高速列車車體鋁合金抗應力腐蝕性能

基金項目： 國家科技支撐計劃資助項目（2009BAG12A07-B03）；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（SWJTU12CX047）

作者簡介： 江超（1990-），男，博士研究生，研究方向為鋁合金應力腐蝕，電話： 15982124997， E-mail： jccl048@163.com

通訊作者： 陳輝（1970-），男，教授，博士，博士生導師，研究方向為鋁合金結構疲勞、殘余應力， E-mail： xnrpt@163.com

文章編號： 0258-2724（2013）03-0500-07DOI： 10.3969/j.issn.0258-2724.2013.03.017

摘要：

為了確定高速列車常用5、6、7系列鋁合金部件的安全可靠性，采用恒載荷方法和恒位移方法研究了其應力腐蝕開裂敏感性，對試樣進行機械切口并預制疲勞裂紋，在施力點施加恒定載荷或恒位移后進行腐蝕試驗.通過相同加載對比實驗發現： 3種系列鋁合金中， 7N01P-T4臨界應力強度因子值低于11.238 MPa·m1/2，應力極限值低于224.3 MPa，抗應力腐蝕性能比5083P-H111、6005A-T6差，但均滿足使用要求；應力腐蝕陰極反應而導致的氫脆在裂紋源區附近呈現典型的應力腐蝕特征，在疲勞區附近表現氫致開裂特征，與實際斷口上直線溝槽分布狀況相符.

關鍵詞：

鋁合金；車體；應力腐蝕；恒載荷加載；氫致開裂

中圖分類號： TG115.28文獻標志碼： A

近年來高速列車的快速發展對車體輕量化提出了更高的要求，高速鐵路車輛采用鋁合金中空結構比鋼結構減輕自重35%～66%，同時可增效和節能10%以上. 5、6、7系鋁合金由于各自的優異性能，已被應用于制造高速列車車體各主要部件，對車體的安全運行起著至關重要的作用[1-3].

陳小明等認為影響7000系鋁合金的SCC敏感性因素很多，如熱處理工藝、外部環境、電化學效應等[7].本文對車體用5、6、7系鋁合金按兩種不同加載方式進行應力腐蝕試驗，探討其抵抗應力腐蝕開裂性能，對高速列車車體制造及運行過程中車體鋁合金應力腐蝕行為進行評價.

1

試驗原理

2

試驗內容

針對高速列車常用5083P-H111、6005A-T6、7N01P-T4鋁合金，采用恒位移和恒載荷兩種加載方式對比其應力腐蝕性能， 3種鋁合金材料化學成分、力學性能如表1和表2所示[10].

試驗按照ISO7539-2003《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗》進行.恒位移應力腐蝕試驗時，每組材料試件數量為2，試樣B=6mm，W=12mm，三點彎跨距為60mm.為了使試驗具有可比性，取加載到3種材料上最大應力都接近于材料屈服強度值，試樣加載情況見表3所示.放入周期腐蝕試驗箱內進行腐蝕，溫度為室溫25 ℃，腐蝕液為質量分數3.5%的NaCl溶液，箱內相對濕度為70±5%，腐蝕時間為80d.

恒載荷應力腐蝕試驗時，采用線切割切口試樣，切割用鉬絲直徑Φ≤0.2mm， B=6mm， W=12mm，切口長為2mm，預制疲勞裂紋在YK-1型音叉式疲勞開縫機上進行.預制疲勞裂紋后，在試樣缺口兩側貼好刀口，在CFW-150型懸臂梁應力腐蝕持久試驗機上加載，將裂紋區域浸入質量分數3.5%的NaCl溶液中.試驗中利用引伸計監測刀口張開位移δ，觀察采集的δ-t曲線，判斷啟裂時間，同時對δ-t曲線不發生變化的試樣，試驗時間適當延長.試驗完成后，用三點彎曲法在WDW-3100型拉壓試驗機上將腐蝕試樣壓斷，用JSM-6490LV掃描電鏡SEM（scanning electron microscopy）觀察腐蝕斷口及腐蝕產物形貌.

3

試驗結果及討論

3.1

恒載荷應力腐蝕

3.1.1試驗結果

恒載荷試驗獲得數據如表4所示.

