LY12CZ铝合金在人工海水中的腐蚀疲劳裂纹扩展行为

黄小光，王黎明，曹宇光

（中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院，青岛266580）

0 引 言

腐蚀疲劳是金属材料在循环或随机交变应力与腐蚀介质的联合作用下发生脆性断裂的过程。许多工程结构，诸如海洋钢结构、石油化工设备、飞机等，其服役环境均存在不同程度的腐蚀介质。在交变应力的作用下，腐蚀性环境会显著降低材料的断裂韧性，加快疲劳裂纹的形成及扩展，大幅缩短工程结构的使用寿命[1-4]。在腐蚀疲劳过程中，裂纹形成时间一般远远小于裂纹扩展时间，所以腐蚀疲劳裂纹扩展的规律是结构设计与使用的重要考虑指标，也是为腐蚀环境中结构损伤容限设计的基础。腐蚀疲劳裂纹扩展过程是一个极其复杂的力学、电化学过程，根据材料、腐蚀环境的差异，腐蚀环境促进裂纹扩展的机理主要体现为阳极溶解[5-6]、氢脆[7-9]、裂纹间隙的质量传输[10-11]等。同时腐蚀介质、温度、显微组织和载荷参数等因素均能显著影响裂纹扩展速率[12-14]。

LY12CZ铝合金作为一种性能优越的高强度材料，在航空、海洋工程领域得到广泛应用[15]。由于服役环境常具有腐蚀性，材料在腐蚀性环境中的裂纹扩展行为引起研究人员的关注[16]。李旭东等[17]借助扫描电镜及能谱分析技术对LY12CZ铝合金腐蚀疲劳断口进行了研究，分析了合金中微量元素对腐蚀疲劳断裂过程的影响；Zhang等[18]通过LY12CZ铝合金中心裂纹拉伸试验，建立了腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型，并采用AFGROW软件对腐蚀疲劳裂纹扩展过程进行了模拟；Wang[19]利用LY12CZ 铝合金CT试样腐蚀疲劳试验，提出了裂纹扩展的腐蚀-钝化-断裂模型，并对比分析了应力比、载荷频率对裂纹扩展速率的影响；张波等[20]采用单边缺口试样，研究了频率对LY12CZ铝合金在3.5 % NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。但以上绝大多数研究均停留在试验规律的摸索、总结方面，缺少对腐蚀环境促进疲劳裂纹扩展机理的研究。为研究腐蚀环境促进LY12CZ铝合金疲劳裂纹扩展的机理，作者采用三点弯曲腐蚀疲劳裂纹扩展试验，分析了载荷频率、应力比以及溶液pH对LY12CZ铝合金在人工海水中裂纹扩展速率的影响，同时借助扫描电镜观察断口形貌，对腐蚀环境加速裂纹扩展的机制进行了深入的探讨。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验材料为LY12CZ铝合金板，热处理状态为淬火加自然时效，淬火温度为495～503℃。LY12CZ铝合金的化学成分（质量分数/%）：4.3Cu，1.5Mg，0.6Mn，0.3Zn，0.5Si，0.5Fe,余Al，基本力学性能如表1所示。试验所选试样为标准三点单边开槽弯曲试样SE（B），试样取向为TL，在试样上预制长度为2 mm的裂纹，尺寸如图1所示[21-22]。

表1 LY12CZ铝合金的力学性能Tab.1 Mechanical properties of LY12CZ aluminum alloy

1.2 试验方法

图1 SE（B）标准试样尺寸Fig.1 SE(B) standard specimen and size

腐蚀疲劳试验在MTS809-5kN 型电液伺服疲劳试验机上按照GB/T 6398—2000进行，自制试样上、下夹具与有机玻璃腐蚀溶液箱，腐蚀溶液箱盛放人工海水（质量分数3.5%NaCl溶液），为防止海水渗漏，对试样下夹具与腐蚀溶液箱进行密封处理，同时对下夹具采取防腐处理。

疲劳试验机采用恒幅加载方式，波形为正弦波。预制疲劳裂纹时最大载荷的误差控制在以内。为研究载荷频率、应力比以及溶液pH影响，裂纹扩展试验加载频率f分别取1，5，10 Hz，应力比R分别取0.1，0.3，0.5，人工海水的pH分别取7.0，5.0，3.0（通过质量分数5%的H2SO4溶液调节）。在试验过程中，用XPT-7型光学显微镜测量裂纹长度，并记录相应的循环数，直到试样断裂为止。所有试验均在室温下进行。试验结束后，用S-4800型扫描电镜观察试样断口形貌。采用递增多项式方法进行局部拟合求导来处理试验数据[23]。同样条件下，在空气中进行疲劳试验作为对比。

