进口和国产A7N01S铝合金型材抗应力腐蚀性能的比对

谭 柯，黄 珂，石杰文，2，罗书径，2，付东阳，刘文军

(1.湖南省产商品质量监督检验研究院，湖南 长沙 410007；2.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083)

A7N01S(日本牌号)铝合金属Al-Zn-Mg系合金，具有良好的力学性能、抗腐蚀性能、热稳定性和较好的焊接性能，以及很好的挤压性能和在线淬火性，可以挤压成各种复杂的大型薄壁空心型材，被广泛地用作高速列车、地铁列车、城市轻轨车、汽车的车体材料[1-2]。铝合金在列车上的应用大大减轻了车身的重量，提高了车辆的运行速度，带来了较大的经济效益和社会效益。但是，铝合金构件在服役过程中存在应力腐蚀敏感性问题。通常，材料的强度越高，其应力腐蚀敏感性越严重，甚至出现应力腐蚀断裂等严重损坏现象，应力腐蚀的存在影响了铝合金的使用性能，给应用带来了安全隐患[3-5]。

本课题选取进口和国产两种合金成分与初始组织稍有差异的A7N01S铝合金型材，在3.5%浓度的NaCl溶液中进行应力腐蚀试验，研究该合金抗应力腐蚀性能变化规律与对应的微观机制，探讨合金组织对其应力腐蚀行为及力学性能的影响，揭示具有优异抗应力腐蚀性能的A7N01S铝合金型材的初始多相组织特征。

1 试验材料与方法

分别选取来自山东丛林铝业公司生产的和日本进口的合金成分与初始组织稍有差异的两种A7N01S铝合金T5状态型材进行研究，分别标记为CL型材和JP型材，其化学成分如表1所示。

表1 CL型材和JP型材试样化学成分检测结果(质量分数/%)

沿型材的挤压方向和垂直挤压方向取试样进行恒载荷应力腐蚀拉伸试验，试验步骤按照国际GB/T 15970.4-2000进行，取样部位如图1所示。

图1 恒载荷拉伸试验取样示意图

以JP型材在实验室空气环境中拉伸试验测得的屈服强度Rp0.2的0.75倍为加载应力值，选取浓度为3.5%NaCl的水溶液为腐蚀介质，若加载15 d以后试样未断，则将该试样卸载后清洗表面再进行拉伸性能检测试验。用该试样测得的力学性能值与常规试样在拉伸试验测得的强度、伸长率作比较，来表征被测材料的应力腐蚀开裂敏感性。

采用MX3000型金相显微镜进行各试样的金相组织观察，取样如图2所示，选取部位2观察金相组织；采用FEI-Sirion 200型场发射扫描电子显微镜观察和分析各试样的微观组织及试样的拉伸断口；透射电镜组织分析在FEI TECNAI G220分析电镜上进行，观察试样中析出相粒子的形貌、大小、分布及晶内晶界析出状态等。

图2 金相组织试样取样示意图

2 试验结果

2.1 应力腐蚀后的性能变化

在应力腐蚀试验中所有试样在加载15 d内均未发生断裂。表2为试样应力腐蚀前后的力学性能及冲击韧性统计表，-90表示垂直挤压方向，-0表示平行挤压方向。从表2可以看出，未经应力腐蚀时，就伸长率和冲击韧性而言，CL型材的各向异性比JP型材的更大。

试样经15 d恒载荷应力腐蚀后，两种型材的力学性能和冲击韧性都有一定的下降。从表2可以看出，应力腐蚀对CL型材的伸长率性能具有较大影响，CL-0试样和CL-90试样的伸长率的下降程度分别为26.4%和29.7%。在冲击韧性方面，JP-0试样的下降程度不大(19.68%)，仍然有60 J/cm2；JP-90试样的下降程度最小(9.38%)，仅下降了5.4 J/cm2；CL-90试样的下降程度居中(16.84%)，CL-0试样的冲击韧性下降程度最大(30.99%)，只有50.1 J/cm2。即无论是在平行于挤压方向取样还是在垂直于挤压方向取样，JP型材的冲击韧度都比CL型材的大一些，且应力腐蚀后的冲击韧性损失率较小。拉伸和冲击试验结果表明，应力腐蚀对JP型材的塑性影响较CL型材的小一些。

