不同溫度下6082鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能

王建軍, 羅先甫, 劉 煜, 王 佳, 孫緒魯, 查小琴,3

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司, 青島 266031;2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七二五研究所, 洛陽 471023;3.河南省船舶及海工裝備結(jié)構(gòu)材料技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 洛陽 471023)

6082鋁合金具有質(zhì)量小、強(qiáng)度中等、加工性能和焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),作為結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用于高速列車、汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域。該合金表面通常會(huì)形成一層致密的鈍化膜,在干燥環(huán)境下合金性能極為穩(wěn)定,耐腐蝕性優(yōu)良,但在潮濕環(huán)境下,尤其在含Cl-環(huán)境下,6082鋁合金的腐蝕敏感性明顯增大,可能產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕等局部腐蝕,在應(yīng)力作用下甚至發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效[1]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)6082鋁合金的腐蝕行為進(jìn)行了大量研究[2-5],其中應(yīng)力腐蝕研究主要針對(duì)相對(duì)薄弱的焊縫區(qū)域,試驗(yàn)溫度通常為室溫或者35 ℃[6-8]。部分學(xué)者研究了pH對(duì)6082鋁合金應(yīng)力腐蝕性能的影響,發(fā)現(xiàn)6082鋁合金在中性環(huán)境下的抗應(yīng)力腐蝕性能較好[9]。總體而言,6082鋁合金母材及焊縫在Cl-環(huán)境下均表現(xiàn)了較為優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕性能。溫度在腐蝕的發(fā)生和發(fā)展過程中極為重要,影響了6082鋁合金氧元素含量、電極反應(yīng)速率等重要參數(shù),隨著溫度的升高,鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感性增大[10-15]。6082鋁合金結(jié)構(gòu)件的服役環(huán)境復(fù)雜,研究其在極限服役溫度下的抗應(yīng)力腐蝕性能尤為必要。

筆者采用慢應(yīng)變速率拉伸方法,研究了不同溫度下6082鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為,為6082鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為4 mm厚的6082鋁合金板材,熱處理狀態(tài)為T6態(tài),其化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

在鋁板截面取樣,對(duì)試樣進(jìn)行磨制、拋光處理,并采用混合酸水溶液腐蝕試樣,然后在光學(xué)顯微鏡下觀察。根據(jù)GB/T 15970.7—2017 《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》及HB 7235—95 《慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》,采用慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn),以評(píng)價(jià)材料的應(yīng)力腐蝕敏感性,試樣工作段的標(biāo)距為25 mm,寬度為7 mm,厚度為板材原始厚度,垂直于軋制方向取樣,應(yīng)變速率為10-6/s,試驗(yàn)條件為(50±2) ℃和(70±2) ℃的干燥空氣和3.5%(體積分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液,溶液的pH均為中性(6.5～7.2),每種環(huán)境下對(duì)試樣進(jìn)行3次試驗(yàn),取平均值。采用式(1),(2)評(píng)價(jià)材料的應(yīng)力腐蝕敏感性,比值和ISSRT(應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù))均為0～1,其中比值越小,ISSRT越大,表明應(yīng)力腐蝕敏感性越大。

(1)

(2)

式中：Rm為試樣在試驗(yàn)環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度;R′m為試樣在干燥空氣環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度;A為試樣在試驗(yàn)環(huán)境下的斷后伸長率;A′為試樣在干燥空氣環(huán)境下的斷后伸長率。

透射電鏡(TEM)試樣經(jīng)機(jī)械預(yù)減薄后雙噴穿孔而成,電解液為5%硝酸和75%甲醇混合液,采用液氮冷卻溶液,試樣制備溫度低于-20 ℃;采用光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織,加速電壓為200 kV;采用掃描電鏡(SEM)觀察試樣的斷口,加速電壓為20 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織分析

圖1為6082鋁合金的顯微組織形貌,可見6082鋁合金晶粒大小不一,整體呈拉長狀分布。

圖1 6082鋁合金顯微組織形貌

圖2為6082鋁合金的TEM形貌,可見合金晶內(nèi)彌散分布著大量針狀Mg2Si強(qiáng)化相,晶界上析出少量斷續(xù)分布的Mg2Si相,未觀察到明顯的晶界沉淀析出帶。

圖2 6082鋁合金的TEM形貌

2.2 慢應(yīng)變速率拉伸性能

6082鋁合金在不同溫度(70 ℃和50 ℃)下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知：在70 ℃條件下,試樣在3.5%NaCl溶液與干燥空氣中斷裂時(shí)間的比值和斷后伸長率的比值均大于95%,抗拉強(qiáng)度的比值僅為93.1%,ISSRT為6.6%,超過了5%;在50 ℃條件下,試樣在3.5%NaCl溶液與干燥空氣中的各項(xiàng)力學(xué)性能比值均大于95%,ISSRT為2.3%。在相同介質(zhì)環(huán)境下,隨著溫度的升高,拉伸時(shí)間和斷后伸長率增大,抗拉強(qiáng)度減小,在70 ℃條件下,試樣在3.5% NaCl溶液中抗拉強(qiáng)度的下降幅度遠(yuǎn)大于空氣中。說明6082鋁合金在70 ℃,3.5%NaCl溶液中存在一定的應(yīng)力腐蝕敏感性,在50 ℃,3.5%NaCl溶液中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感。

