高强铝合金应力腐蚀

铝及铝合金具有密度低、比强度高、耐蚀性较好.易加工就型等诸多优点,在航空海洋、石油和化工等国民经济的各个部门早已得到广泛应用，目前其产量和使用量仅次于钢铁，居有色金属之首。在铝合金构件的服役过程中,局部腐蚀往往是导致其失效的主要原因,而其中高强铝合金应力腐蚀开裂( stess eorosion cracking, S0C)问题尤为突出。

1、SCC机理

近几十年来,尽管国内外学者对Al合金的SCC进行了大量研究。取得了一定进展,但由于影响因素多以及SCC过程复杂,关于其作用机理尚未达成-致。较为熟知的理论有氢致破裂理论、钝化膜破裂理论、阳极溶解理论和“M-H"复合体理论(2]等。对7xx系铝合金,氯致破裂理论和阳极溶解理论得到了较多学者的认同。

1.1、氢致破裂理论

氢致破裘理论认为，腐蚀过程中产生的H在拉应力的作用下沿晶界扩散进人裂纹尖端区引起氢脆,从而加违了应力腐蚀裂纹的扩展。7xx系铝合金在水溶液介质中产生sCC的氢脆机理是Grubl等。提出来的,指出在不与水溶液介质接触的材料内部的某个位置上也出现了SCC,这是因为在水.溶液介质里,阴极反应产生H,H通过品界在合金内扩散,并在高应力场内积聚,从而促进了内部裂纹的发生。

研究认为，在拉伸应力作用下,晶界与表面相交处的水分与铝合金反应生成活性原子氯,即2Al+3HJ0→AlL0+6H]。氢原子进人晶格中,沿晶界优先偏聚,导致晶界强度下降,引起开裂。Puigali 等°研究了AIZnMg合金在NoCl溶液中应力腐蚀开裂的机理。当合金经过人工时效处理或者在NaCl溶液中加入Hal及AsO,时，合金的应力腐蚀开裂敏感性增加。HCI 使腐蚀电流密度和析氯量增加,H在腐蚀反应过程中进人合金中从而造成金属机械性能降低。

对该累合金的scc机理,Scanmuans等[8也曾做出如下结论:SCC是由于表面(晶界)处受到机械化学腐蚀而萌生的,但传播却是受氢脆支配的。

1.2、阳极溶解理论

阳极溶解模型认为高强铝合金的腐蚀机理是电化学性质的]，合金在皮力和腐蚀介质的作用下。氧化膜被破坏,而硫担处相对其他有膜覆盖的表面来说是阳极,金属原子溶解成为离子,形成沟形裂纹。当褰故向深处发展时,应力集中于教纹尖端,使附近区域发生塑性变化。这种情况又反过来加快阳极溶解,阻碍膜的再生，同时在裂纹两边因有效应力很快消失,可以再生成膜又成为阴极。这样裂纹在应力作用下，通过电化学过程继续发展,最終导致金属开裂。

铝合金在潮湿空气中发生的SCC就属于阳极溶解型，因为铝合金在自然状态下易形成氧化层保护膜,具有较好的耐蚀性。在拉应力作用下,由于氧化膜与基体金属延伸性存在差异,氧化膜破裂,使裸露的基体金属与氧化膜在介质环境中形成小阳极和大阴极的自腐蚀电池，发生阳极溶解,从而促使裂纹校快扩展。7075合金在阳极板化时,合金的应力腐蚀敏感性同时受金属的阳极溶解和氯效应的影响,但以阳极溶解为主。

2、影响应力腐蚀的主要因素

2.1、热处理及显微组织

固溶和时效是高强度铝合金的主要热处理工艺。对于该系铝合金，目前工业上可用的时效制度大致可分为3类:第1类为峰值时效(T6x) ,根攝显微组织分析可知，它是通过最大密度的基体沉淀相析出使合金具有最高强度,但在这种状态下,合金具有最强的应力腐蚀敏感性! 10第2类称过时效处理(T7xx ),其特点是通过改变基体沉淀相形态和晶界结构来减缓在腐蚀介质中承力构件的沿晶腐蚀速度;第3类是短时回归再时效新型热处理制度,即RRA( Retrogresionand Re-Ageing)处理00),通过峰值时效,回归及再时效,使合金得到一种不同于前两类制度的显微组织，经这种方法处理后,合金综合性能显著提高。近年来,在RRA的基础上又开发出了T77处理(降低RRA处理第二級时效温度和延长时效时间),进一步提高了7xx系铝合金的综合性能。

2.2、表面处理

研究了稀土转化摸处理对LC4铝合金在3.5% NaCl 溶液中的应力腐蚀行为的影响,发现表面形成的稀土转化膜对该合金的应力腐蚀开裂有- -定的抑制作用。Scc敏感性降低的原因与稀土转化膜阻滞了腐蚀电池的阴极和阳极过程有关。

最近有研究者对7075- -T651铝合金进行散光表面改性处理.并进行了应力腐蚀实验。结果发现,在氮气和空气中进行激光表面处理的合金比未经激光处理的同种合金具有较高的抗应力腐蚀性能。而且在氮气中就光处理的合金抗scc性相对最高四。这是因为经过歌光表面处理的合金,改性层中出现了AIN相,而该相是-种电绝缘体,能有效阻止应力腐蚀开裂的进行。

