不同厚度铝合金试样的应力腐蚀开裂特性分析

涂凤娟

（西南石油大学材料科学与工程学院， 四川 成都 400020）

铝合金材料具有高强度、高韧性、力学性能优越的特点和良好的加工性能。微量Sc元素在铝合金材料中的应用，可以在细化晶粒、提升铝合金强度的基础上，提升这一材料的耐热性和可焊性。铝合金的焊接性能、含钪Al-Cu-Mg合金的纤维组织和取向对铝合金抗应力腐蚀开裂行为的影响等问题已经成为了学者所关注的问题。本文对不同厚度的铝合金试样的应力腐蚀开裂特征进行分析，可以为铝合金应力腐蚀断裂机制的深入研究提供一定的理论支持。

1 铝合金试样应力腐蚀开裂的主要影响因素

一般而言，金属材料应力腐蚀问题主要包含：材料本身的化学成分、组织结构的应力腐蚀敏感性；特定的腐蚀环境；装配应力和自身残余应力等内容[1]。阳极溶解理论和氢致开裂理论是目前学术界所接受的两种主要的应力腐蚀开裂理论。在对上述内容进行分析以后，可以发现，冶金因素、环境因素和应力因素是铝合金试样应力腐蚀开裂特征的主要影响因素。

1.1 冶金因素

冶金因素对铝合金试样应力腐蚀开裂特征的影响主要指的是热处理制度、合金化工艺等因素的影响。时效因素是高强铝合金热处理工艺中的核心要素。短时回归再时效处理技术的应用，可以在对晶界的析出相结构进行调整的基础上，对材料的应力腐蚀性能进行优化，通过添加微量元素的方式改变合金内部组织结构，也可以让合金的抗腐蚀应力性能得到提升。如Sc可以起到净化微结构、阻碍再结晶的作用。其与合金中的Al发生反应以后所形成的金属间化合物可以让合金拥有亚晶结构和精细纤维结构。

1.2 环境因素

铝合金材料中使用的一些敏感材料会在特定环境下出现应力腐蚀开裂问题。环境因素对铝合金应力腐蚀开裂特性的影响是外部因素对合金应力腐蚀敏感性的影响的表现。与之有关的环境因素包含了相对湿度、环境温度、腐蚀介质和溶液溶氧量等内容。Ph值有时也可以被看作是环境因素对应力腐蚀开裂特性的影响的表现。

1.3 应力因素

应力因素涉及到了合金的载荷类型、加载方向和应变速率等因素。加载方向对铝合金SCC敏感性的评价结果有着较为重要的影响。在不同厚度铝合金试样应力腐蚀开裂特征分析实验中，应变速率可以被看作是一种具有重要影响的参量。

2 应力腐蚀开裂特征实验研究方法

铝合金材料在实际应用过程中出现的应力腐蚀敏感性问题会导致应力腐蚀断裂等严重问题。从试验环境的角度来看，实验室试验和自然环境试验是应力腐蚀实验中所常用的两种研究方法。根据应力腐蚀试验标准的规定，铝合金试样的厚度为26 mm。但是从这一材料的实际应用情况来看，很多铝合金构建的壁厚度已经达到了40 mm。以厚度为40 mm和26 mm的铝合金试样为例，对不同厚度的铝合金试样的应力腐蚀开裂特性进行分析，可以为实验结果的科学性提供一定的保障。

2.1 实验室实验法

实验室实验法是建立在恒应变试样和慢应变试样基础上的腐蚀试验方法。在试验进行过程中，有学者利用双悬臂梁试验方法开展了实验室应力腐蚀实验，还有一些学者利用SSRT试样和恒载荷试样对高强铝合金应力腐蚀行为进行分析。现阶段我国在实验室应力腐蚀试验方面借鉴的是美国材料试验协会的相关试验标准。在试验过程中，试验人员需要在w（NaCl）=3.5%的中性溶液中开展连续浸润试验、周期浸润试验和连续盐雾实验[2]。由于这种电解质溶液的辅食机制与自然环境大气腐蚀过程中的腐蚀机制之间存在着一定的差异性，因而在不同厚度铝合金试样的应力腐蚀开裂试验的进行过程中，实验室试验结果并不能对试样在自然环境中的使用情况进行重现，试验结果也难以进行直接引用。

2.2 自然环境实验法

自然环境法也和双悬臂梁试验方法之间存在着一定的联系。这种实验方式具有着实验操作简单。环境条件与实际环境相接近的特点。目前我国已经在海洋环境和大气环境下开展了铝合金试样应力腐蚀实验。由于这一实验方式存在着试验周期长，环境因素的作用难以得到有效区分和试验结果重视性差的特点，因而在实际研究工作中，学者采用的是两种试验方式相结合的实验方法。例如一些国外学者利用实验室试验方式，开展了盐雾试验和周期浸润试验，与材料实际应用情况相似的自然环境暴露试验，并在对实验室试验结果和自然环境试验结果进行比较分析的基础上，对同种材料在不同环境下的抗应力腐蚀能力进行了分析。

3 应力腐蚀开裂分析实验

从铝合金试样应力腐蚀开裂试验的实际情况来看，国内学者也提出了这样的观点，单纯利用实验室试验进行试验的措施并不能对铝合金在实际环境中的应力腐蚀现行进行有效模拟。在对厚度为40 mm和厚度为26 mm的铝合金试样的应力腐蚀开裂特性进行分析的过程中，试验人员需要对2种厚度试样的应力腐蚀开裂门槛值进行确定，并要在此基础上，利用扫描电镜分析试样断裂表面的微观形貌。XRD技术和EDS技术是确定腐蚀产物组成成分的重要工具。在实验开展过程中，试验人员也需要对裂纹尖端pH和溶液溶解氧对铝合金材料应力腐蚀断裂过程的影响进行分析。

