不同溫度下6082鋁合金的抗應力腐蝕性能

王建軍, 羅先甫, 劉 煜, 王 佳, 孫緒魯, 查小琴,3

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司, 青島 266031;2.中國船舶集團有限公司第七二五研究所, 洛陽 471023;3.河南省船舶及海工裝備結構材料技術與應用重點實驗室, 洛陽 471023)

6082鋁合金具有質量小、強度中等、加工性能和焊接性能優良等優點,作為結構件廣泛應用于高速列車、汽車、船舶、航空航天等領域。該合金表面通常會形成一層致密的鈍化膜,在干燥環境下合金性能極為穩定,耐腐蝕性優良,但在潮濕環境下,尤其在含Cl-環境下,6082鋁合金的腐蝕敏感性明顯增大,可能產生點腐蝕、晶間腐蝕等局部腐蝕,在應力作用下甚至發生應力腐蝕失效[1]。國內外學者對6082鋁合金的腐蝕行為進行了大量研究[2-5],其中應力腐蝕研究主要針對相對薄弱的焊縫區域,試驗溫度通常為室溫或者35 ℃[6-8]。部分學者研究了pH對6082鋁合金應力腐蝕性能的影響,發現6082鋁合金在中性環境下的抗應力腐蝕性能較好[9]。總體而言,6082鋁合金母材及焊縫在Cl-環境下均表現了較為優異的抗應力腐蝕性能。溫度在腐蝕的發生和發展過程中極為重要,影響了6082鋁合金氧元素含量、電極反應速率等重要參數,隨著溫度的升高,鋁合金的應力腐蝕敏感性增大[10-15]。6082鋁合金結構件的服役環境復雜,研究其在極限服役溫度下的抗應力腐蝕性能尤為必要。

筆者采用慢應變速率拉伸方法,研究了不同溫度下6082鋁合金的應力腐蝕行為,為6082鋁合金的進一步應用提供了數據支持。

1 試驗材料及方法

試驗材料為4 mm厚的6082鋁合金板材,熱處理狀態為T6態,其化學成分如表1所示。

表1 試驗材料的化學成分 %

在鋁板截面取樣,對試樣進行磨制、拋光處理,并采用混合酸水溶液腐蝕試樣,然后在光學顯微鏡下觀察。根據GB/T 15970.7—2017 《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第7部分：慢應變速率試驗》及HB 7235—95 《慢應變速率應力腐蝕試驗方法》,采用慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗機對材料進行慢應變速率拉伸試驗,以評價材料的應力腐蝕敏感性,試樣工作段的標距為25 mm,寬度為7 mm,厚度為板材原始厚度,垂直于軋制方向取樣,應變速率為10-6/s,試驗條件為(50±2) ℃和(70±2) ℃的干燥空氣和3.5%(體積分數,下同)NaCl溶液,溶液的pH均為中性(6.5～7.2),每種環境下對試樣進行3次試驗,取平均值。采用式(1),(2)評價材料的應力腐蝕敏感性,比值和ISSRT(應力腐蝕敏感性指數)均為0～1,其中比值越小,ISSRT越大,表明應力腐蝕敏感性越大。

(1)

(2)

式中：Rm為試樣在試驗環境下的抗拉強度;R′m為試樣在干燥空氣環境下的抗拉強度;A為試樣在試驗環境下的斷后伸長率;A′為試樣在干燥空氣環境下的斷后伸長率。

透射電鏡(TEM)試樣經機械預減薄后雙噴穿孔而成,電解液為5%硝酸和75%甲醇混合液,采用液氮冷卻溶液,試樣制備溫度低于-20 ℃;采用光學顯微鏡觀察試樣的顯微組織,加速電壓為200 kV;采用掃描電鏡(SEM)觀察試樣的斷口,加速電壓為20 kV。

2 試驗結果

2.1 顯微組織分析

圖1為6082鋁合金的顯微組織形貌,可見6082鋁合金晶粒大小不一,整體呈拉長狀分布。

圖1 6082鋁合金顯微組織形貌

圖2為6082鋁合金的TEM形貌,可見合金晶內彌散分布著大量針狀Mg2Si強化相,晶界上析出少量斷續分布的Mg2Si相,未觀察到明顯的晶界沉淀析出帶。

圖2 6082鋁合金的TEM形貌

2.2 慢應變速率拉伸性能

6082鋁合金在不同溫度(70 ℃和50 ℃)下的慢應變速率拉伸試驗結果如表2所示。由表2可知：在70 ℃條件下,試樣在3.5%NaCl溶液與干燥空氣中斷裂時間的比值和斷后伸長率的比值均大于95%,抗拉強度的比值僅為93.1%,ISSRT為6.6%,超過了5%;在50 ℃條件下,試樣在3.5%NaCl溶液與干燥空氣中的各項力學性能比值均大于95%,ISSRT為2.3%。在相同介質環境下,隨著溫度的升高,拉伸時間和斷后伸長率增大,抗拉強度減小,在70 ℃條件下,試樣在3.5% NaCl溶液中抗拉強度的下降幅度遠大于空氣中。說明6082鋁合金在70 ℃,3.5%NaCl溶液中存在一定的應力腐蝕敏感性,在50 ℃,3.5%NaCl溶液中對應力腐蝕不敏感。