2 试验结果与讨论

2.1 人工海水对裂纹扩展速率的影响

由图2可知，LY12CZ合金在人工海水（pH为7.0）中裂纹扩展速率要远高于空气中的扩展速率，腐蚀环境对合金裂纹扩展的加速作用非常显著。空气、海水中裂纹扩展速率均随应力强度因子幅值ΔK不断增大，ΔK为控制LY12CZ铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展宏观规律的主要因素。

图2 LY12CZ铝合金在空气与pH=7.0的人工海水中的疲劳裂纹扩展速率Fig.2 Crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy in air and seawater with pH of 7

由图3可以看出，人工海水pH对裂纹扩展速率影响非常显著，pH越低，酸性越强，裂纹扩展速率越高。强酸性会促进裂尖新生金属的阳极溶解，更为重要的是氢离子与金属材料发生置换反应，生成氢气吸附在裂尖表面，并通过扩散作用进入裂尖塑性区，造成氢损伤，大大加速裂纹扩展。

图3 人工海水pH对LY12CZ 铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.3 The effect of pH value of artificial seawater on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.2 载荷频率对裂纹扩展速率的影响

由图4可见，载荷频率对LY12CZ铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率有明显的影响，腐蚀疲劳裂纹扩展速率随循环载荷频率上升而不断下降。因为载荷频率越低，每个循环周期内裂纹尖端新生材料与腐蚀环境的相互作用越为充分，裂尖材料腐蚀损伤越严重，加速了腐蚀疲劳裂纹的扩展。

图4 循环载荷频率对LY12CZ铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.4 The effect of frequency of cyclic loading on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.3 应力比对裂纹扩展速率的影响

由图5可知，不同应力比下，LY12CZ铝合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率随ΔK的增大不断增加。但是，在低水平区域，裂纹扩展速率出现较为明显的门槛值特征。在近门槛值区域，应力比对裂纹扩展速率影响显著，裂纹扩展速率随应力比的增大而不断升高。但是，应力比对中高ΔK水平区域裂纹扩展速率的影响逐渐降低。可以认为，应力比主要影响近门槛值区域的腐蚀疲劳裂纹扩展[24]。

图5 应力比对LY12CZ 铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响Fig.5 The effect of stress ratio on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.4 影响机理

从图6可以看出，在中性环境中，试样断口阳极溶解产生的点蚀非常明显，裂尖阳极溶解对加速裂纹扩展起主要作用。裂尖阳极溶解的Al3+通过水解，使裂尖溶液呈酸性。酸性溶液中裂尖表面氧化膜很不稳定，使裂尖反复出现新生金属，新生金属不断溶解促进裂纹扩展。随着频率的上升，载荷周期内腐蚀损伤减弱，点蚀大小、深度均有所减弱。

酸性溶液中试样断口上有较为清晰的疲劳辉纹，同时还出现一些絮状的反应产物，如图6（b）、（d）、（f）所示。酸性溶液中氢离子与金属置换反应使得氢在裂纹尖端不断聚集（析氢反应）并吸附在裂尖表面，使裂尖金属脆化从而促进裂纹的扩展。同时，对比图6（a），（b）可以发现，中性环境中阳极溶解对裂纹扩展起主导作用，然而，随着溶液pH降低，酸性增强，阳极溶解被抑制，析氢反应逐渐主导裂纹扩展过程[25-26]。

3 结 论

（1）人工海水能显著提高LY12CZ合金疲劳裂纹扩展速率；疲劳载荷频率越低，循环周期内裂尖新生金属与腐蚀环境作用越充分，裂纹扩展速率越高；应力比主要影响近门槛值区的腐蚀疲劳裂纹扩展，对中高水平区域的裂纹扩展速率没有显著影响；在近门槛区，相同水平下应力比越高，裂纹扩展速率越高；人工海水pH对裂纹扩展速率影响非常明显，酸性越强，裂纹扩展速率越高。

图7 不同试验条件下LY12CZ 铝合金断口的SEM形貌Fig.7 SEM fractography of LY12CZ aluminum alloy in different experimental conditions

（2）中性海水中，裂尖阳极溶解对疲劳裂纹的加速扩展起主导作用；但是，随着海水酸性增大这种主导作用逐渐减弱，被析氢反应代替；酸性海水中氢离子与新生金属的裂尖氢置换反应造成裂尖材料氢脆，从而大幅提高腐蚀疲劳裂纹扩展速率。

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