LY12CZ鋁合金在人工海水中的腐蝕疲勞裂紋擴展行為

黃小光，王黎明，曹宇光

（中國石油大學（華東）儲運與建筑工程學院，青島266580）

0 引 言

腐蝕疲勞是金屬材料在循環或隨機交變應力與腐蝕介質的聯合作用下發生脆性斷裂的過程。許多工程結構，諸如海洋鋼結構、石油化工設備、飛機等，其服役環境均存在不同程度的腐蝕介質。在交變應力的作用下，腐蝕性環境會顯著降低材料的斷裂韌性，加快疲勞裂紋的形成及擴展，大幅縮短工程結構的使用壽命[1-4]。在腐蝕疲勞過程中，裂紋形成時間一般遠遠小于裂紋擴展時間，所以腐蝕疲勞裂紋擴展的規律是結構設計與使用的重要考慮指標，也是為腐蝕環境中結構損傷容限設計的基礎。腐蝕疲勞裂紋擴展過程是一個極其復雜的力學、電化學過程，根據材料、腐蝕環境的差異，腐蝕環境促進裂紋擴展的機理主要體現為陽極溶解[5-6]、氫脆[7-9]、裂紋間隙的質量傳輸[10-11]等。同時腐蝕介質、溫度、顯微組織和載荷參數等因素均能顯著影響裂紋擴展速率[12-14]。

LY12CZ鋁合金作為一種性能優越的高強度材料，在航空、海洋工程領域得到廣泛應用[15]。由于服役環境常具有腐蝕性，材料在腐蝕性環境中的裂紋擴展行為引起研究人員的關注[16]。李旭東等[17]借助掃描電鏡及能譜分析技術對LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞斷口進行了研究，分析了合金中微量元素對腐蝕疲勞斷裂過程的影響；Zhang等[18]通過LY12CZ鋁合金中心裂紋拉伸試驗，建立了腐蝕疲勞裂紋擴展速率模型，并采用AFGROW軟件對腐蝕疲勞裂紋擴展過程進行了模擬；Wang[19]利用LY12CZ 鋁合金CT試樣腐蝕疲勞試驗，提出了裂紋擴展的腐蝕-鈍化-斷裂模型，并對比分析了應力比、載荷頻率對裂紋擴展速率的影響；張波等[20]采用單邊缺口試樣，研究了頻率對LY12CZ鋁合金在3.5 % NaCl溶液中腐蝕疲勞裂紋擴展的影響。但以上絕大多數研究均停留在試驗規律的摸索、總結方面，缺少對腐蝕環境促進疲勞裂紋擴展機理的研究。為研究腐蝕環境促進LY12CZ鋁合金疲勞裂紋擴展的機理，作者采用三點彎曲腐蝕疲勞裂紋擴展試驗，分析了載荷頻率、應力比以及溶液pH對LY12CZ鋁合金在人工海水中裂紋擴展速率的影響，同時借助掃描電鏡觀察斷口形貌，對腐蝕環境加速裂紋擴展的機制進行了深入的探討。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為LY12CZ鋁合金板，熱處理狀態為淬火加自然時效，淬火溫度為495～503℃。LY12CZ鋁合金的化學成分（質量分數/%）：4.3Cu，1.5Mg，0.6Mn，0.3Zn，0.5Si，0.5Fe,余Al，基本力學性能如表1所示。試驗所選試樣為標準三點單邊開槽彎曲試樣SE（B），試樣取向為TL，在試樣上預制長度為2 mm的裂紋，尺寸如圖1所示[21-22]。

表1 LY12CZ鋁合金的力學性能Tab.1 Mechanical properties of LY12CZ aluminum alloy

1.2 試驗方法

圖1 SE（B）標準試樣尺寸Fig.1 SE(B) standard specimen and size

腐蝕疲勞試驗在MTS809-5kN 型電液伺服疲勞試驗機上按照GB/T 6398—2000進行，自制試樣上、下夾具與有機玻璃腐蝕溶液箱，腐蝕溶液箱盛放人工海水（質量分數3.5%NaCl溶液），為防止海水滲漏，對試樣下夾具與腐蝕溶液箱進行密封處理，同時對下夾具采取防腐處理。

疲勞試驗機采用恒幅加載方式，波形為正弦波。預制疲勞裂紋時最大載荷的誤差控制在以內。為研究載荷頻率、應力比以及溶液pH影響，裂紋擴展試驗加載頻率f分別取1，5，10 Hz，應力比R分別取0.1，0.3，0.5，人工海水的pH分別取7.0，5.0，3.0（通過質量分數5%的H2SO4溶液調節）。在試驗過程中，用XPT-7型光學顯微鏡測量裂紋長度，并記錄相應的循環數，直到試樣斷裂為止。所有試驗均在室溫下進行。試驗結束后，用S-4800型掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。采用遞增多項式方法進行局部擬合求導來處理試驗數據[23]。同樣條件下，在空氣中進行疲勞試驗作為對比。

