車體鋁合金腐蝕失效分析

趙軍靜，王曉敏，陳 輝

(西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，四川 成都 610031)

車體鋁合金腐蝕失效分析

趙軍靜，王曉敏，陳 輝

(西南交通大學(xué) 材料學(xué)院，四川 成都 610031)

檢查了車體水箱橫梁斷裂件斷裂的原因，利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)斷口及其覆蓋物進(jìn)行分析，確定了失效件的斷裂原因?yàn)楣ぷ鳡顟B(tài)存在很大的螺紋孔應(yīng)力集中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。分析應(yīng)力腐蝕的特征和產(chǎn)生條件，發(fā)現(xiàn)失效斷裂與7系鋁合金材料應(yīng)力腐蝕敏感性大且在拉應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的共同作用下，致使應(yīng)力腐蝕裂紋萌生和發(fā)展以致斷裂也有一定的關(guān)系。

鋁合金；應(yīng)力腐蝕；應(yīng)力集中

0 前言

運(yùn)載工具輕量化是國內(nèi)外運(yùn)載工具設(shè)計(jì)和使用者長期追求的目標(biāo)，輕量化可節(jié)能和提高運(yùn)行速度，增加運(yùn)輸質(zhì)量，減少能源消耗和大氣污染。國內(nèi)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)證明，鋁合金型材是車輛輕型化結(jié)構(gòu)材料的首選方案。鋁合金除了滿足上述要求外還可改善機(jī)車動(dòng)力性能，使乘車更加舒適，且便于制造，降低了費(fèi)用。目前我國已將大型、薄壁鋁型材作為機(jī)車車輛的主導(dǎo)材料。Al－Zn－Mg(7000系)鋁合金具有比強(qiáng)度高和優(yōu)良的綜合性能，是航空航天、交通運(yùn)輸及其他工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)材料。而鋁鋅鎂系鋁合金7N01擠壓性能好，能擠壓形狀復(fù)雜的薄壁型材，焊接性能好，焊縫質(zhì)量高，屬鋁合金中強(qiáng)度較高一類，是機(jī)車車輛和裝備的主要結(jié)構(gòu)材料。但因其具有不同程度的應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)敏感性而影響到使用性能。這不但降低了鋁合金構(gòu)件的使用壽命，而且影響鋁合金結(jié)構(gòu)的使用性能與承載能力，對(duì)設(shè)備造成極大的破壞。因此，找到腐蝕原因、提高合金抗腐蝕性能、保證強(qiáng)度成為關(guān)注的問題[1－3]。

1 試驗(yàn)過程和分析

兩件水箱橫梁斷裂件如圖1所示。兩斷裂件共有五組裝金屬緊固組件的螺栓孔和銷孔，七個(gè)長孔。斷裂截面橫穿裝金屬緊固組件的螺栓孔與銷孔，圖1中2、5所指的位置。

圖1 水箱橫梁斷裂件

經(jīng)檢查兩個(gè)橫梁斷裂件的七個(gè)長孔周圍均無裂紋，而五個(gè)裝金屬緊固件的螺栓孔和銷孔截面均有不同程度的裂紋，2＃、5＃處最嚴(yán)重，完全斷裂；1＃、3＃、4＃ 雖未斷裂，但已折彎，用 150 mm 鋼尺置于其下，撓度清晰可見，如圖2所示。1＃螺栓孔處撓度 1.48 mm，3＃ 螺栓孔處 0.8 mm，4＃ 螺栓孔處1.14mm。將螺栓卸掉，打磨光后，裂紋肉眼可見，圖3為折彎最大的1＃螺栓孔處表面裂紋，除圖上明顯可見的裂紋外，主裂紋還有幾處分枝(螺栓孔左側(cè))。

圖2 螺栓位置折彎撓度

圖3 螺栓孔處表面裂紋

1.1 宏觀檢查

斷件材料為7N01S－T5，檢查斷口和周圍的表面，斷口沒有變形的痕跡，屬脆性斷口；斷口上除有灰白色的沉積物外，還有許多黑色沉積物，經(jīng)過丙酮溶液浸泡超聲波振蕩清洗，黑色的沉積物依然未完全除凈。表明斷口上裂紋存在時(shí)間很長。

將斷口周邊表面油漆磨凈、打光后，肉眼即可見許多裂紋，為清晰地展現(xiàn)裂紋宏觀全貌，用著色探傷將裂紋顯示出來，如圖4、圖5所示。試樣上灰色的條紋即為裂紋，圍繞螺栓孔許多呈放射狀的裂紋是肉眼不易看到的。

