晶粒度對LY12鋁合金應力腐蝕斷裂行為的影響

孫忠志，王瑞陽，于 美，李松梅，王宗武，劉建華

(1.沈陽飛機設計研究所，遼寧沈陽 110035)

(2.北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191)

晶粒度對LY12鋁合金應力腐蝕斷裂行為的影響

孫忠志1，王瑞陽2，于 美2，李松梅2，王宗武2，劉建華2

(1.沈陽飛機設計研究所，遼寧沈陽 110035)

(2.北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191)

于美

以恒載荷應力腐蝕拉伸實驗，研究了具有粗晶層的LY12鋁合金在3.5%NaCl+0.5%H2O2溶液中的應力腐蝕行為。采用交流阻抗技術(EIS)分別對具有粗晶層和去除粗晶層后的LY12鋁合金試樣進行了電化學測試，利用掃描電鏡(SEM)和三維立體顯微鏡，系統觀察分析了合金試樣的顯微組織和應力腐蝕斷口形貌，分別計算了該合金試樣表層粗晶區和內層細晶區各自的晶粒度。結果表明，LY12鋁合金表層粗晶區的晶粒度等級為5.88，內層細晶區的晶粒度等級為12.71;粗晶區晶粒尺寸較大，對合金起到一定的保護作用，能夠顯著降低其應力腐蝕敏感性;帶有粗晶層的LY12鋁合金試樣交流阻抗譜阻抗半徑為2 500 Ω，去除粗晶層后，試樣的阻抗半徑下降至2 000 Ω。具有粗晶層的LY12鋁合金在3.5%NaCl+0.5%H2O2溶液環境中耐應力腐蝕性能更強。

LY12鋁合金;粗晶層;應力腐蝕

1 前言

鋁合金憑借其高比強度，較好的耐蝕性能以及優良的加工性能，在航空工業中具有重要的應用［1］。Al-Cu-Mg系可熱處理強化的變形鋁合金，具有較好的綜合性能，已經廣泛應用于飛機蒙皮、骨架、肋梁、隔框等高強度結構件。這類合金使用溫度超過150℃時，必須采用人工時效提高耐熱性，同時改善耐應力腐蝕性能。但是采用人工時效處理后，材料性能不穩定，經常發生拉伸性能、抗晶間腐蝕性能下降等情況［2－4］。

Al-Cu-Mg系鋁合金型材在成型工藝中受工藝條件的影響，晶體組織結構不均勻，由于模子的約束外層的變形程度比內層大，晶粒受到劇烈的剪切變形，晶格發生畸變，使再結晶溫度降低，在成形過程中表面再結晶形成粗晶層［5］。而內部組織在擠壓時呈穩定流動狀態，變形比較均勻，晶粒相對細小，結構較致密。Joachim Wloka等人［6］在對高強Al-Zn-Cu-Mg合金的剝蝕行為研究中，發現合金表面覆蓋再結晶層的試樣耐蝕性優于去除再結晶層的同類合金試樣，但具體的腐蝕發生過程及機理仍有待進一步研究。國內也有學者注意到鋁合金加工成形時產生的晶粒組織形貌變化，以及不同厚度層的屈服強度等性能的差異［7－8］。

為深入研究鋁合金的耐蝕性能，我們已在熱處理制度、合金成分以及組織結構對鋁合金腐蝕行為的影響方面做了大量的工作［9－11］。在此基礎上，本文分析了具有粗晶層的LY12鋁合金試樣表面顯微組織結構，并對合金試樣進行了恒載荷拉伸應力腐蝕實驗，研究了其應力腐蝕行為，并著重分析了表面粗晶層對合金耐應力腐蝕性能的影響。

2 實驗

實驗材料為具有較高強度和硬度的LY12鋁合金型材，其名義成分見表1。經固溶處理+人工時效后，試樣的屈服強度(Rp0.2)為500 MPa。金相試樣選取L－S面，水磨砂紙打磨并拋光，用混合酸酸洗顯晶，利用OLYMPUS BX51M金相顯微鏡觀測試樣表面顯微組織。

