高強鋁合金應力腐蝕

鋁及鋁合金具有密度低、比強度高、耐蝕性較好.易加工就型等諸多優點,在航空海洋、石油和化工等國民經濟的各個部門早已得到廣泛應用，目前其產量和使用量僅次于鋼鐵，居有色金屬之首。在鋁合金構件的服役過程中,局部腐蝕往往是導致其失效的主要原因,而其中高強鋁合金應力腐蝕開裂( stess eorosion cracking, S0C)問題尤為突出。

1、SCC機理

近幾十年來,盡管國內外學者對Al合金的SCC進行了大量研究。取得了一定進展,但由于影響因素多以及SCC過程復雜,關于其作用機理尚未達成-致。較為熟知的理論有氫致破裂理論、鈍化膜破裂理論、陽極溶解理論和“M-H"復合體理論(2]等。對7xx系鋁合金,氯致破裂理論和陽極溶解理論得到了較多學者的認同。

1.1、氫致破裂理論

氫致破裘理論認為，腐蝕過程中產生的H在拉應力的作用下沿晶界擴散進人裂紋尖端區引起氫脆,從而加違了應力腐蝕裂紋的擴展。7xx系鋁合金在水溶液介質中產生sCC的氫脆機理是Grubl等。提出來的,指出在不與水溶液介質接觸的材料內部的某個位置上也出現了SCC,這是因為在水.溶液介質里,陰極反應產生H,H通過品界在合金內擴散,并在高應力場內積聚,從而促進了內部裂紋的發生。

研究認為，在拉伸應力作用下,晶界與表面相交處的水分與鋁合金反應生成活性原子氯,即2Al+3HJ0→AlL0+6H]。氫原子進人晶格中,沿晶界優先偏聚,導致晶界強度下降,引起開裂。Puigali 等°研究了AIZnMg合金在NoCl溶液中應力腐蝕開裂的機理。當合金經過人工時效處理或者在NaCl溶液中加入Hal及AsO,時，合金的應力腐蝕開裂敏感性增加。HCI 使腐蝕電流密度和析氯量增加,H在腐蝕反應過程中進人合金中從而造成金屬機械性能降低。

對該累合金的scc機理,Scanmuans等[8也曾做出如下結論:SCC是由于表面(晶界)處受到機械化學腐蝕而萌生的,但傳播卻是受氫脆支配的。

1.2、陽極溶解理論

陽極溶解模型認為高強鋁合金的腐蝕機理是電化學性質的]，合金在皮力和腐蝕介質的作用下。氧化膜被破壞,而硫擔處相對其他有膜覆蓋的表面來說是陽極,金屬原子溶解成為離子,形成溝形裂紋。當褰故向深處發展時,應力集中于教紋尖端,使附近區域發生塑性變化。這種情況又反過來加快陽極溶解,阻礙膜的再生，同時在裂紋兩邊因有效應力很快消失,可以再生成膜又成為陰極。這樣裂紋在應力作用下，通過電化學過程繼續發展,最終導致金屬開裂。

鋁合金在潮濕空氣中發生的SCC就屬于陽極溶解型，因為鋁合金在自然狀態下易形成氧化層保護膜,具有較好的耐蝕性。在拉應力作用下,由于氧化膜與基體金屬延伸性存在差異,氧化膜破裂,使裸露的基體金屬與氧化膜在介質環境中形成小陽極和大陰極的自腐蝕電池，發生陽極溶解,從而促使裂紋校快擴展。7075合金在陽極板化時,合金的應力腐蝕敏感性同時受金屬的陽極溶解和氯效應的影響,但以陽極溶解為主。

2、影響應力腐蝕的主要因素

2.1、熱處理及顯微組織

固溶和時效是高強度鋁合金的主要熱處理工藝。對于該系鋁合金，目前工業上可用的時效制度大致可分為3類:第1類為峰值時效(T6x) ,根攝顯微組織分析可知，它是通過最大密度的基體沉淀相析出使合金具有最高強度,但在這種狀態下,合金具有最強的應力腐蝕敏感性! 10第2類稱過時效處理(T7xx ),其特點是通過改變基體沉淀相形態和晶界結構來減緩在腐蝕介質中承力構件的沿晶腐蝕速度;第3類是短時回歸再時效新型熱處理制度,即RRA( Retrogresionand Re-Ageing)處理00),通過峰值時效,回歸及再時效,使合金得到一種不同于前兩類制度的顯微組織，經這種方法處理后,合金綜合性能顯著提高。近年來,在RRA的基礎上又開發出了T77處理(降低RRA處理第二級時效溫度和延長時效時間),進一步提高了7xx系鋁合金的綜合性能。

2.2、表面處理

研究了稀土轉化摸處理對LC4鋁合金在3.5% NaCl 溶液中的應力腐蝕行為的影響,發現表面形成的稀土轉化膜對該合金的應力腐蝕開裂有- -定的抑制作用。Scc敏感性降低的原因與稀土轉化膜阻滯了腐蝕電池的陰極和陽極過程有關。

最近有研究者對7075- -T651鋁合金進行散光表面改性處理.并進行了應力腐蝕實驗。結果發現,在氮氣和空氣中進行激光表面處理的合金比未經激光處理的同種合金具有較高的抗應力腐蝕性能。而且在氮氣中就光處理的合金抗scc性相對最高四。這是因為經過歌光表面處理的合金,改性層中出現了AIN相,而該相是-種電絕緣體,能有效阻止應力腐蝕開裂的進行。