1.2 常規(guī)金相檢查和掃描電鏡分析

裂紋的顯微形態(tài)如圖6、圖7所示。這些表面裂紋的特點(diǎn)與前次送來斷裂橫梁的表面裂紋相同，起源于有拉應(yīng)力的表面，寬長比很小，有分枝，一些裂紋相互并不連接，大多數(shù)裂紋沿晶界擴(kuò)展，偶見穿晶，是典型的鋁合金應(yīng)力腐蝕裂紋。

圖4 2＃試樣表面裂紋

圖5 5＃試樣表面裂紋

圖6 表面裂紋之一(50×)

圖7 表面裂紋之二(50×)

對(duì)斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察。圖8、圖9是斷口上掃描電鏡觀察到的典型形貌。冰糖狀花樣證實(shí)斷口屬晶間斷裂，與金相觀察沿晶裂紋是一致的。有二次裂紋，晶粒上有腐蝕產(chǎn)物，晶粒表面有腐蝕坑是沿晶型應(yīng)力腐蝕裂紋的特點(diǎn)。從裂紋形態(tài)和斷口形貌觀察，均可以斷定水箱橫梁是應(yīng)力腐蝕裂紋。

2 腐蝕原因分析

2.1 橫梁組織檢查

圖8 冰糖狀花樣(300×)

圖9 有二次裂紋和腐蝕產(chǎn)物(1 000×)

斷裂橫梁金屬顯微組織如圖10所示，擠壓型材組織如圖11所示，均為鋁的α固溶體和分布其上的不熔雜質(zhì)相(金屬間化合物)，兩者相比，斷裂橫梁金屬的晶粒要粗大得多，擠壓型材晶粒度6～7級(jí)，本次斷裂橫梁晶粒度3～5級(jí)，斷裂橫梁晶粒度很不均勻。從常規(guī)判斷晶粒粗大，晶界變少，雜質(zhì)相對(duì)集中，有利于腐蝕進(jìn)行。

圖10 斷裂橫梁金屬組織(1 000×)

使用掃描電鏡能譜線掃描分析，檢查成分有無偏析現(xiàn)象，如圖12、圖13所示。圖12為橫跨兩條裂紋掃描，測定其成分變化，結(jié)果僅有鋁在裂紋處數(shù)量急降，鎂和鋅沒有明顯變化，表明成分是均勻的。圖13為選擇橫跨裂紋和晶界作線掃描，檢查其成分變化，依然是鋁在裂紋處數(shù)量突降，在晶界稍有下降，鎂和鋅仍然均勻。檢查結(jié)果表明，成分是均勻的，鋁數(shù)量在裂紋處下降是腐蝕的損失。也可推斷出斷口上所見灰白色腐蝕物是Al2O3。

圖11 擠壓型材組織

圖12 裂紋及其附近線掃描圖像

圖13 裂紋與晶界的線掃描圖像

2.2 力學(xué)原因分析

應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生除材料與介質(zhì)需匹配外，拉應(yīng)力的存在是必要的條件。螺栓孔周圍裂紋的分布形態(tài)和該處應(yīng)力場有關(guān)。橫梁螺栓孔附近受三點(diǎn)彎如圖14所示，A－A橫截面彎矩最大，厚度方向上板面受最大拉應(yīng)力。應(yīng)力腐蝕裂紋最先出現(xiàn)在A－A截面的上表面，橫梁的斷裂即該應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展所致，2＃、5＃ 螺栓孔處情況屬此。1＃、3＃、4＃ 螺栓孔裂紋發(fā)展尚處于不同階段，其兩側(cè)邊緣裂紋從上板面向下擴(kuò)展的長度亦有差別。5＃螺栓孔加筋邊裂紋占其厚度85%，薄邊占74%；3＃螺栓孔分別占24.8、65%；4 號(hào)螺栓孔 34.2、58%。裂紋深淺不同，造成的撓度也各異。橫梁的斷裂都是發(fā)生在螺栓孔和銷孔截面上，一方面是該截面承受的彎矩最大；另一方面是截面積最小。而圖4、圖5上螺栓孔周邊放射形的裂紋，有些裂紋與三點(diǎn)彎產(chǎn)生的拉應(yīng)力幾乎平行，因此必然還存在另外的力。分析知，螺栓扭緊時(shí)產(chǎn)生的軸向拉力會(huì)在螺栓孔周邊產(chǎn)生局部變形，如圖15所示。橫梁壁厚為6 mm，中間的螺母被銷固定，但與板有間隙，螺栓的拉力會(huì)使孔邊金屬向上局部變形，孔周邊上板面沿圓周被拉長，形成圓周拉應(yīng)力，這就是在螺栓孔周圍形成放射形裂紋的力學(xué)原因。銷孔周圍就見不到此類裂紋，如果橫梁壁厚大或者加大加厚下螺母墊圈，中螺母壓得緊，此種裂紋出現(xiàn)的可能就小。