表2 6082鋁合金試樣在70 ℃和50 ℃下的慢應變速率拉伸試驗結果

2.3 斷口分析

經慢應變速率拉伸試驗后,各試樣斷口的SEM分析結果如圖3所示。由圖3可知：在不同環境下,試樣斷口形貌相差不大,中心區域均呈韌窩特征,表面區域均呈剪切韌窩特征,未觀察到脆性特征和二次裂紋,表明6082鋁合金在兩種溫度下均無應力腐蝕敏感性。

圖3 慢應變速率拉伸試驗后試樣斷口的SEM形貌

3 綜合分析

鋁合金表面存在一層致密的Al2O3鈍化膜,可有效阻擋腐蝕環境的侵蝕,鈍化膜致密性直接影響合金的耐腐蝕性。試驗合金中Mg元素和Si元素的質量比為0.86,Si元素含量較多,因此,材料除了形成強化相Mg2Si外,還形成了AlFeMnSi以及單質Si粒子。鈍化膜的質量與膜層下方金屬的狀態有關,晶界和晶內的化學成分存在差異,其膜層性能也存在差異,使鋁合金在混合酸溶液中腐蝕時晶界優先顯現。晶界局部區域析出了Mg2Si粒子,Mg2Si的自腐蝕電位為-1.16 V(飽和汞電極),Al基體的自腐蝕電位為-0.78 V(飽和汞電極),晶內或晶界局部區域析出了含AlFeMnSi的第二相粒子,自腐蝕電位正于Al基體,這些區域的粒子與基體的化學特性存在差異,導致鈍化膜性質存在差異,主要表現為鈍化膜變薄,致密性變差。在Cl-環境下,試樣表面局部區域會形成微電池,即含有上述第二相粒子處成為陽極,而其周邊鈍化膜性能較好區域成為陰極,陽極發生溶解[16],局部區域開始形成細小的點蝕坑。在應力作用下,點蝕坑底部開始形成微裂紋,若點蝕處位于晶界,會導致裂紋迅速沿晶擴展,材料表現為應力腐蝕敏感性。

由上述試驗結果可以看出,6082鋁合金板材在70 ℃下的ISSRT為6.6%,在50 ℃下的ISSRT為2.3%,隨著溫度的升高,ISSRT明顯增大,原因是腐蝕溶液中強度下降幅度較大,造成ISSRT增大。掃描電鏡分析結果顯示,試樣中未觀察到應力腐蝕裂紋和脆性特征,結合ISSRT僅為6.6%,接近5%,表明在兩種溫度下,材料在中性3.5%NaCl溶液中均不存在應力腐蝕敏感性。由TEM分析結果可知,晶內析出彌散分布的Mg2Si相,拉伸變形過程中主要是位錯繞過機制,不易形成微裂紋[17]。沿晶析出的Mg2Si相尺寸較小且不連續,未見明顯的沉淀析出帶,在拉應力作用下,不能形成連續的沿晶腐蝕通道,因此,材料具有較好的抗應力腐蝕性能。

在中性環境下,原電池陰極主要發生吸氧腐蝕,與陽極溶解擴散到陰極附近的陽離子結合,生成絮狀腐蝕產物Al(OH)3。隨著溫度升高,溶液中氧元素含量下降,一方面降低了鈍化膜形成速率,另一方面削弱了吸氧腐蝕,擴散系數增大,提高了Cl-的活性,在整個試樣表面同時發生原電池反應,此時陰極反應中析氫反應比例大幅增加,使鋁合金表面發生一定程度的均勻減薄,導致試樣承載力下降。

4 結論

(1) 在3.5%NaCl溶液中,當溫度為70 ℃時,6082鋁合金試樣的ISSRT為6.6%,當溫度為50 ℃時,6082鋁合金試樣的ISSRT為2.3%,試樣斷口均無應力腐蝕特征,材料在兩種溫度下的3.5%NaCl溶液中均無應力腐蝕敏感性。

(2) 6082鋁合金晶內析出彌散分布的細小Mg2Si相,晶界析出了不連續分布的Mg2Si相,不能形成連續的沿晶腐蝕通道,表現為較高的抗應力腐蝕性能。

(3) 溫度升高導致試樣在腐蝕溶液中的抗拉強度下降幅度較大,使其ISSRT偏大。