摘 要:以7085高強(qiáng)鋁合金材料為研究對(duì)象,通過(guò)設(shè)定不同的慢拉伸應(yīng)變速率,研究材料的氫 致應(yīng)力開(kāi)裂,同時(shí)對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡分析,初步探討了應(yīng)變速率與氫脆敏感性的關(guān) 系,為高強(qiáng)鋁合金材料氫脆敏感性評(píng)價(jià)體系的建立提供借鑒。

關(guān)鍵詞:高強(qiáng)鋁合金;應(yīng)力腐蝕;氫脆;慢拉伸應(yīng)變速率

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)02-0009-03

7XXX系高(超)強(qiáng)鋁合金為輕量化材料,在國(guó) 民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。 一方面,裝備減重對(duì)材料韌性、疲勞性能的要求越來(lái) 越高;另一方面,復(fù)雜的服役環(huán)境使構(gòu)件中氫等有害 元素對(duì)合金性能的不利影響日益突出[4-7]。

由于鋁合金為面心立方結(jié)構(gòu),且氫在鋁合金中 的溶解度極小,不易形成氫化物,因此在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí) 間內(nèi),認(rèn)為鋁合金中不存在氫脆現(xiàn)象,但是隨著對(duì)高 強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)和腐蝕疲勞(CF)研 究的深入,發(fā)現(xiàn)氫對(duì)應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞都有明顯 的作用,并且可能是發(fā)生SCC和 CF的主要原因。 國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)研究氫對(duì)7085高強(qiáng)鋁合金材料性能 的影響,初步證明了高強(qiáng)鋁合金存在氫致應(yīng)力腐蝕 開(kāi)裂的現(xiàn)象[8-11]。截至目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于高強(qiáng)鋁合 金材料的氫致應(yīng)力腐蝕敏感性試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)工藝 的研究相對(duì)較少[12-13]。

筆者以7085高強(qiáng)鋁合金材料為研究對(duì)象,通過(guò) 設(shè)定不同的慢拉伸應(yīng)變速率來(lái)研究氫致應(yīng)力腐蝕敏 感性的問(wèn)題,同時(shí)對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描電子顯微鏡 (SEM)分析,初步探討了慢拉伸應(yīng)變速率與氫脆敏 感性之間的關(guān)系,為高強(qiáng)鋁合金材料氫脆敏感性評(píng) 價(jià)體系的建立提供借鑒。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為7085高強(qiáng)鋁合金鑄錠,熱處理狀態(tài) 為T(mén)7651態(tài),其化學(xué)成分如表1所示。7085高強(qiáng)鋁 合金的顯微組織為α(Al)相+彌散相+化合物相,晶粒度為4.5級(jí)。

1.2 慢拉伸應(yīng)變?cè)囼?yàn)方法

采用慢拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),所有試樣均沿厚 度方向截取,試樣經(jīng)過(guò)機(jī)械加工完成后,用1200號(hào) 砂紙對(duì)其進(jìn)行打磨,然后用丙酮清洗,再用蒸餾水清 洗并吹干,用玻璃膠和生膠帶對(duì)非工作段表面進(jìn)行 封裝。

分 別 設(shè) 定 拉 伸 試 驗(yàn) 速 率 為 10-6 s-1 和 10-7s-1,將試樣放置于35℃的3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 硫酸銨水溶液中,電流密度為2mA/cm2。

根據(jù) HB7235—1995《慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試 驗(yàn)方法》,應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)ISSRT 計(jì)算公式為

式中:σfω 為材料在介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度;δfω 為材料在 介質(zhì)中的斷后伸長(zhǎng)率;σfA 為材料在惰性介質(zhì)中的斷 裂強(qiáng)度;δfA 為材料在惰性介質(zhì)中的斷后伸長(zhǎng)率。

1.3 斷口分析方法

用FEI-QUANTA650型掃描電子顯微鏡對(duì)試 樣斷口進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同拉伸速率下的應(yīng)力腐蝕敏感性