表2 JP型材和CL型材试样的力学性能及冲击韧性

2.2 应力腐蚀后的组织演变

图3为试样应力腐蚀前后截面在内外侧的金相组织照片。

图3 各试样边缘金相组织照片

在沿挤压方向，两种型材都存在粗晶环，其中JP型材的粗晶环深度较小，平均深度约为18.6 μm(图3a)；CL型材的粗晶环深度稍大，平均深度约为19.5 μm(图3b)。两种型材试样经应力腐蚀后都存在一些腐蚀坑，其中，JP-0试样(图3c)只能观察到一些点蚀坑；JP-90试样(图3d)的腐蚀坑最大宽度和最大深度分别为26.3 μm和10.8 μm；CL-0试样(图3e)的腐蚀坑最大宽度和最大深度分别为22.7 μm和12.6 μm，而CL-90试样(图3f)的腐蚀坑最大宽度和最大深度分别为35.1 μm和23.5 μm，已经深入到次表层晶粒。从图3可看出，CL-90试样受到的应力腐蚀影响最严重，其次是CL-0试样和JP-90试样，JP-0试样受到的腐蚀相对最轻。

2.3 试样的断口组织

图4为各试样经应力腐蚀后再做室温拉伸性能测试的断口扫描照片。JP-0试样的拉伸断口呈现典型的韧性断裂特征，断口上分布着大量的韧窝，韧窝较深，且尺寸较均匀，部分大韧窝之间还布满了小韧窝，相互交替分布(见图4a)，这表明JP-0试样的塑性较高。JP-90试样和CL-0试样的拉伸断口也呈现韧性断裂特征，断口上存在较多的韧窝以及部分撕裂棱(见图4b、c)，与JP-0试样的断口相比，该区域韧窝较浅，大小不均，并且撕裂棱较JP-0试样的明显。CL-90试样拉伸断口中分布着一定数量的韧窝、撕裂棱以及大量平坦的“类解离”小平面(见图4d)，该区域内韧窝数量最少，并且撕裂棱最多，断口呈现韧窝型和准解离的混合断裂特征。

图4 各试样经应力腐蚀后的拉伸测试断口

图5为4组试样经应力腐蚀后再做室温冲击韧性测试的断口扫描照片。JP-0试样的冲击断口呈现典型的韧性断裂特征，断口上分布着大量的韧窝，韧窝较深，且尺寸较均匀，部分大韧窝之间还布满了小韧窝，相互交替分布，韧窝内第二相粒子发生了破碎(图5a)，这表明JP-0试样的塑性变形能力较强，在断裂过程中能够吸收较多的能量，因而冲击吸收功和冲击韧性都最大。JP-90试样的冲击断口(图5b)与JP-0试样的相比，断口处韧窝较浅，大小不均匀，并且撕裂棱较JP-0试样的更明显一些，因此冲击吸收功和冲击韧性均比JP-0试样的低。根据断口处韧窝形貌和数量以及撕裂棱数量，CL-0试样和CL-90试样的韧性较JP-0试样的依次降低，其中CL-90试样的冲击吸收功和冲击韧性均最低。

图6为JP型材和CL型材试样的TEM照片。表3为JP型材和CL型材的晶内及晶界析出相的统计表。可以看出，JP型材的晶内析出相主要由少量η′相和大量的η相组成[8]，这些析出相尺寸粗大，约为3 nm～15 nm；JP型材的晶界第二相更加粗大，约为22 nm～45 nm，呈明显的不连续状，晶界无沉淀析出带(PFZ)较宽，约为100 nm；而CL型材中，晶界上的第二相尺寸较小，约为13 nm～35 nm，呈链状部分连续分布，PFZ较窄，约为45 nm。CL型材的晶内析出相主要由少量GP区和大量的η'相组成，这些析出相尺寸较细小，约为2 nm～8 nm，且分布比JP型材的析出相更均匀。