3.1.2試樣裂紋宏觀形貌

恒載荷應力腐蝕實驗中，5083P-H111和6005A-T6鋁合金母材表面都未出現應力腐蝕裂紋， 7N01P-T4母材發生了應力腐蝕表面出現了細小的應力腐蝕裂紋，宏觀形貌如圖2所示.

從圖2看出， 5083P-H111和6005A-T6鋁合金試樣疲勞裂紋下面只有腐蝕產物的堆積，沒有出現應力腐蝕.7N01P-T4的HZ-4號試樣疲勞裂紋下出現了明顯的分叉式應力腐蝕裂紋，主裂紋比較平直，細小的裂紋分叉隨機分布.

3.1.3試樣斷口宏觀形貌

恒載荷應力腐蝕試驗中， 5、6、7系列鋁合金試樣斷口宏觀形貌如圖3所示.

圖3（a）中， HZ-1號試樣斷口平整細膩，沒有出現應力腐蝕溝槽.圖3（b）中， HZ-2號試樣預制疲勞區斷口比較粗糙，出現了直線溝槽，一直延伸到線切割切口處，但疲勞裂紋前端沒有出現應力腐蝕裂紋，沒有發生應力腐蝕開裂.圖3（c）中， HZ-4試樣斷口上應力腐蝕區出現了明顯的應力腐蝕裂紋，且疲勞區也出現了較深的直線溝槽，一直延伸穿過線切割區.圖3（d）為HZ-10號試樣加載最小載荷經過12 d腐蝕后的斷口圖，疲勞裂紋前段有細微的應力腐蝕開裂，說明應力腐蝕剛剛開始，而疲勞裂紋區上直線溝槽也有擴大變深的趨勢.

3.1.4試樣斷口微觀形貌

應力腐蝕試樣斷口掃描電鏡如圖4所示.

圖4（c）中， 5083P-H111斷口疲勞區平直無褶皺，其上很多點坑無序排列著，其尺寸比塑性區韌窩尺寸小很多，點坑很淺，可認為沒有發生應力腐蝕.腐蝕液中的Cl-吸附在試樣表面，氧化膜破壞的傾向增大，根據變形顯微組織的特點，可知試樣表面的點蝕將向縱深發展，沿晶間不斷往縱向和橫向擴展直到晶界處的β相被腐蝕掉，晶粒脫落，當各蝕坑沿晶間彼此相連時，形成片層狀金屬脫落[12].圖4（a）中， 6005A-T6疲勞區斷口上有很多平行鏈狀點坑，其方向與板厚方向平行，同時在斷口上可看到明顯的直線溝槽，其方向與點坑方向一致，推測直線溝槽是由鏈狀點坑擴展而來.在直線溝槽附近A區進行能譜分析，結果如圖5所示.

由圖5可知， A區域中， Mg含量為1.82%，高于標準的0.4%～0.8%. Mg含量越高時，合金耐蝕性能就比較差，從而產生鏈狀點坑.

圖4（b）為7N01P-T4試樣SCC區前段塑性壓斷區，很多二次裂紋平行分布并不相連，其裂紋起源于SCC裂紋頂端，處在應力腐蝕裂紋尖端，同時裂紋間隙、深度較小，在塑性壓斷過程中沒有與主應力腐蝕裂紋相連，其穿過塑性壓斷區韌窩，向塑性區擴展.圖4（d）為圖4（b）中SCC前端B區，可在應力腐蝕裂紋底部發現類似冰糖狀花樣，晶粒邊緣較鈍可能是腐蝕時間過長所致，空洞可能是第二相粒子的脫落形成.圖4（e）為7N01P-T4試樣在最小載荷作用下疲勞區前段發生應力腐蝕開裂，其裂紋附近覆蓋了較厚的一層腐蝕物，說明應力腐蝕裂紋一旦開裂，腐蝕液沿著應力腐蝕裂紋向材料深處潤濕，從而引發深處材料繼續受到應力腐蝕.

3.2

恒位移應力腐蝕

3.2.1試樣裂紋宏觀形貌

恒位移腐蝕實驗中，試樣表面宏觀形貌如圖6所示.