設(shè)置拉伸速率為10-6s-1,在35℃的充氫溶液 和35℃的干燥空氣下進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果如表2所示。 由表2可知:兩種條件下試樣的斷裂強(qiáng)度和斷裂時(shí) 間相近,但是在充氫環(huán)境下,材料的斷后伸長(zhǎng)率有所 降低。通過(guò)計(jì)算,在拉伸速率為10-6s-1 時(shí),7085 高強(qiáng)鋁合金的ISSRT 為3.19%,相對(duì)較低,說(shuō)明材料 沒(méi)有明顯的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向。

設(shè)置拉伸速率為10-7s-1,7085高強(qiáng)鋁合金在 35℃充氫溶液和35℃干燥空氣下的試驗(yàn)結(jié)果如表 3所示。由表3可以看出:在35℃充氫溶液中,試 樣的斷裂強(qiáng)度、斷裂時(shí)間以及斷后伸長(zhǎng)率與35℃空氣中試樣相比均有較大的降低。通過(guò)計(jì)算,在拉伸 速率為10-7 s-1 時(shí),7085高強(qiáng)鋁合金的ISSRT 為 12.6%,相對(duì)較高,有明顯的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向。

2.2 斷口分析結(jié)果

設(shè)置拉伸速率為10-6s-1,7085高強(qiáng)鋁合金在 不同環(huán)境下的拉伸斷口SEM 形貌如圖1所示。由 圖1可知:兩種環(huán)境中的7085高強(qiáng)鋁合金拉伸試樣 斷口的SEM 形貌相同,均表現(xiàn)為韌窩+沿晶+脆 性相斷裂特征。該材料在10-6s-1 拉伸速率下沒(méi) 有表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

設(shè)置拉伸速率為10-7s-1,7085高強(qiáng)鋁合金在 不同環(huán)境下的拉伸斷口SEM 形貌如圖2所示。由 圖2可知:兩種環(huán)境中的對(duì)應(yīng)試樣斷口SEM 形貌 有所不同,充氫環(huán)境下的拉伸斷口主要呈沿晶+穿 晶斷裂特征,未發(fā)現(xiàn)明顯的韌窩特征,個(gè)別位置晶界 有寬化形態(tài),且晶面上有明顯的鈍化特征;在空氣環(huán) 境中,試樣斷口SEM 形貌主要呈韌窩+沿晶+脆 性相斷裂特征。7085高強(qiáng)鋁合金在10-7s-1 拉伸 速率下存在明顯的應(yīng)力腐蝕敏感性。

由不同拉伸速率下材料應(yīng)力腐蝕敏感性的計(jì)算 結(jié)果和斷口特征可知:隨著拉伸速率的降低,在試驗(yàn) 過(guò)程中會(huì)有更多的氫在試樣表面聚集,根據(jù)擴(kuò)散原 理,表面氫逐步向試樣內(nèi)部滲入,并分布在晶界位 置,從而引起晶界的弱化。后續(xù)在力與氫的共同作 用下發(fā)生沿晶斷裂。

3 結(jié)論

(1)7085高強(qiáng)鋁合金材料在充氫溶液中存在 氫致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的現(xiàn)象。斷口主要呈沿晶斷裂特 征,且晶界有一定程度的寬化形態(tài)。

(2)7085高強(qiáng)鋁合金材料在充氫溶液中的氫 致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象的發(fā)生與拉伸速率有直接關(guān) 系,較大的拉伸速率使聚集的氫含量未達(dá)到發(fā)生 斷裂的臨界值,故不 會(huì) 發(fā) 生 氫 致 應(yīng) 力 腐 蝕 斷 裂 行為。

(3)通過(guò)開(kāi)展不同拉伸速率下的應(yīng)力腐蝕試 驗(yàn),可以為高強(qiáng)鋁合金的氫致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)方 法和評(píng)價(jià)技術(shù)的研究提供技術(shù)支撐。

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