顯微組織結構對Al-Zn-M g合金應力腐蝕抗性的影響

劉平禮，王明坤，孫文超，榮煥斌，欒秋云

（龍口市叢林鋁材有限公司，山東龍口265705）

顯微組織結構對Al-Zn-M g合金應力腐蝕抗性的影響

劉平禮，王明坤，孫文超，榮煥斌，欒秋云

（龍口市叢林鋁材有限公司，山東龍口265705）

采用四點彎曲應力腐蝕試驗法、金相顯微鏡、掃描電鏡等方式研究了顯微組織結構對兩種不同工藝處理的Al-Zn-Mg合金應力腐蝕抗性的影響。結果表明，組織中第二相的尺寸、形狀、分布特點及表層晶粒結構對Al-Zn-Mg合金的應力腐蝕抗性有重要影響。尺寸細小、形狀圓潤、分布均勻的第二相粒子及細小的再結晶表層晶粒有利于提高Al-Zn-Mg合金的應力腐蝕抗性。合理配比微合金化元素、優化擠壓淬火工藝、采用合理的過時效制度是提高Al-Zn-Mg合金應力腐蝕性能的可行途徑。

Al-Zn-Mg合金；顯微組織；應力腐蝕抗性；第二相粒子；晶粒結構

0 前言

Al-Zn-Mg系合金屬于可熱處理強化的合金，因其比強度高、疲勞性能和焊接性能優良、裂紋擴展速率低等特點而廣泛應用于軌道交通領域，主要用做鋁合金車體的主承重結構部件[1～2]。然而，Al-Zn-Mg系鋁合金普遍存在著應力腐蝕抗性較差的弱點，這也往往是導致該系合金構件失效的主要原因，為此，很多國內外科學工作者做了大量的探索。研究表明，T73、T74、T76、T77等過時效處理工藝[3]，T6I4、T6I6等二次時效工藝[4～5]，回歸再時效(RRA)[6]和過時效+重固溶+再時效（ORR）[7]工藝不僅可以改善7×××合金的強韌匹配性，而且能不同程度地提高材料的應力腐蝕抗性。但實際上，由于操作過于繁雜、工藝處理周期長、設備投入高，除了二級過時效工藝外，其它時效工藝并未在工業上得到有效推廣和廣泛應用。

上述時效工藝都是從調控時效析出相在晶內和晶界的尺寸、數量、分布等微觀組織特征來提高應力腐蝕抗性的，而關于Al-Zn-Mg合金微觀組織中彌散相、晶粒排布特征對其應力腐蝕抗性影響的研究較少。通過對比分析兩種不同工藝處理的Al-Zn-Mg合金的微觀組織，本課題主要研究材料微觀組織結構與其應力腐蝕性能的關系，提出一些提高應力腐蝕抗性的建議，對提高型材使用壽命和安全性有重要意義。

1 試驗方法

試驗材料為兩種不同生產工藝的Al-Zn-Mg鋁合金擠壓型材，其化學成分如表1所示。

表1 Al-Zn-Mg合金擠壓型材的化學成分（質量分數/%）

應力腐蝕試驗采用四點彎曲法，試樣沿擠壓方向截取，砂紙打磨機加工面。溶液體系為36 g/L CrO3+30 g/L K2Cr2O4+3 g/LNaCl，溶液pH約為0.9，溶液溫度為90℃，試樣施加應力為250MPa。試驗共進行22d，每天觀察1～2次，記錄試樣外表面的腐蝕情況。

金相試樣經粗磨、細磨后進行粗拋和精拋，再經凱樂試劑（2mL HF+3mL HCl+5mL HNO3+ 190mLH2O）浸蝕，酒精清洗后在ZEISSAXIO型金相顯微鏡下觀察。應力腐蝕金相試樣需進行樹脂鑲嵌，經研磨、拋光后不必進行浸蝕，直接在顯微鏡下觀察表層組織腐蝕情況。掃描樣品經超聲清洗后在ZEISSEVO18型掃描電鏡下觀察，加速電壓為20kV。

2 試驗結果

2.1 應力腐蝕結果

應力腐蝕試樣表面隨試驗時間的變化情況如表2所示。1#試樣經過22d的應力腐蝕后仍保持完好，而2#試樣應力腐蝕12d后表面局部出現輕微鼓泡現象（有色溶液長時間浸潤使試樣呈現棕紅色）。試驗至22d后局部鼓泡現象并未明顯加重，如圖1所示（白色箭頭處），且無肉眼可見應力腐蝕裂紋。根據相關標準，試驗72h后試樣表面不出現起皮、鼓泡、剝層、裂紋等現象即為合格，表明兩種工藝條件下的型材均滿足標準要求，但1#試樣應力腐蝕抗性的穩定性較好，而2#試樣的應力腐蝕抗性隨試驗時間延長而逐漸減弱。