圖14 橫梁金屬緊固件螺栓擰緊形成的三點(diǎn)彎

圖15 螺栓孔周邊局部變形示意

通常應(yīng)力腐蝕裂紋是屬于低應(yīng)力斷裂，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力一般都低于材料的許用應(yīng)力或疲勞極限。對(duì)于某種材料在某種介質(zhì)中應(yīng)力腐蝕開裂而言，存在一個(gè)臨界應(yīng)力，如果在低于臨界應(yīng)力的應(yīng)力下工作，就不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋，超過臨界應(yīng)力后應(yīng)力值越高，裂紋發(fā)展越快，壽命越短。因此在許可的條件下盡量降低應(yīng)力有利于防止應(yīng)力腐蝕開裂或延長使用壽命。

就介質(zhì)而言，機(jī)車車輛在各種地域都可能運(yùn)行，環(huán)境差別很大，在北方干燥的天氣下不容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，在南方潮濕多雨的天氣，甚至沿海海洋氣氛中運(yùn)行就極易產(chǎn)生開裂[4]。7系列鋁合金在潮濕多雨以及海洋氣氛(氯化物)環(huán)境下對(duì)應(yīng)力腐蝕開裂是比較敏感的，為降低其應(yīng)力腐蝕敏感性，從化學(xué)成分、熱處理制度等諸方面進(jìn)行過很多研究，如Al－Zn－Mg合金的應(yīng)力腐蝕敏感性取決于Zn和Mg的總量以及Zn和Mg含量的比值，最佳比值為3∶1，總量應(yīng)小于 5%。此外，加入微量 Cr、Mn、Cu、Zr、Ti均有助降低應(yīng)力腐蝕敏感性[5]。近年開發(fā)的T77處理即降低第二級(jí)時(shí)效的時(shí)效溫度和延長時(shí)效時(shí)間進(jìn)一步提高其綜合性能[6]。

SCC是由于腐蝕環(huán)境和靜態(tài)或單向變化的拉應(yīng)力共同作用引起的一種局部腐蝕，通常會(huì)導(dǎo)致裂紋的形成而造成脆性破裂，造成金屬結(jié)構(gòu)承載性能明顯下降,是一種較為隱蔽的局部腐蝕形式。裂紋的萌生和亞臨界擴(kuò)展往往在宏觀上沒有明顯的預(yù)兆，裂紋擴(kuò)展到臨界長度后使得應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到斷裂韌性時(shí)易于造成突發(fā)性的斷裂失效事故。拉應(yīng)力、特定的腐蝕環(huán)境和敏感材料是發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的三要素[7]。在環(huán)境介質(zhì)無法改變的條件下，對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的敏感性、材料組織、熱處理制度、應(yīng)力狀態(tài)的改變?nèi)匀荒軌蛴幸欢ǖ恼{(diào)節(jié)作用。

3 結(jié)論

(1)機(jī)車車輛底板橫梁的斷裂性質(zhì)是應(yīng)力腐蝕開裂，橫梁斷裂原因是應(yīng)力腐蝕裂紋。

(2)應(yīng)力腐蝕裂紋均從螺栓孔表面開始向內(nèi)發(fā)展，金屬緊固組件處螺栓的緊固力是該處發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋的力因素，在許可的條件下，應(yīng)盡量降低扭緊力。

(3)斷裂橫梁的晶粒度從幾個(gè)檢查件看均較新的擠壓原材料粗大，變粗大晶粒對(duì)橫梁斷裂有不利影響。

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Corrosion failure analysis of carbody aluminum alloy

ZHAO Jun-jing，WANG Xiao-min，CHEN Hui
(Institute of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

This paper examination the reasons for the cracked tank crossbeam of carbody，analyzed the covering of fracture by optical microscope and scanned electron microscope and determine the cause of the fracture failure for the working state of threads hole exists tremendous stress concentration produces stress corrosion cracking.And analyzed the characteristics and produce conditions of stress corrosion finds that failure fault because 7xxx aluminum alloy material have a sensitivity of stress corrosion and in the effect of the tensile stress and corrosive medium bring about stress corrosion crack initiation and development also have certain relationship.

aluminum alloy；stress corrosion；stress concentration

TG441.7

B

1001－2303(2011)03－0087－04

2010－07－09

趙軍靜(1985—)，女，內(nèi)蒙古錫林郭勒盟人，在讀碩士，主要從事鋁合焊接金腐蝕等方面的研究工作。