不同温度下6082铝合金的抗应力腐蚀性能

王建军, 罗先甫, 刘 煜, 王 佳, 孙绪鲁, 查小琴,3

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司, 青岛 266031;2.中国船舶集团有限公司第七二五研究所, 洛阳 471023;3.河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室, 洛阳 471023)

6082铝合金具有质量小、强度中等、加工性能和焊接性能优良等优点,作为结构件广泛应用于高速列车、汽车、船舶、航空航天等领域。该合金表面通常会形成一层致密的钝化膜,在干燥环境下合金性能极为稳定,耐腐蚀性优良,但在潮湿环境下,尤其在含Cl-环境下,6082铝合金的腐蚀敏感性明显增大,可能产生点腐蚀、晶间腐蚀等局部腐蚀,在应力作用下甚至发生应力腐蚀失效[1]。国内外学者对6082铝合金的腐蚀行为进行了大量研究[2-5],其中应力腐蚀研究主要针对相对薄弱的焊缝区域,试验温度通常为室温或者35 ℃[6-8]。部分学者研究了pH对6082铝合金应力腐蚀性能的影响,发现6082铝合金在中性环境下的抗应力腐蚀性能较好[9]。总体而言,6082铝合金母材及焊缝在Cl-环境下均表现了较为优异的抗应力腐蚀性能。温度在腐蚀的发生和发展过程中极为重要,影响了6082铝合金氧元素含量、电极反应速率等重要参数,随着温度的升高,铝合金的应力腐蚀敏感性增大[10-15]。6082铝合金结构件的服役环境复杂,研究其在极限服役温度下的抗应力腐蚀性能尤为必要。

笔者采用慢应变速率拉伸方法,研究了不同温度下6082铝合金的应力腐蚀行为,为6082铝合金的进一步应用提供了数据支持。

1 试验材料及方法

试验材料为4 mm厚的6082铝合金板材,热处理状态为T6态,其化学成分如表1所示。

表1 试验材料的化学成分 %

在铝板截面取样,对试样进行磨制、抛光处理,并采用混合酸水溶液腐蚀试样,然后在光学显微镜下观察。根据GB/T 15970.7—2017 《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分：慢应变速率试验》及HB 7235—95 《慢应变速率应力腐蚀试验方法》,采用慢应变速率拉伸应力腐蚀试验机对材料进行慢应变速率拉伸试验,以评价材料的应力腐蚀敏感性,试样工作段的标距为25 mm,宽度为7 mm,厚度为板材原始厚度,垂直于轧制方向取样,应变速率为10-6/s,试验条件为(50±2) ℃和(70±2) ℃的干燥空气和3.5%(体积分数,下同)NaCl溶液,溶液的pH均为中性(6.5～7.2),每种环境下对试样进行3次试验,取平均值。采用式(1),(2)评价材料的应力腐蚀敏感性,比值和ISSRT(应力腐蚀敏感性指数)均为0～1,其中比值越小,ISSRT越大,表明应力腐蚀敏感性越大。

(1)

(2)

式中：Rm为试样在试验环境下的抗拉强度;R′m为试样在干燥空气环境下的抗拉强度;A为试样在试验环境下的断后伸长率;A′为试样在干燥空气环境下的断后伸长率。

透射电镜(TEM)试样经机械预减薄后双喷穿孔而成,电解液为5%硝酸和75%甲醇混合液,采用液氮冷却溶液,试样制备温度低于-20 ℃;采用光学显微镜观察试样的显微组织,加速电压为200 kV;采用扫描电镜(SEM)观察试样的断口,加速电压为20 kV。

2 试验结果

2.1 显微组织分析

图1为6082铝合金的显微组织形貌,可见6082铝合金晶粒大小不一,整体呈拉长状分布。

图1 6082铝合金显微组织形貌

图2为6082铝合金的TEM形貌,可见合金晶内弥散分布着大量针状Mg2Si强化相,晶界上析出少量断续分布的Mg2Si相,未观察到明显的晶界沉淀析出带。

图2 6082铝合金的TEM形貌

2.2 慢应变速率拉伸性能

6082铝合金在不同温度(70 ℃和50 ℃)下的慢应变速率拉伸试验结果如表2所示。由表2可知：在70 ℃条件下,试样在3.5%NaCl溶液与干燥空气中断裂时间的比值和断后伸长率的比值均大于95%,抗拉强度的比值仅为93.1%,ISSRT为6.6%,超过了5%;在50 ℃条件下,试样在3.5%NaCl溶液与干燥空气中的各项力学性能比值均大于95%,ISSRT为2.3%。在相同介质环境下,随着温度的升高,拉伸时间和断后伸长率增大,抗拉强度减小,在70 ℃条件下,试样在3.5% NaCl溶液中抗拉强度的下降幅度远大于空气中。说明6082铝合金在70 ℃,3.5%NaCl溶液中存在一定的应力腐蚀敏感性,在50 ℃,3.5%NaCl溶液中对应力腐蚀不敏感。