應力腐蝕實驗按照GB/T15970.4－2000采用恒載荷拉伸法進行。拉伸應力腐蝕試樣如圖1所示，試樣實驗部分長度20 mm，寬度5 mm，厚度2.5 mm。采用3.5%NaCl(分析純)+0.5%H2O2(分析純)去離子水溶液作為腐蝕介質，溶液溫度保持在35±1℃。共施加95%，90%，85%，80%，和75%Rp0.25個應力水平的靜載荷，每個應力水平下選取5個平行試樣。恒載荷拉伸試驗結束后，記錄每個試樣的斷裂時間，測量其斷后伸長量，并測量每個試樣去除腐蝕產物后的失重量;計算出5個應力水平下斷裂時間、斷后伸長量和腐蝕質量損失的平均值。隨后用JSM-5800，JEOL掃描電鏡對試樣進行斷口形貌分析，并用HiroxKH-3000VD三維立體顯微鏡系統觀察試樣腐蝕區域形貌。

腐蝕電化學試樣選用不同粒度的金相砂紙逐級打磨實驗面至2000號;然后用環氧樹脂塑封，并露出1 cm2的實驗面積;最后用丙酮、去離子水依次清洗裸露的試樣表面，吹干待用。腐蝕電化學測試使用PARC2273EG＆G電化學工作站進行，采用三電極體系:研究電極為面積為1 cm2的LY12鋁合金試樣，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為Pt電極。參比電極與研究電極間用魯金毛細管連接。工作溫度為室溫。本實驗涉及的電極電位都是相對于飽和甘汞電極電位(ESCE)。

表1 LY12鋁合金的成分Table 1 The chemical composition of LY12 alloy

圖1 拉伸應力腐蝕試樣圖Fig.1 Specimen of stress corrosion

3 結果與討論

3.1 組織形貌

LY12鋁合金試樣L-S面的金相顯微組織照片如圖2所示。可見合金試樣分層明顯，上層粗晶厚度在0.4 mm左右，α相(Al基體)上彌散分布少量金屬間化合物質點(圖2a)。比較放大后的粗晶層顯微組織形貌(圖2b)與合金試樣內層組織形貌(圖2c)，可以發現，粗晶區晶粒明顯粗大，晶界數量少于內層細晶區，第二相部分固溶于基體中;而內層晶粒細小致密，并沿擠壓方向成行排列，細碎的金屬間相呈網狀分布。

利用截點法［12］分別計算表層粗晶區以及內層細晶的晶粒度等級(G)。截點法公式如下:

式中:L表示所使用測量線段長度，單位為毫米(mm);M為觀測用放大倍數;P是測量線段上的截點數。根據標準［12］，選擇單圓截點法，使用測量網格的圓周長L為250 mm，觀測放大倍數M為1 000×。經三次測量得到粗晶區網格上的平均截點數P為6，內層細晶區網格上的平均截點數P為64。分別代入晶粒度級別數計算公式，得到粗晶區晶粒度等級為5.88，細晶區晶粒度等級為12.71，兩者差值接近于8。這表明試樣表層粗晶區晶粒尺寸確實遠遠大于內層晶粒的尺寸，同時單位面積的晶界數量明顯小于內層，與圖2觀察到的結果一致。

3.2 應力腐蝕行為

測得不同應力水平下LY12鋁合金試樣的腐蝕質量損失和斷裂時間曲線見圖3。隨加載應力水平上升，LY12鋁合金型材試樣腐蝕質量損失少，斷裂時間縮短。也可以發現，隨應力腐蝕斷裂時間延長，腐蝕質量損失呈直線上升的趨勢。這是由于加載的應力水平越低，裂紋萌生所需時間越長，則在腐蝕介質中浸泡越久，因此受到的腐蝕就越嚴重，腐蝕質量增量也越大。

圖2LY12鋁合金顯微組織:(a)L-S面，(b)粗晶區，(c)內層細晶Fig.2 Metallographic section morphology of LY12 alloy:(a)L-S plane，(b)coarse grain zone，and(c)inner zone

由于鋁合金板材同一厚度處L-T取向的斷裂韌性大于T-L取向和S-L取向的斷裂韌性［13］，因此，利用三維立體顯微鏡對試樣斷口進行分析后給出圖4所示不同應力水平下斷裂試樣L-T面的腐蝕形貌圖。圖4a為在恒定95%Rp0.2應力水平下斷裂試樣的L-T面形貌，可見試樣表面開始出現點蝕。當應力水平降至90%Rp0.2時，斷面腐蝕形貌見圖4b，與圖4a比較，點蝕數量明顯增多，程度加深。圖4c中，發現試樣在85%Rp0.2下斷裂后，點蝕已發展為明顯的剝蝕。而圖4d顯示應力水平降至80%Rp0.2后，合金表面點蝕已全部發展為剝蝕，腐蝕程度加重。圖4e相比4d而言，剝蝕已成片出現且面積不斷增大。驗證了圖3中腐蝕失重與斷裂時間之間的關系，即隨拉伸應力水平降低，腐蝕時間延長，進而導致腐蝕程度逐步加深。

