不同溫度下6082鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能

   6082鋁合金具有質(zhì)量小、強(qiáng)度中等、加工性能和焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn),作為結(jié)構(gòu)件廣泛應(yīng)用于高速列車、汽車、船舶、航空航天等領(lǐng)域。該合金表面通常會(huì)形成一層致密的鈍化膜，在干燥環(huán)境下合金性能極為穩(wěn)定，耐腐蝕性優(yōu)良，但在潮濕環(huán)境下，尤其在含Cl-環(huán)境下，6082鋁合金的腐蝕敏感性明顯增大，可能產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕等局部腐蝕，在應(yīng)力作用下甚至發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)6082鋁合金的腐蝕行為進(jìn)行了大量研究，其中應(yīng)力腐蝕研究主要針對(duì)相對(duì)薄弱的焊縫區(qū)域，試驗(yàn)溫度通常為室溫或者35℃。部分學(xué)者研究了pH對(duì)6082鋁合金應(yīng)力腐蝕性能的影響，發(fā)現(xiàn)6082鋁合金在性環(huán)境下的抗應(yīng)力腐蝕性能較好?？傮w而言，6082鋁合金母材及焊縫在Cl-環(huán)境下均表現(xiàn)了較為優(yōu)異的抗應(yīng)力腐蝕性能。溫度在腐蝕的發(fā)生和發(fā)展過程中極為重要，影響了6082鋁合金氧元素含量、電極反應(yīng)速率等重要參數(shù)，隨著溫度的升高，鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感性增大。6082鋁合金結(jié)構(gòu)件的服役環(huán)境復(fù)雜，研究其在極限服役溫度下的抗應(yīng)力腐蝕性能尤為必要。

      研究人員采用慢應(yīng)變速率拉伸方法，研究了不同溫度下6082鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為，為6082鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。

1、試驗(yàn)材料及方法

     試驗(yàn)材料為4mm厚的6082鋁合金板材，熱處理狀態(tài)為T6態(tài)，其化學(xué)成分如表1所示。

     在鋁板截面取樣,對(duì)試樣進(jìn)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(xué)顯微鏡下觀察。根據(jù)GB/T 15970.7—2017 《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》及HB 7235—95《慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法》，采用慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料進(jìn)行慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，試樣工作段的標(biāo)距為25mm，寬度為7mm，厚度為板材原始厚度，垂直于軋制方向取樣，應(yīng)變速率為10-6/s，試驗(yàn)條件為(50±2)℃和 (70±2)℃的干燥空氣和3.5%(體積分?jǐn)?shù),下同)NaCl溶液，溶液的pH均為中性(6.5~7.2)，每種環(huán)境下對(duì)試樣進(jìn)行3次試驗(yàn)，取平均值。采用式(1)，(2)評(píng)價(jià)材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，比值和ISSRT(應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù))均為0~1，其中比值越小，ISSRT越大，表明應(yīng)力腐蝕敏感性越大。

     透射電鏡(TEM)試樣經(jīng)機(jī)械預(yù)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(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織，加速電壓為200kV；采用掃描電鏡(SEM)觀察試樣的斷口，加速電壓為20kV。

2、試驗(yàn)結(jié)果

2.1 顯微組織分析

   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(zhǎng)狀分布。

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

2 慢應(yīng)變速率拉伸性能

     6082鋁合金在不同溫度(70℃和50℃)下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)結(jié)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(shí)間的比值和斷后伸長(zhǎng)率的比值均大于95%，抗拉強(qiáng)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(xiàng)力學(xué)性能比值均大于95%，ISSRT為2.3%。在相同介質(zhì)環(huán)境下，隨著溫度的升高，拉伸時(shí)間和斷后伸長(zhǎng)率增大，抗拉強(qiáng)度減小，在70℃條件下，試樣在3.5%NaCl溶液中抗拉強(qiáng)度的下降幅度遠(yuǎn)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(yīng)力腐蝕敏感性，在50℃，3.5%NaCl溶液中對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感。