圖6中試樣表面被灰色腐蝕產物覆蓋，三點彎支點處由于與鋼接觸產生了電化學腐蝕，出現了一些點蝕坑和剝蝕.線切割開口處表面沒有出現裂紋，試樣表面其他位置由于包鋁層的保護作用，沒有出現明顯的腐蝕現象.

3.2.2試樣斷口宏觀形貌

恒位移應力腐蝕試驗中5、6、7系列鋁合金試驗腐蝕80 d后壓斷后斷口宏觀形貌如圖7所示.

在圖7（a）、（b）中， 5083P-H111和6005A-T6鋁合金試樣斷口平齊，機械切口下部并沒有出現應力腐蝕裂紋；圖7（c）中試樣有應力腐蝕裂紋經壓斷形成的明顯“舌狀”突起，與板厚方向平行，中部還延伸有細微的二次裂紋，相互平行并不交叉.

3.2.3試樣斷口微觀形貌

7N01P-T4鋁合金試樣發生了應力腐蝕，其斷口掃描電鏡如圖8所示.

圖8中可知， HW-5斷口上有多條相互平行的應力腐蝕裂紋，裂紋平直并不連續，有未連接的臺階裂紋，符合氫致破裂機理. HW-5斷口微觀形貌與圖4（b）的形貌相似，從而證明了7N01P-T4試樣在恒位移應力腐蝕實驗中也發生了應力腐蝕現象.

4

分析討論

根據對氫在金屬中行為的了解，在應力腐蝕發生后，陰極析氫反應產生的活性氫原子能夠擴散到鋁合金內難溶相與基材間的空隙聚集，既使該處變脆，又復合成氫分子，由此形成的巨大內壓使微裂紋產生并協助局部應力使裂紋解理擴展；其次，因氫具有應力誘導上坡擴散的特性，氫原子會向裂紋尖端應力集中處擴散聚集，當氫量增至臨界值后裂紋擴展，隨后繼續此過程.因此，裂紋可以是異地萌生、擴展相連.氫脆與應力腐蝕同時發生，由應力腐蝕陰極反應而導致的氫脆在裂紋源區附近則呈現典型的應力腐蝕特征，如圖4（d）所示.圖4（b）和圖8斷口氫脆裂紋特征明顯裂紋平直沒有分叉，整個過程與焊接時產生氫致裂紋十分相似，具有延遲、間歇擴展特點，并且是混合型斷裂.

氫致穿晶裂紋形成過程的推測解釋6、7系鋁合金斷口疲勞區上直線溝槽的產生. 6、7系列鋁合金難溶相呈鏈式分布在晶界上，其方向與擠壓或扎制方向平行.由于力學性能與基體有差異，在疲勞裂紋擴展時，疲勞裂紋斷口上形成直線溝紋.當產生電化學腐蝕陰極析氫反應，產生活性氫原子，除就地參與應力腐蝕外，還長程擴散到難溶相周圍聚集并復合成氫分子造成內壓力促成裂紋生成，使原先的溝紋擴大伸長變成裂紋. 6系鋁合金屬于Al-Mg-Si系鋁合金，沒有出現應力腐蝕，電化學腐蝕析氫反應產氫量少，不足以使直線溝紋擴大. 5083P-H111屬于非熱處理鋁合金，不僅沒有發生應力腐蝕，也沒有直線溝紋.

5

結論

（1） 通過恒載荷和恒位移實驗得到5083P-H111、6005A-T6鋁合金應力腐蝕敏感性小， 7N01P-T4容易出現應力腐蝕裂紋，斷口上有“舌狀”凸起；

（2） 7N01P-T4鋁合金K1SCC值應在11.238 MPa·m1/2以下，對應的應力臨界極值為224.3 MPa， σ/σb=0.488，應力腐蝕敏感性高；

（3） 應力腐蝕裂紋容易引起二次微裂紋，應力腐蝕陰極反應導致的氫脆在裂紋源區附近則呈現典型的應力腐蝕特征，有明顯冰糖狀花樣；

（4） 應力腐蝕陰極反應導致的氫脆在疲勞區附近則呈現氫致開裂特征，與7N01P-T4斷口上直線溝槽相符.

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