圖3 試樣腐蝕失質量損失和斷裂時間與應力水平的關系曲線Fig.3 Curve of mass loss and fracture time changed with stress level

圖4 恒載荷拉伸試驗后試樣的L-T面腐蝕形貌:(a)95%Rp0.2，(b)90%Rp0.2，(c)85%Rp0.2，(d)80%Rp0.2，(e)75%Rp0.2Fig.4 Morphologies of the samples in the L-T-plane after experiment with constant stress operation:(a)95%Rp0.2，(b)90%Rp0.2，(c)85%Rp0.2，(d)80%Rp0.2，and(e)75%Rp0.2

為進一步研究應力與腐蝕介質之間的相互作用，確定粗晶層在LY12鋁合金應力腐蝕行為中的作用，分別選取高應力水平(95%Rp0.2)下的試樣斷口形貌(圖5)和低應力水平(75%Rp0.2)下試樣的斷口形貌(圖6)進行分析。圖5中由于大角度晶界處優先發生點蝕，這種晶界大致垂直于外應力，在腐蝕介質和外加應力的作用下首先受到侵蝕，在侵蝕點處產生應力集中［14］。在應力的作用下試樣在這些點蝕位置繼續腐蝕，從而形成微裂紋。裂紋隨腐蝕時間會不斷增長，使試樣有效橫截面積相對減小，而由于施加的拉應力是恒定的，結果導致試樣的實際加載應力增大，當其超過材料的斷裂強度極限時，試樣就會斷裂失效。在95%Rp0.2(約475 MPa)的應力水平下，試樣斷裂面呈河流狀花樣，為解理斷裂特征，即發生了脆性斷裂，表明其應力腐蝕敏感性較高。

圖5 95%Rp0.2下試樣斷口形貌Fig.5 Fracture morphology for samples at 95%Rp0.2

壓延方向上(S-T)的腐蝕是LY12鋁合金型材的薄弱環節。圖6a中左側位置為試樣表面粗晶層的腐蝕區域。由于試樣表面粗晶層晶粒粗大，晶界數量相對減少，因此點蝕源減少，同時相對較少的晶界還能有效減少腐蝕介質進入粗晶區內部，所以腐蝕程度并不嚴重。上側為內部組織的腐蝕形貌。與粗晶區相比，可以看出腐蝕介質沿晶界的腐蝕傾向明顯，腐蝕較為嚴重。這是由于內層晶粒細小，晶界眾多，導致點蝕源增多;同時腐蝕介質易于從眾多晶界穿透，從而加速了應力腐蝕傾向的緣故。圖6b中可見試樣中心斷口形貌呈等軸韌窩狀，與圖5不同，試樣整體呈現韌性斷裂特征。表明低應力下由于粗晶層的保護作用，應力腐蝕敏感性降低，耐蝕性增強。

可見，LY12鋁合金試樣的應力腐蝕斷裂是在拉伸應力與腐蝕介質(Cl－)共同作用下引起的失效斷裂［15］。高應力水平下應力對試樣的斷裂失效起主導作用，低應力水平下，腐蝕時間延長，腐蝕介質的影響增大，腐蝕程度加重，最終也會導致試件的斷裂失效。但是，應力水平較低時，在粗晶層的保護作用下，試樣拉伸應力腐蝕實驗中未出現明顯的脆性斷裂特征，表明其應力腐蝕敏感性降低。

圖6 75%Rp0.2下試樣斷口形貌:(a)S-T面應力腐蝕斷裂截面形貌，(b)斷裂面中心形貌Fig.6 Fracture morphologies for samples at 75%Rp0.2:stress corrosion fracture morphologies in S-T plane(a)and center of the fracture surface(b)

3.3 腐蝕電化學行為

應力腐蝕有沿晶界析出相優先起作用的傾向，晶界上連續分布的析出相能夠為應力腐蝕提供連續的陽極腐蝕通路，降低合金的應力腐蝕性能［16］。為進一步分析應力與腐蝕介質對試樣腐蝕行為的作用，驗證粗晶區對試樣應力腐蝕行為的影響，本實驗對浸泡0.5 h的試樣進行交流阻抗測試。

