐蝕質量損失與腐蝕時間的關系進行了曲線的擬合。3種試樣擬合曲線的相關系數R2分別為0.9807、0.9785和0.9878，相關度較高，7A41鋁合金的腐蝕動力學較好地遵循冪函數的變化規律。從圖6曲線的變化規律中可以看出，隨著腐蝕時間的增加，合金的腐蝕速率基本保持不變，這表明經鹽霧腐蝕形成的腐蝕產物沒有附著于合金表面，無法形成保護膜而發揮保護作用。經過陽極氧化處理后，鍍有 10 μm 和15 μm氧化膜試樣的擬合曲線中n值均低于7A41鋁合金基材，可見經過陽極氧化處理后，合金的耐蝕性能提高。在合金腐蝕過程中測量合金質量的變化規律，經過計算，合金的鹽霧腐蝕速度為0.0914 mm/y。除此以外，擬合曲線的建立有助于對7A41鋁合金腐蝕壽命進行預測。

圖6 T6態7A41鋁合金鹽霧腐蝕質量損失與腐蝕時間的關系曲線

經過鹽霧腐蝕試驗后，對合金的腐蝕表面進行了表征。從圖7腐蝕后的表面形貌可以看出，經過鹽霧腐蝕后，部分合金表面出現腐蝕坑，如圖7(a)所示，而且在其進一步放大的照片(見圖7(b))可以看出腐蝕坑內部分位置被嚴重腐蝕。隨著腐蝕時間延長至720 h，腐蝕表面附著了大量的腐蝕產物，同時可以發現，合金表面幾乎不存在未被腐蝕的位置(如圖7(c)所示)。由此可以推斷，鹽霧腐蝕發生時，首先在合金表面發生了點蝕，形成點蝕坑，隨著腐蝕時間的增加，點蝕坑的數量在逐漸增多，點蝕坑逐漸連接成片，造成如圖7(d)所示的形貌特征。此外，腐蝕試樣表面形成點蝕坑后，裂紋容易在點蝕坑周圍萌生，導致合金的綜合力學性能降低。表3中數據顯示7A41鋁合金的力學性能指標稍有降低。

圖7 T6態7A41鋁合金經不同時間鹽霧腐蝕后的表面形貌

2.4 微觀組織表征

7A41鋁合金優良的力學性能和腐蝕性能必然與其組織特征是相對應的，本研究中7A41合金采用了雙級時效處理工藝，其有助于合金晶粒內部形成T6態組織，而晶界處則形成非連續的析出相組織特征[19-21]。圖8為7A41鋁合金的TEM觀察結果。圖8(a)的視野中，存在4個晶粒和4條晶界，晶界處可以觀察到非連續的析出相存在。圖8(b)為圖8(a)中部分區域的放大圖像，從圖8(b)可以看出，此時晶界處分布了尺寸在20～50 nm范圍內的晶界非連續析出相，這是合金具備優良耐蝕性能的主要原因。在合金晶粒內部也分布著大量細小的析出相，這部分析出相的存在也是合金具備優良力學性能的重要原因。

圖8 雙級時效制度7A41鋁合金晶界及晶界析出相特征

圖9為T6態7A41鋁合金晶內和晶界TEM照片，從圖9(a)中可以看出，部分晶內的析出相發生了明顯的長大現象，大尺寸的晶內析出相周圍出現了無析出區域。進一步對合金晶界結構進行表征，發現晶界處非連續析出相的存在致使晶界附近出現了寬度約為50 nm 的無析出帶。本文中合金力學性能和耐蝕性能優異，也證明了此7A41鋁合金的組織特征非常理想。7A41鋁合金優良綜合性能和微觀組織特征的表征為后續高強耐蝕7×××系鋁合金的開發提供了豐富的基礎數據和理論指導。

圖9 7A41鋁合金雙級時效狀態晶內(a)和晶界特征(b)TEM照片

3 結論

1) 7A41鋁合金經過在線淬火和時效處理后，力學性能優異，其中抗拉強度為505 MPa，屈服強度為474 MPa，伸長率為16.3%。

2) T6態7A41鋁合金的應力腐蝕指數為3.98%，未呈現明顯的應力腐蝕傾向，腐蝕試樣斷口的特征主要為剪切韌性斷裂。

3) T6態7A41鋁合金的鹽霧腐蝕動力學遵循冪函數變化規律，鹽霧腐蝕形貌以點蝕坑為主，隨著腐蝕時間的增加，點蝕坑的數量和面積增加。經陽極氧化處理后，合金的耐蝕性能顯著提高。

4) T6態7A41鋁合金晶內和晶界上分布著不同形態和尺寸的析出相，其中，晶內細小彌散分布的點狀析出相保證合金高強度和高伸長率；晶界處分布尺寸為20～50 nm的非連續析出相，保證了合金優良的耐蝕性能。