表2 6082鋁合金試樣在70 ℃和50 ℃下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 斷口分析

經(jīng)慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)后,各試樣斷口的SEM分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：在不同環(huán)境下,試樣斷口形貌相差不大,中心區(qū)域均呈韌窩特征,表面區(qū)域均呈剪切韌窩特征,未觀察到脆性特征和二次裂紋,表明6082鋁合金在兩種溫度下均無應(yīng)力腐蝕敏感性。

圖3 慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)后試樣斷口的SEM形貌

3 綜合分析

鋁合金表面存在一層致密的Al2O3鈍化膜,可有效阻擋腐蝕環(huán)境的侵蝕,鈍化膜致密性直接影響合金的耐腐蝕性。試驗(yàn)合金中Mg元素和Si元素的質(zhì)量比為0.86,Si元素含量較多,因此,材料除了形成強(qiáng)化相Mg2Si外,還形成了AlFeMnSi以及單質(zhì)Si粒子。鈍化膜的質(zhì)量與膜層下方金屬的狀態(tài)有關(guān),晶界和晶內(nèi)的化學(xué)成分存在差異,其膜層性能也存在差異,使鋁合金在混合酸溶液中腐蝕時(shí)晶界優(yōu)先顯現(xiàn)。晶界局部區(qū)域析出了Mg2Si粒子,Mg2Si的自腐蝕電位為-1.16 V(飽和汞電極),Al基體的自腐蝕電位為-0.78 V(飽和汞電極),晶內(nèi)或晶界局部區(qū)域析出了含AlFeMnSi的第二相粒子,自腐蝕電位正于Al基體,這些區(qū)域的粒子與基體的化學(xué)特性存在差異,導(dǎo)致鈍化膜性質(zhì)存在差異,主要表現(xiàn)為鈍化膜變薄,致密性變差。在Cl-環(huán)境下,試樣表面局部區(qū)域會(huì)形成微電池,即含有上述第二相粒子處成為陽極,而其周邊鈍化膜性能較好區(qū)域成為陰極,陽極發(fā)生溶解[16],局部區(qū)域開始形成細(xì)小的點(diǎn)蝕坑。在應(yīng)力作用下,點(diǎn)蝕坑底部開始形成微裂紋,若點(diǎn)蝕處位于晶界,會(huì)導(dǎo)致裂紋迅速沿晶擴(kuò)展,材料表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕敏感性。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,6082鋁合金板材在70 ℃下的ISSRT為6.6%,在50 ℃下的ISSRT為2.3%,隨著溫度的升高,ISSRT明顯增大,原因是腐蝕溶液中強(qiáng)度下降幅度較大,造成ISSRT增大。掃描電鏡分析結(jié)果顯示,試樣中未觀察到應(yīng)力腐蝕裂紋和脆性特征,結(jié)合ISSRT僅為6.6%,接近5%,表明在兩種溫度下,材料在中性3.5%NaCl溶液中均不存在應(yīng)力腐蝕敏感性。由TEM分析結(jié)果可知,晶內(nèi)析出彌散分布的Mg2Si相,拉伸變形過程中主要是位錯(cuò)繞過機(jī)制,不易形成微裂紋[17]。沿晶析出的Mg2Si相尺寸較小且不連續(xù),未見明顯的沉淀析出帶,在拉應(yīng)力作用下,不能形成連續(xù)的沿晶腐蝕通道,因此,材料具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。

在中性環(huán)境下,原電池陰極主要發(fā)生吸氧腐蝕,與陽極溶解擴(kuò)散到陰極附近的陽離子結(jié)合,生成絮狀腐蝕產(chǎn)物Al(OH)3。隨著溫度升高,溶液中氧元素含量下降,一方面降低了鈍化膜形成速率,另一方面削弱了吸氧腐蝕,擴(kuò)散系數(shù)增大,提高了Cl-的活性,在整個(gè)試樣表面同時(shí)發(fā)生原電池反應(yīng),此時(shí)陰極反應(yīng)中析氫反應(yīng)比例大幅增加,使鋁合金表面發(fā)生一定程度的均勻減薄,導(dǎo)致試樣承載力下降。

4 結(jié)論

(1) 在3.5%NaCl溶液中,當(dāng)溫度為70 ℃時(shí),6082鋁合金試樣的ISSRT為6.6%,當(dāng)溫度為50 ℃時(shí),6082鋁合金試樣的ISSRT為2.3%,試樣斷口均無應(yīng)力腐蝕特征,材料在兩種溫度下的3.5%NaCl溶液中均無應(yīng)力腐蝕敏感性。

(2) 6082鋁合金晶內(nèi)析出彌散分布的細(xì)小Mg2Si相,晶界析出了不連續(xù)分布的Mg2Si相,不能形成連續(xù)的沿晶腐蝕通道,表現(xiàn)為較高的抗應(yīng)力腐蝕性能。

(3) 溫度升高導(dǎo)致試樣在腐蝕溶液中的抗拉強(qiáng)度下降幅度較大,使其ISSRT偏大。