圖7和圖8是帶有粗晶層和去除粗晶層之后的試樣的Nyquist圖，均為典型的具有擴散特征的阻抗譜圖，高頻段為電化學極化控制，分別由半徑不同的圓弧組成;低頻段出現濃差極化控制的直線。根據腐蝕電化學原理，高頻段圓弧半徑大小代表了極化阻抗的大小。對比帶有粗晶層的試樣阻抗譜(圖7)和不帶粗晶層的試樣阻抗譜(圖8)的高頻部分阻抗半徑，可以發現粗晶層存在時阻抗半徑約為2 500 Ω，而去除粗晶層后試樣阻抗半徑下降至2 000 Ω左右。表明具有表層粗晶的試樣抗電化學腐蝕能力更強。

由于合金時效處理后會析出S相(Al2CuMg)和θ相(CuAl2)，使得晶界處形成貧Cu區，在腐蝕介質中電位最負，構成陽極區;而晶粒內部含Cu量較高，電位較正，構成陰極區［17－18］。若陰極呈連續鏈形分布，則陽極就構成了腐蝕通道，促使晶間腐蝕的發生。由于粗晶區表面只有少量晶界存在，晶間腐蝕僅能在少量地方發生，因此，可以認為粗晶區是一種有效的腐蝕阻擋層(見圖6)。一旦該層被腐蝕介質滲入，就會形成腐蝕介質沿粗晶晶界的腐蝕通道。此時，兩個反向的擴散過程一邊分享通道，一邊相互抑制:新鮮電解液向合金內部的擴散使合金溶解加劇，同時某些腐蝕產物向外部電解液中轉移(腐蝕產物也會在通道中沉積形成楔入力)。因此，只要應力腐蝕作用下表面的粗晶層不破裂，就能在一定程度上限制擴散過程的進行，減緩晶間腐蝕速度，從而降低應力腐蝕敏感性，增強材料的耐應力腐蝕性能。

4 結論

(1)LY12鋁合金表層粗晶區晶粒粗大，內層晶粒細小。截點法計算得L-S面粗晶區晶粒度等級為5.88，內層細晶區晶粒度等級為12.71。

(2)應力與腐蝕介質耦合使裂紋擴展最終導致材料斷裂失效。試樣表層粗晶能夠有效減少點蝕源，阻擋腐蝕介質穿過，從而降低合金的應力腐蝕敏感性。

(3)具有表層粗晶的LY12鋁合金，阻抗約為2 500 Ω，去除粗晶層后試樣的阻抗降至2 000 Ω。證實粗晶層的保護作用確實能夠增強LY12鋁合金的耐應力腐蝕性能。

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Effect of Grain Size on Stress Corrosion Cracking Behavior of LY12 Alloy

SUN Zhongzhi1，WANG Ruiyang2，YU Mei2，LI Songmei2，WANG Zongwu2，LIU Jianhua2
(1.Shenyang Aircraft Design＆ Research Institute，Shenyang 110035，China)
(2.School of Materials Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100083，China)

The stress corrosion cracking(SCC)behavior of LY12 alloy with coarse-grained layer was investigated in 3.5%NaCl+0.5%H2O2solution by constant load stress corrosion test.Electrochemical impedance spectroscopy(EIS)of the LY12 alloy with and without coarse-grained layer was studied.The microstructure and fracture morphology were observed and analyzed by 3D-cubic microscope and scanning electron microscope(SEM).The grain size of surface layer coarse-grain zone and the inner layer fine zone of this alloy were calculated too.The results show that the grain size of coarse grain grade is 5.88，while that of inner zone is 12.71.Because grain size of coarse-grain layer is bigger than the inner zone，the big size grains can protect the LY12 alloy from stress corrosion cracking and remarkably decrease the susceptibility of alloy from SCC in 3.5%NaCl+0.5%H2O2solution.The impedance of the alloy with coarse-grain layer is 2 500 Ω;after removing the coarse-grain layer，the impedance declines to 2 000 Ω.Consequently，coarse-grained LY12 alloy has a better SCC resistance in 3.5%NaCl+0.5%H2O2solution.

LY12 alloy;coarse-grained layer;stress corrosion

TG 172

A

1674－3962(2013)03－0179－06

2012－09－06

張忠志，男，1963年生，研究員

于 美，女，1981年生，副教授

10.7502/j.issn.1674－3962.2013.03.06