2.3、合金成分

7xx系铝合金为热处理可强化合金，成分由主合金元素Zn Mg.Cu和微量元素Mn.C.,Zr.Ni.Ti等以及杂质元素Fe和Si組成。Fe 和Si是有害杂质,在合金中主要以不溶或难溶的、硬而脆的FeAl,和游离Si的形式存在,对合金的耐蚀性飴影响较大,因此合金中应尽量降低Fe和si的含量。

合金中2n和Mg形成的主要的强化相是MzZzm,MzZn相在合金中的溶解度随温度的降低而急剧下降,具有很强的时效硬化能力。在固溶极限范围内提高Zn.Mg含量可以大大提高合金强度,但会导致合金的韧性和抗scc性能降低。因此合理控制合金中Zn.Mg的含量，尤其是其质量比对改善高强度铝合金的综合性能极其重要。7B04合金由于Mg含量较育,超过了2% ,Nat容易形成游离态Na在晶界聚集,显著削鸦了合金的晶间结合强度,使合金的高温和低温塑性都急剛降低,促使7B04易于发生跪性解理断裂。

在Zn含量较高的合金中加人2% - 3%Cu,能同时提高强度、塑性、耐蚀性和重复加载抗力。因为Cu原子能落人η' (MzZn2)和 η (MgZn; )相中.降低晶界和晶内的电位差、细化晶界沉淀相、抑制沿晶开裘趋勢,从而提高合金的抗应力腐蚀能力。

2.4、环境介质

在H_.O2CO,等干燥气体和干燥空气中，铝合金通常不会发生SCC,但在水蒸气中也易引起SCC,尤其是02的存在对应力腐蚀有重要影响(5。Tsai 等*]研究了溶解0对7050- T7451合金scc的影响招出,Scc抗力随着落解0量或溶液酸度的增加而降低。

水溶液中的ar能明显加速铝合金的SCC。而且,在腐蚀性弱的水榕液介质中更易引起SCC,当溶被的酸碱度为中性时,钝化膜比较稳定,此时的溶液介质易发生局部腐蚀,而局部腐蚀往往就变成SCC的形核核心。

3、试验方法

应力腐蚀的则试试验方法比较常用的有慢应变速率拉伸(SSRT )试验.恒载荷试验但变形或恒位移试验等。目前有学者在这些常规方法的基础上采用了一-些新技术来更准确地评价铝合金应力腐蚀过程及动态发展。现仅就几种新方法作简要介绍。

3.1、X射线原位观察技术

最近,Liu等四在研究AA2024铝合金的应力腐蚀时，在恒位移和恒载荷两种实验条件下,用X射线显微聚焦照相技术来原位观察试样暴露边缘部分产生的晶间应力腐蚀( intergranular stress cormoion cracking,ICSCC )的动态过程,观察到多个位置的ICSCC生长和竞争情况,而且还发现李生裂纹的产生往往彼此离的很近,其中较深的裂纹在试验开始时就发现其喊慢或停止了生长,然后被另-个较浅的裂纹超过并最终穿透整个试样。认为电化学效应和微观组织的局部重感性在IGSCC的传播中起重要作用.但这些现象不能用情性环境中的破裂理论来解释,因此裂紋之间的竞争生长机制还有待于讨论。与传统的光学照相技术相比,X射线原位观泰技术能够更精确地再现裂纹的萌生、传播及扩展过程,对研究sCc机理具有重要意义。

3.2、测量腐蚀产物力

MeNaughtan等研究了几种7x系铝合金应力腐蚀行为,分别测定了剩蚀过程腐蚀产物体积影胀而产生的力F(以下简称腐蚀产物力)的大小和应力腐蚀破奏强度因子Kgco发现合金剥蚀时的腐蚀产物力越大，则Ks越小，两者之间存在线性关系为Koc=a-bF。这个关系捆示了剥蚀和应力腐蚀之间的相互联系规律,有助于深人探讨腐蚀过程机理。腐蚀产物力在剥蚀和SCC中起着重要作用，在利蚀过程中它为亚表面的继续腐蚀提供必需的应力;在应力腐蚀过程中它能通过裂紋壁提供裂纹尖端应力。由于腐蚀产物力的测量方法相对较为简便.可以通过测量其大小来间接得到材料应力腐蚀性能参数Kac,而腐蚀产物力本身也可直接作为表征材料耐应力腐蚀性能的一个参数。

3.3、主观斑纹分析方法

主观斑纹分析方法( subeive specle method )是-种新近发展起来的可用于应力腐蚀试验的一-种光学表面原位分析技术(1-%]。这种方法的原理是:利用激光照射试样表面，散射光以- -定角度被长焦距显微镜的控制连接装置( CCD )接收转换为数字图象。散射光的平均强度与试样的表面粗糙度成正比关系。在应力腐蚀过程初期的裂纹萌生期内,试样表面粗精度随时间将发生明显的变化,其值会由小变大。因此,利用主观斑纹分析方法来观察应力腐蚀过程中表面粗糙度的变化,可以非常灵敏地表征铝合金应力腐蚀阶段的裘纹萌生过程。