表2 應力腐蝕試驗過程中試樣表面情況

圖1 試驗22天后試樣表面腐蝕情況

2.2 金相分析

應力腐蝕試驗進行22d后試樣斷面的金相組織如圖2所示。試驗后表面質量較好的1#試樣（圖2（a））在次表層出現明顯的層狀腐蝕現象，深度可達1.3mm，但表層并未發現明顯的凸起或晶間腐蝕現象。而2#試樣（圖2（b））出現更為嚴重的層狀腐蝕現象，貫穿至試樣表面，試樣內部出現腐蝕空洞，且表面出現明顯的凸起現象（圖內橢圓框）。另外，層狀的腐蝕形貌向試樣表面彎曲，這很可能是由腐蝕產物的“楔入效應”引起的[8]。

圖2 試驗22d后試樣縱截面的金相組織

2.3 掃描分析

應力腐蝕試樣表面的掃描電鏡形貌如圖3所示。1#試樣（圖3（a））表面僅出現了少量的小坑，這些小坑通常是由粗大活性第二相的溶解或基體溶解致使粗大惰性彌散相脫落引起的，屬于典型的點蝕現象。2#試樣（圖3（b））表面除了發生點蝕外，還出現了鼓泡、裂紋及深入基體的小坑（白色箭頭）現象，這些現象是與外加應力和腐蝕產物引起的楔入應力緊密相連的。

圖3 應力腐蝕試樣的表面掃描形貌

3 分析與討論

目前，用于評價材料應力腐蝕性能的標準、方法較多，但大多處在定性評價的階段，且試驗結果之間沒有直觀、可靠的比較性。為了避免簡單而模糊的評價，本文將從應力腐蝕發生機理的角度-外加應力和電化學腐蝕來建立材料微觀組織結構與其應力腐蝕抗性優劣的關系。

3.1 第二相粒子對應力腐蝕的影響

第二相粒子因其種類、形狀、尺寸和分布的不同而對應力腐蝕產生不同的影響。η(MgZn2)相作為7×××系合金的主要強化相，它的電極電位較負，在電化學反應中充當陽極而容易發生溶解[9]，因此7×××系型材的抗腐蝕性能相對稍差。實踐中通常采用過時效工藝，使晶界第二相粒子（主要是η(MgZn2)相）由連續狀態變為粗化、斷續分布狀態，從而使晶界處的電化學腐蝕被阻斷，無法形成腐蝕通道[10]。而晶內的η(MgZn2)相仍保持細小彌散狀態，進而提高合金的應力腐蝕性能，同時保持較好的強韌性匹配。

然而還有一類較為粗大的第二相很可能也與應力腐蝕有重要關聯。如圖4所示，經凱樂試劑淺腐蝕后兩種試樣金相組織中的第二相有明顯的差異。利用Image Pro Plus圖像處理軟件對金相組織中的第二相粒子進行統計分析，得到第二相粒子的量化數據，如表3所示。從單位面積上的第二相粒子數量、平均直徑、平均面積可以看出，1#試樣的第二相粒子更細小、密集，而2#試樣的第二相相對粗大，數量少。另外，從圖4還可以看出1#試樣中的第二相外形圓潤，分布相對均勻；而2#試樣的第二相相對尖銳，分布均勻性也不夠好。粗大、尖銳且分布不均的第二相粒子(通常為硬而脆的金屬間化合物)在應力作用下容易造成應力集中，形成顯微裂紋。再者由于腐蝕作用，此處易形成腐蝕坑，同樣有利于顯微裂紋的形成和擴展[11]，所以表現出較差的應力腐蝕抗性，這與圖1中的應力腐蝕抗性結果是一致的。

圖4 試樣金相組織中的彌散相

表3 金相組織中第二相粒子的統計結果

3.2 表層組織結構對應力腐蝕的影響

晶粒形狀對金屬材料的性能具有重要影響，等軸晶材料的性能在各個方向具有均一性，而柱狀晶材料具有各向異性。有研究表面，鋁合金的晶粒形狀，尤其是表層的晶粒，對其應力腐蝕性能有重要影響。圖5所示為兩個試樣橫截面邊部和中心處的金相組織，圖中可以看出兩個試樣均呈現邊部為細小等軸晶、中心為拉長的細晶的組織特點，這也正好符合擠壓型材邊部組織的再結晶程度較中心組織的再結晶程度高的規律。但二者有一個明顯的不同，也即2#試樣的再結晶區深度很小，僅為500μm左右，而1#試樣的再結晶區深度大于1mm。