2.3 斷口分析

      經(jīng)慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)后，各試樣斷口的SEM分析結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：在不同環(huán)境下，試樣斷口形貌相差不大，中心區(qū)域均呈韌窩特征，表面區(qū)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(wú)應(yīng)力腐蝕敏感性。

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(huán)境的侵蝕，鈍化膜致密性直接影響合金的耐腐蝕性。試驗(yàn)合金中Mg元素和Si元素的質(zhì)量比為0.86，Si元素含量較多，因此，材料除了形成強(qiáng)化相Mg2Si外，還形成了AlFeMnSi以及單質(zhì)Si粒子。鈍化膜的質(zhì)量與膜層下方金屬的狀態(tài)有關(guān)，晶界和晶內(nèi)的化學(xué)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(shí)晶界優(yōu)先顯現(xiàn)。晶界局部區(qū)域析出了Mg2Si粒子，Mg2Si的自腐蝕電位為-1.16V(飽和汞電極)，Al基體的自腐蝕電位為-0.78V(飽和汞電極)，晶內(nèi)或晶界局部區(qū)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(qū)域的粒子與基體的化學(xué)特性存在差異，導(dǎo)致鈍化膜性質(zhì)存在差異，主要表現(xiàn)為鈍化膜變薄，致密性變差。在Cl-環(huán)境下，試樣表面局部區(qū)域會(huì)形成微電池，即含有上述第二相粒子處成為陽(yáng)極，而其周邊鈍化膜性能較好區(qū)域成為陰極，陽(yáng)極發(fā)生溶解，局部區(qū)域開始形成細(xì)小的點(diǎn)蝕坑。在應(yīng)力作用下，點(diǎn)蝕坑底部開始形成微裂紋，若點(diǎn)蝕處位于晶界，會(huì)導(dǎo)致裂紋迅速沿晶擴(kuò)展，材料表現(xiàn)為應(yīng)力腐蝕敏感性。

    由上述試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度下降幅度較大，造成ISSRT增大。掃描電鏡分析結(jié)果顯示，試樣中未觀察到應(yīng)力腐蝕裂紋和脆性特征，結(jié)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(yīng)力腐蝕敏感性。由TEM分析結(jié)果可知，晶內(nèi)析出彌散分布的Mg2Si相，拉伸變形過程中主要是位錯(cuò)繞過機(jī)制，不易形成微裂紋。沿晶析出的Mg2Si相尺寸較小且不連續(xù)，未見明顯的沉淀析出帶，在拉應(yīng)力作用下，不能形成連續(xù)的沿晶腐蝕通道，因此，材料具有較好的抗應(yīng)力腐蝕性能。

     在中性環(huán)境下，原電池陰極主要發(fā)生吸氧腐蝕，與陽(yáng)極溶解擴(kuò)散到陰極附近的陽(yáng)離子結(jié)合，生成絮狀腐蝕產(chǎn)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(kuò)散系數(shù)增大，提高了Cl-的活性，在整個(gè)試樣表面同時(shí)發(fā)生原電池反應(yīng)，此時(shí)陰極反應(yīng)中析氫反應(yīng)比例大幅增加，使鋁合金表面發(fā)生一定程度的均勻減薄，導(dǎo)致試樣承載力下降。

4、結(jié)論

     (1)在3.5%NaCl溶液中，當(dāng)溫度為70℃時(shí)，6082鋁合金試樣的ISSRT 為6.6%，當(dāng)溫度為50℃時(shí),6082鋁合金試樣的ISSRT 為 2.3%,試樣斷口均

無(wú)應(yīng)力腐蝕特征，材料在兩種溫度下的3.5%NaCl溶液中均無(wú)應(yīng)力腐蝕敏感性。

     (2)6082 鋁合金晶內(nèi)析出彌散分布的細(xì)小Mg2Si相，晶界析出了不連續(xù)分布的Mg2Si相，不能形成連續(xù)的沿晶腐蝕通道，表現(xiàn)為較高的抗應(yīng)力腐蝕性能。

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