表2 6082铝合金试样在70 ℃和50 ℃下的慢应变速率拉伸试验结果

2.3 断口分析

经慢应变速率拉伸试验后,各试样断口的SEM分析结果如图3所示。由图3可知：在不同环境下,试样断口形貌相差不大,中心区域均呈韧窝特征,表面区域均呈剪切韧窝特征,未观察到脆性特征和二次裂纹,表明6082铝合金在两种温度下均无应力腐蚀敏感性。

图3 慢应变速率拉伸试验后试样断口的SEM形貌

3 综合分析

铝合金表面存在一层致密的Al2O3钝化膜,可有效阻挡腐蚀环境的侵蚀,钝化膜致密性直接影响合金的耐腐蚀性。试验合金中Mg元素和Si元素的质量比为0.86,Si元素含量较多,因此,材料除了形成强化相Mg2Si外,还形成了AlFeMnSi以及单质Si粒子。钝化膜的质量与膜层下方金属的状态有关,晶界和晶内的化学成分存在差异,其膜层性能也存在差异,使铝合金在混合酸溶液中腐蚀时晶界优先显现。晶界局部区域析出了Mg2Si粒子,Mg2Si的自腐蚀电位为-1.16 V(饱和汞电极),Al基体的自腐蚀电位为-0.78 V(饱和汞电极),晶内或晶界局部区域析出了含AlFeMnSi的第二相粒子,自腐蚀电位正于Al基体,这些区域的粒子与基体的化学特性存在差异,导致钝化膜性质存在差异,主要表现为钝化膜变薄,致密性变差。在Cl-环境下,试样表面局部区域会形成微电池,即含有上述第二相粒子处成为阳极,而其周边钝化膜性能较好区域成为阴极,阳极发生溶解[16],局部区域开始形成细小的点蚀坑。在应力作用下,点蚀坑底部开始形成微裂纹,若点蚀处位于晶界,会导致裂纹迅速沿晶扩展,材料表现为应力腐蚀敏感性。

由上述试验结果可以看出,6082铝合金板材在70 ℃下的ISSRT为6.6%,在50 ℃下的ISSRT为2.3%,随着温度的升高,ISSRT明显增大,原因是腐蚀溶液中强度下降幅度较大,造成ISSRT增大。扫描电镜分析结果显示,试样中未观察到应力腐蚀裂纹和脆性特征,结合ISSRT仅为6.6%,接近5%,表明在两种温度下,材料在中性3.5%NaCl溶液中均不存在应力腐蚀敏感性。由TEM分析结果可知,晶内析出弥散分布的Mg2Si相,拉伸变形过程中主要是位错绕过机制,不易形成微裂纹[17]。沿晶析出的Mg2Si相尺寸较小且不连续,未见明显的沉淀析出带,在拉应力作用下,不能形成连续的沿晶腐蚀通道,因此,材料具有较好的抗应力腐蚀性能。

在中性环境下,原电池阴极主要发生吸氧腐蚀,与阳极溶解扩散到阴极附近的阳离子结合,生成絮状腐蚀产物Al(OH)3。随着温度升高,溶液中氧元素含量下降,一方面降低了钝化膜形成速率,另一方面削弱了吸氧腐蚀,扩散系数增大,提高了Cl-的活性,在整个试样表面同时发生原电池反应,此时阴极反应中析氢反应比例大幅增加,使铝合金表面发生一定程度的均匀减薄,导致试样承载力下降。

4 结论

(1) 在3.5%NaCl溶液中,当温度为70 ℃时,6082铝合金试样的ISSRT为6.6%,当温度为50 ℃时,6082铝合金试样的ISSRT为2.3%,试样断口均无应力腐蚀特征,材料在两种温度下的3.5%NaCl溶液中均无应力腐蚀敏感性。

(2) 6082铝合金晶内析出弥散分布的细小Mg2Si相,晶界析出了不连续分布的Mg2Si相,不能形成连续的沿晶腐蚀通道,表现为较高的抗应力腐蚀性能。

(3) 温度升高导致试样在腐蚀溶液中的抗拉强度下降幅度较大,使其ISSRT偏大。