表3 JP型材和CL型材的析出相尺寸对比

图6 JP型材和CL型材的TEM照片

3 讨 论

3.1 两种型材力学性能和冲击韧性差异的分析

粗晶环是铝合金挤压制品周边上形成的环状粗大晶粒区域(如图3所示)，是挤压制品的一种组织缺陷，产生粗晶环的原因主要是再结晶，粗晶环的存在使合金制品的力学性能、冲击韧性和耐腐蚀性能等性能降低[9]。另外，合金制品的力学性能也受晶内组织的影响，变形时，细小的时效析出相(GP区和η′相)和位错发生作用，位错切过这些析出相，虽然位错初始运动所要克服的阻碍力非常大，但一旦这些析出相被切过，对后续位错的阻碍作用将大大降低，位错可以连续通过这些析出相，并在晶界产生塞积，导致晶界处应力集中和沿晶断裂；而晶内析出相为较粗大的η′相和η相时，位错切过它们的难度较大，只能以绕过的方式通过，甚至产生交滑移，使得变形更加均匀。因此JP型材具有更好的塑性，但由于JP型材的晶内析出相主要为较粗大的η′相和η相(见图6)，使得强度降低[10]。

3.2 两种型材抗应力腐蚀性能差异的分析

由于CL型材组织的晶内和晶界析出相尺寸小，其捕获自由原子氢的能力较低，使得自由原子氢容易扩散至晶界处聚集成氢分子，造成氢脆[11-12]；另外晶界析出相呈连续分布，这也促进了作为阳极的晶界析出相连续溶解，因而CL型材的抗应力腐蚀性能较差。JP型材组织的晶内析出相尺寸较大，其对自由原子氢的捕获能力相对提高，同时晶界析出相也呈不连续分布，这也降低了晶界析出相连续溶解倾向。因此在加载应力腐蚀浸泡相同时间后，CL型材试样的腐蚀比JP型材的更严重；同时腐蚀所产生的氢原子也可更加深入到金属内部，导致CL试样的拉伸强度、塑性尤其是冲击韧性大大降低。而JP型材组织的晶界第二相不连续析出状态可有效阻碍腐蚀通道的扩展，减小腐蚀的深度和发生腐蚀位置的数量[13]，这就相当于减少了材料表层缺口深度及数量，降低了缺口处的应力集中，减少了裂纹源数量。

3.3 两种型材力学性能和冲击韧性各向异性的分析

合金材料的各向异性与第二相粒子的各向异性有关，在JP型材和CL型材组织中含有大量未溶的AlFeMnCr、AlMnFeSi脆性相，它们以链状形式沿挤压方向分布，当裂纹扩展方向与第二相粒子排列方向一致时，裂纹扩展的阻力小，容易形成“断裂通道”，导致该方向的强度和冲击韧性较低，当裂纹扩展方向垂直于第二相粒子排列方向时，裂纹扩展遇到的阻力较大、容易向阻力小的挤压方向偏斜，这样提高了材料的强度、冲击韧性以及拉应力下的抗腐蚀性能[14]。

4 结 论

1)在A7N01S铝合金型材表层形成的粗晶环，使型材的力学性能、冲击韧性和耐腐蚀性能等性能降低，粗晶环尺寸越大，应力腐蚀后形成的腐蚀坑越大，对型材的性能影响越显著。

2)A7N01S铝合金型材的力学性能受析出相尺寸的影响。当析出相尺寸较小时，一方面，位错易在晶界塞积，引起应力集中，降低了合金的塑性变形能力；另一方面，较小的析出相又提高了合金的强度。

3)A7N01S铝合金型材的抗应力腐蚀能力受析出相尺寸和分布的影响。当晶内和晶界析出相尺寸较小时，对氢原子的捕获能力相对提高，导致应力腐蚀后性能下降严重；析出相在晶界处的不连续析出能有效阻碍腐蚀通道的扩展，从而减少了表面腐蚀裂纹的尺寸和数量，提高了型材在应力作用下的抗腐蚀能力。

4)A7N01S铝合金型材的各向异性受第二相分布的影响，当平行于挤压方向的试样受拉应力和冲击力时，裂纹扩展方向垂直于第二相粒子排列方向，裂纹扩展遇到较大阻力，提高了试样拉伸强度和冲击韧性，也使得其在拉应力的作用下，表现出更好的抗腐蚀性能。

5)进口的A7N01S铝合金型材因具有较小的粗晶环、较大且不连续的晶内和晶界析出相，使其具有更好的塑性和更优的抗应力腐蚀性能。