鋁基體與第二相粒子之間由于電位的不同易形成微電池，產生電化學腐蝕效應。腐蝕反應中會產生氣體、固體等不同狀態的腐蝕產物，它們聚集在晶界處將產生使晶粒具有移動趨勢的應力，當這種應力足夠大時即使試樣產生鼓包、裂紋等現象。當晶粒呈現拉長形態時，易使腐蝕應力形成定向合力，而且晶粒的長寬比越大，越易形成更大的定向合力[12]。2#試樣的再結晶等軸晶區深度較小，晶間腐蝕穿過該區域侵入非等軸晶區的時間也較短，隨著晶間腐蝕在非等軸晶區擴展，“楔入效應”也越來越強，剝落腐蝕也就越來越明顯[11]，這與表2和圖1所示的腐蝕特征是一致的。由此可以推論，Al-Zn-Mg系合金應力腐蝕開裂的一般發展演變過程為：在應力腐蝕之初因電化學反應而表現出點蝕特征；隨著腐蝕的深入，晶間第二相發生腐蝕溶解而使其表現出晶間腐蝕特征；當晶粒為拉長的非等軸晶時，腐蝕產物的“楔入效應”又使其表現為鼓包、裂紋、剝落等剝落腐蝕特征；當損傷積累到一定程度時，合金試樣即發生斷裂。

圖5 試樣的金相組織

3.3 提高Al-Zn-Mg系合金應力腐蝕抗性的措施

在Al-Zn-Mg合金中，Cu、Mn、Cr、Ti、Zr為其主要微合金化元素，不僅可以提高再結晶溫度、增強合金可焊性、細化晶粒，而且能有效提高合金的應力腐蝕抗性[13]。根據工程實踐，合金中這些元素的含量分別為Cu＜0.2%、Mn0.2%～0.4%、Cr0.1%～0.3%、Ti＜0.1%、Zr0.1%～0.2%。實際添加量則需根據性能要求、工藝、設備等條件進行適當調整。

熱擠壓過程中，Al-Zn-Mg合金原始組織發生強烈變形，呈拉長狀態，并開始動態回復和再結晶。由于金屬流與模具之間存在劇烈摩擦，溫度較高，所以型材表層的再結晶進程較心部的快。為了獲得表層細小的完全再結晶組織和心部纖維狀的不完全再結晶組織，需要合理調整擠壓溫度、擠壓速度和冷卻強度，以充分發揮材料的應力腐蝕抗性和強韌性，提高材料的使用性能。

時效是鋁合金組織和性能穩定化的過程，采用T7X時效工藝處理Al-Zn-Mg型材為現實工業條件下既有可操作性強、成本低的優點，又可獲得良好應力腐蝕抗性的措施，同時兼顧了材料的力學性能和耐蝕性能。合理調整第一、二級時效的溫度和時間可以獲得良好的晶內、晶界組織狀態，進而達到型材強度與耐蝕性的良好匹配[14～15]。

4 結論

（1）組織中微米級第二相粒子對Al-Zn-Mg系合金的應力腐蝕抗性有重要影響。第二相粒子呈球化、尺寸細小且分布均勻的組織結構有利于緩解應力集中，延遲微裂紋的萌生，從而提高合金的應力腐蝕性能。

（2）Al-Zn-Mg合金表層定向排列的晶粒組織強化了腐蝕產物的“楔入效應”，促使材料分層剝落，惡化材料的應力腐蝕性能；而細小的表層再結晶晶粒組織變層狀剝落為表層點蝕，有效改善了應力腐蝕傾向。

（3）合理配比微合金化元素，優化擠壓、熱處理工藝以選擇性調控微觀組織結構可有效提高Al-Zn-Mg系合金的應力腐蝕抗性。

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EffectofM icrostructureon StressCorrosion Resistanceof Al-Zn-M g Alloy

LIU Ping-li，WANGM ing-kun，SUN W en-chao，RONG Huan-bin，LUAN Qiu-yun
(Longkou Conglin Alum inum Co.，Ltd.，Longkou 265705,China)

Influence ofm icrostructure on the stresscorrosion cracking resistance of Al-Zn-Mg alloy by different processeswasstud?ied by means of four-point bend-beam stress corrosion test,opticalmicroscopy and scanning electron m icroscopy.The results showed that the size,shape and distribution of second phase particles and grain shape in the surface played an important role in the stresscorrosion resistance of Al-Zn-Mg alloy.

Al-Zn-M g alloy；m icrostructure；stresscorrosion resistance；second phase；grain shape

TG146.21

：A

：1005-4898(2017)04-0016-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.04.04

汽車輕量化市場有望放量鋁壓延材將成重點

劉平禮（1987－），男，河南信陽人，碩士研究生，主要從事變形鋁加工和熱處理研究。

2016－12－12

近年我國節能減排政策路線逐漸明晰，而車身材料輕量化是目前最為可行的節能減排手段。汽車輕量化市場或在未來幾年就將開始放量，放量速度或超市場預期，相應鎂、鋁合金加工企業將明顯受益，鋁壓延材將成輕量化重點，鎂合金應用僵局打破速度有望超出市場預期。相較歐美發達市場，我國汽車輕量化用鋁仍有較大提升空間。而汽車用鋁壓延材用量大但成型難，加工費高昂，為汽車輕量化用鋁中附加值較高的產品。測算來看，2020年我國汽車鋁壓延材需求量將達54.4萬噸，較2016年8.2萬噸將大幅增長562.5%，年均復合增長率超60%。但目前國內尚無成熟產能，進口替代空間巨大。