3.1 实验过程

2024-T351铝合金是应用于应力腐蚀开裂分析实验的理想材料。这种铝合金材料中包含有Si、Fe和Cu等多种金属元素。试样的取向为S-L取向和S-T取向。试样尺寸遵循的是应力腐蚀试验标准的相关规定。出于实验需要，试验工作中需要在2种厚度和2种取向基础上取3种不同平行试样，并在利用丙酮清洗试样以后，利用螺栓加载预制裂纹。在实验室试验环节，w（NaCl）为13.5%水溶液的温度在35～36℃之间。溶液的pH值在6～7之间。应力腐蚀试验期间的式样裂纹扩展长度用精度为0.001 mm的读数显微镜进行观测。在跟踪裂纹扩展阶段，2个裂面的裂纹取的是平均值。测氧仪用于测量试验过程中腐蚀溶液的溶解氧随腐蚀时间的变化情况。

如果试样的裂纹扩展速率在1×10-9cm·s-1以下，试验人员需要停止进行试验操作，并要利用液氮法将经过一定应力腐蚀周期的双悬臂梁铝合金试样进行冷冻开裂处理，进而让端口表面在室温下融化。这一措施可以为应力腐蚀断裂以后的试样裂纹尖端pH值测定工作提供帮助。在借助扫描电镜分析试样的应力腐蚀端口表面形貌的基础上，试验人员需要完成以下工作内容：借助EDS完成试样端口表面的成分分析；借助XRD技术开展腐蚀产物相分析工作；利用Mostovoy公式完成混凝土试样的应力腐蚀开裂门槛值的计算工作。以下内容为应力腐蚀开裂门槛值计算过程中所应用的公式：

式中：K1为裂纹长度为a时的裂纹尖端应力场强度；E为试样材料的弹性模量；V为加载变形前后的差值；h为试样半高；a为裂纹的长度。在门槛值的求取过程中，试验人员需要在断口长度为1/4、1/2和3/4处取3个不同值，以三者的平均长度为有效裂纹长度。

3.2 实验结果

从裂纹长度随应力腐蚀时间的变化情况和裂纹扩展速率随应力腐蚀时间的变化情况来看，裂纹长度与腐蚀时间之间在腐蚀过程中存在着一种类似于正相关的关系，随着时间的不断变化，裂纹的长度会表现出递增的特点。相比于裂纹长度与时间之间的关系，裂纹扩展速率与实践之间存在着负相关关系，它会随着时间的变化而不断下降。在不同厚度的铝合金试样在应力腐蚀初期，裂纹尖端应力具有着集中性的特点，由于这一时期新鲜的断裂表面暴露于实验室环境下的腐蚀溶液之中，因而试验人员在应力腐蚀初期会观察到溶蚀速度较快的特点。随着裂纹尖端应力的不断释放，在不断累积的腐蚀产物在裂纹尖端形成钝化膜以后，40 mm厚试样的裂纹扩展长度要长于26 mm试样的裂纹扩展长度。从门槛值计算结果来看，两种铝合金试样并没有表现出明显的差异[3]。

在实验室试验环境下，拉应力的作用会让铝合金试样的裂纹尖端的钝化膜出现破裂现象，新的铝合金材料表面与NaCl溶液接触以后所形成的阳极溶解反应会形成新的氢氧化铝腐蚀产物，这一实验现象在自然环境试验条件下也有所反映。根据自然环境实验法的对照结果，裂纹尖端pH值出现了酸化现象。经过对实验环境进行分析，这一现象是铝合金式样裂纹尖端出现的阳极溶解现象的产物，阳极溶解的产物与主体溶液之间行程的阳极体系是导致pH值酸化现象的重要因素。这样，从pH值的变化情况来看，应力作用下出现的钝化膜破裂问题会让铝合金试样的腐蚀速率有所增加，此时pH至会随着腐蚀速率的增加而增加，在应力腐蚀后期，腐蚀产物的堆积会让主体溶液的pH值表现出稳定化的特点，从总体上看，相比于26 mm厚的铝合金材料，40 mm厚的材料的腐蚀程度更为严重。

4 结语

冶金因素、环境因素和应力因素是铝合金试样应力腐蚀开裂特征的主要影响因素。在对厚度为40 mm和厚度为26 mm的铝合金试样的应力腐蚀开裂特性进行分析的过程中，试验人员需要对两种厚度试样的应力腐蚀开裂门槛值进行确定，并要在此基础上，利用扫描电镜分析银利服饰断裂表面的微观形貌。根据试验结果，应力腐蚀初期的腐蚀速度相对较快，在环境条件相近的情况下，厚板试样的裂纹尖端Ph酸化情况要高于薄板试样的Ph变化情况。

[1]杨青，朱立群，李卫平，等.不同厚度铝合金试样的应力腐蚀开裂特性研究[J].稀有金属，2014，38（4）：581-588.

[2]郝雪龙，孙泽明，刘建华.取向对含钪2124铝合金抗应力腐蚀开裂行为的影响[J].中国有色金属学报，2013，23（12）：3 294-3 301.

[3]赵鹏，苏艳.高强铝合金应力腐蚀开裂研究进展[J].装备环境工程，2016，13（1）：130-138.