2 試驗結果與討論

2.1 人工海水對裂紋擴展速率的影響

由圖2可知，LY12CZ合金在人工海水（pH為7.0）中裂紋擴展速率要遠高于空氣中的擴展速率，腐蝕環境對合金裂紋擴展的加速作用非常顯著。空氣、海水中裂紋擴展速率均隨應力強度因子幅值ΔK不斷增大，ΔK為控制LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展宏觀規律的主要因素。

圖2 LY12CZ鋁合金在空氣與pH=7.0的人工海水中的疲勞裂紋擴展速率Fig.2 Crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy in air and seawater with pH of 7

由圖3可以看出，人工海水pH對裂紋擴展速率影響非常顯著，pH越低，酸性越強，裂紋擴展速率越高。強酸性會促進裂尖新生金屬的陽極溶解，更為重要的是氫離子與金屬材料發生置換反應，生成氫氣吸附在裂尖表面，并通過擴散作用進入裂尖塑性區，造成氫損傷，大大加速裂紋擴展。

圖3 人工海水pH對LY12CZ 鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.3 The effect of pH value of artificial seawater on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.2 載荷頻率對裂紋擴展速率的影響

由圖4可見，載荷頻率對LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率有明顯的影響，腐蝕疲勞裂紋擴展速率隨循環載荷頻率上升而不斷下降。因為載荷頻率越低，每個循環周期內裂紋尖端新生材料與腐蝕環境的相互作用越為充分，裂尖材料腐蝕損傷越嚴重，加速了腐蝕疲勞裂紋的擴展。

圖4 循環載荷頻率對LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.4 The effect of frequency of cyclic loading on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.3 應力比對裂紋擴展速率的影響

由圖5可知，不同應力比下，LY12CZ鋁合金的腐蝕疲勞裂紋擴展速率隨ΔK的增大不斷增加。但是，在低水平區域，裂紋擴展速率出現較為明顯的門檻值特征。在近門檻值區域，應力比對裂紋擴展速率影響顯著，裂紋擴展速率隨應力比的增大而不斷升高。但是，應力比對中高ΔK水平區域裂紋擴展速率的影響逐漸降低。可以認為，應力比主要影響近門檻值區域的腐蝕疲勞裂紋擴展[24]。

圖5 應力比對LY12CZ 鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.5 The effect of stress ratio on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.4 影響機理

從圖6可以看出，在中性環境中，試樣斷口陽極溶解產生的點蝕非常明顯，裂尖陽極溶解對加速裂紋擴展起主要作用。裂尖陽極溶解的Al3+通過水解，使裂尖溶液呈酸性。酸性溶液中裂尖表面氧化膜很不穩定，使裂尖反復出現新生金屬，新生金屬不斷溶解促進裂紋擴展。隨著頻率的上升，載荷周期內腐蝕損傷減弱，點蝕大小、深度均有所減弱。

酸性溶液中試樣斷口上有較為清晰的疲勞輝紋，同時還出現一些絮狀的反應產物，如圖6（b）、（d）、（f）所示。酸性溶液中氫離子與金屬置換反應使得氫在裂紋尖端不斷聚集（析氫反應）并吸附在裂尖表面，使裂尖金屬脆化從而促進裂紋的擴展。同時，對比圖6（a），（b）可以發現，中性環境中陽極溶解對裂紋擴展起主導作用，然而，隨著溶液pH降低，酸性增強，陽極溶解被抑制，析氫反應逐漸主導裂紋擴展過程[25-26]。

3 結 論

（1）人工海水能顯著提高LY12CZ合金疲勞裂紋擴展速率；疲勞載荷頻率越低，循環周期內裂尖新生金屬與腐蝕環境作用越充分，裂紋擴展速率越高；應力比主要影響近門檻值區的腐蝕疲勞裂紋擴展，對中高水平區域的裂紋擴展速率沒有顯著影響；在近門檻區，相同水平下應力比越高，裂紋擴展速率越高；人工海水pH對裂紋擴展速率影響非常明顯，酸性越強，裂紋擴展速率越高。

圖7 不同試驗條件下LY12CZ 鋁合金斷口的SEM形貌Fig.7 SEM fractography of LY12CZ aluminum alloy in different experimental conditions

（2）中性海水中，裂尖陽極溶解對疲勞裂紋的加速擴展起主導作用；但是，隨著海水酸性增大這種主導作用逐漸減弱，被析氫反應代替；酸性海水中氫離子與新生金屬的裂尖氫置換反應造成裂尖材料氫脆，從而大幅提高腐蝕疲勞裂紋擴展速率。

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