2.3、合金成分

7xx系鋁合金為熱處理可強化合金，成分由主合金元素Zn Mg.Cu和微量元素Mn.C.,Zr.Ni.Ti等以及雜質元素Fe和Si組成。Fe 和Si是有害雜質,在合金中主要以不溶或難溶的、硬而脆的FeAl,和游離Si的形式存在,對合金的耐蝕性飴影響較大,因此合金中應盡量降低Fe和si的含量。

合金中2n和Mg形成的主要的強化相是MzZzm,MzZn相在合金中的溶解度隨溫度的降低而急劇下降,具有很強的時效硬化能力。在固溶極限范圍內提高Zn.Mg含量可以大大提高合金強度,但會導致合金的韌性和抗scc性能降低。因此合理控制合金中Zn.Mg的含量，尤其是其質量比對改善高強度鋁合金的綜合性能極其重要。7B04合金由于Mg含量較育,超過了2% ,Nat容易形成游離態Na在晶界聚集,顯著削鴉了合金的晶間結合強度,使合金的高溫和低溫塑性都急剛降低,促使7B04易于發生跪性解理斷裂。

在Zn含量較高的合金中加人2% - 3%Cu,能同時提高強度、塑性、耐蝕性和重復加載抗力。因為Cu原子能落人η' (MzZn2)和 η (MgZn; )相中.降低晶界和晶內的電位差、細化晶界沉淀相、抑制沿晶開裘趨勢,從而提高合金的抗應力腐蝕能力。

2.4、環境介質

在H_.O2CO,等干燥氣體和干燥空氣中，鋁合金通常不會發生SCC,但在水蒸氣中也易引起SCC,尤其是02的存在對應力腐蝕有重要影響(5。Tsai 等*]研究了溶解0對7050- T7451合金scc的影響招出,Scc抗力隨著落解0量或溶液酸度的增加而降低。

水溶液中的ar能明顯加速鋁合金的SCC。而且,在腐蝕性弱的水榕液介質中更易引起SCC,當溶被的酸堿度為中性時,鈍化膜比較穩定,此時的溶液介質易發生局部腐蝕,而局部腐蝕往往就變成SCC的形核核心。

3、試驗方法

應力腐蝕的則試試驗方法比較常用的有慢應變速率拉伸(SSRT )試驗.恒載荷試驗但變形或恒位移試驗等。目前有學者在這些常規方法的基礎上采用了一-些新技術來更準確地評價鋁合金應力腐蝕過程及動態發展。現僅就幾種新方法作簡要介紹。

3.1、X射線原位觀察技術

最近,Liu等四在研究AA2024鋁合金的應力腐蝕時，在恒位移和恒載荷兩種實驗條件下,用X射線顯微聚焦照相技術來原位觀察試樣暴露邊緣部分產生的晶間應力腐蝕( intergranular stress cormoion cracking,ICSCC )的動態過程,觀察到多個位置的ICSCC生長和競爭情況,而且還發現李生裂紋的產生往往彼此離的很近,其中較深的裂紋在試驗開始時就發現其喊慢或停止了生長,然后被另-個較淺的裂紋超過并最終穿透整個試樣。認為電化學效應和微觀組織的局部重感性在IGSCC的傳播中起重要作用.但這些現象不能用情性環境中的破裂理論來解釋,因此裂紋之間的競爭生長機制還有待于討論。與傳統的光學照相技術相比,X射線原位觀泰技術能夠更精確地再現裂紋的萌生、傳播及擴展過程,對研究sCc機理具有重要意義。

3.2、測量腐蝕產物力

MeNaughtan等研究了幾種7x系鋁合金應力腐蝕行為,分別測定了剩蝕過程腐蝕產物體積影脹而產生的力F(以下簡稱腐蝕產物力)的大小和應力腐蝕破奏強度因子Kgco發現合金剝蝕時的腐蝕產物力越大，則Ks越小，兩者之間存在線性關系為Koc=a-bF。這個關系捆示了剝蝕和應力腐蝕之間的相互聯系規律,有助于深人探討腐蝕過程機理。腐蝕產物力在剝蝕和SCC中起著重要作用，在利蝕過程中它為亞表面的繼續腐蝕提供必需的應力;在應力腐蝕過程中它能通過裂紋壁提供裂紋尖端應力。由于腐蝕產物力的測量方法相對較為簡便.可以通過測量其大小來間接得到材料應力腐蝕性能參數Kac,而腐蝕產物力本身也可直接作為表征材料耐應力腐蝕性能的一個參數。

3.3、主觀斑紋分析方法

主觀斑紋分析方法( subeive specle method )是-種新近發展起來的可用于應力腐蝕試驗的一-種光學表面原位分析技術(1-%]。這種方法的原理是:利用激光照射試樣表面，散射光以- -定角度被長焦距顯微鏡的控制連接裝置( CCD )接收轉換為數字圖象。散射光的平均強度與試樣的表面粗糙度成正比關系。在應力腐蝕過程初期的裂紋萌生期內,試樣表面粗精度隨時間將發生明顯的變化,其值會由小變大。因此,利用主觀斑紋分析方法來觀察應力腐蝕過程中表面粗糙度的變化,可以非常靈敏地表征鋁合金應力腐蝕階段的裘紋萌生過程。