摘 要:以7085高強鋁合金材料為研究對象,通過設定不同的慢拉伸應變速率,研究材料的氫 致應力開裂,同時對試樣斷口進行掃描電子顯微鏡分析,初步探討了應變速率與氫脆敏感性的關 系,為高強鋁合金材料氫脆敏感性評價體系的建立提供借鑒。
關鍵詞:高強鋁合金;應力腐蝕;氫脆;慢拉伸應變速率
中圖分類號:TB31;TG115.2 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2023)02-0009-03
7XXX系高(超)強鋁合金為輕量化材料,在國 民經(jīng)濟和國防軍工各個領域的應用越來越廣泛[1-3]。 一方面,裝備減重對材料韌性、疲勞性能的要求越來 越高;另一方面,復雜的服役環(huán)境使構件中氫等有害 元素對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構,且氫在鋁合金中 的溶解度極小,不易形成氫化物,因此在相當長的時 間內,認為鋁合金中不存在氫脆現(xiàn)象,但是隨著對高 強鋁合金應力腐蝕開裂(SCC)和腐蝕疲勞(CF)研 究的深入,發(fā)現(xiàn)氫對應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。 國內學者通過研究氫對7085高強鋁合金材料性能 的影響,初步證明了高強鋁合金存在氫致應力腐蝕 開裂的現(xiàn)象[8-11]。截至目前,國內外對于高強鋁合 金材料的氫致應力腐蝕敏感性試驗方法和評價工藝 的研究相對較少[12-13]。
筆者以7085高強鋁合金材料為研究對象,通過 設定不同的慢拉伸應變速率來研究氫致應力腐蝕敏 感性的問題,同時對試樣斷口進行掃描電子顯微鏡 (SEM)分析,初步探討了慢拉伸應變速率與氫脆敏 感性之間的關系,為高強鋁合金材料氫脆敏感性評 價體系的建立提供借鑒。
1 試驗過程
1.1 試驗材料
試驗材料為7085高強鋁合金鑄錠,熱處理狀態(tài) 為T7651態(tài),其化學成分如表1所示。7085高強鋁 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。
1.2 慢拉伸應變試驗方法
采用慢拉伸試驗機進行試驗,所有試樣均沿厚 度方向截取,試樣經(jīng)過機械加工完成后,用1200號 砂紙對其進行打磨,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非工作段表面進行 封裝。
分 別 設 定 拉 伸 試 驗 速 率 為 10-6 s-1 和 10-7s-1,將試樣放置于35℃的3.5%(質量分數(shù)) 硫酸銨水溶液中,電流密度為2mA/cm2。
根據(jù) HB7235—1995《慢應變速率應力腐蝕試 驗方法》,應力腐蝕敏感性指數(shù)ISSRT 計算公式為
式中:σfω 為材料在介質中的斷裂強度;δfω 為材料在 介質中的斷后伸長率;σfA 為材料在惰性介質中的斷 裂強度;δfA 為材料在惰性介質中的斷后伸長率。
1.3 斷口分析方法
用FEI-QUANTA650型掃描電子顯微鏡對試 樣斷口進行觀察。
2 試驗結果與分析
2.1 不同拉伸速率下的應力腐蝕敏感性
設置拉伸速率為10-6s-1,在35℃的充氫溶液 和35℃的干燥空氣下進行試驗,結果如表2所示。 由表2可知:兩種條件下試樣的斷裂強度和斷裂時 間相近,但是在充氫環(huán)境下,材料的斷后伸長率有所 降低。通過計算,在拉伸速率為10-6s-1 時,7085 高強鋁合金的ISSRT 為3.19%,相對較低,說明材料 沒有明顯的應力腐蝕開裂傾向。
設置拉伸速率為10-7s-1,7085高強鋁合金在 35℃充氫溶液和35℃干燥空氣下的試驗結果如表 3所示。由表3可以看出:在35℃充氫溶液中,試 樣的斷裂強度、斷裂時間以及斷后伸長率與35℃空氣中試樣相比均有較大的降低。通過計算,在拉伸 速率為10-7 s-1 時,7085高強鋁合金的ISSRT 為 12.6%,相對較高,有明顯的應力腐蝕開裂傾向。
2.2 斷口分析結果
設置拉伸速率為10-6s-1,7085高強鋁合金在 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 有表現(xiàn)出明顯的應力腐蝕敏感性。
設置拉伸速率為10-7s-1,7085高強鋁合金在 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)境中的對應試樣斷口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高強鋁合金在10-7s-1 拉伸 速率下存在明顯的應力腐蝕敏感性。
由不同拉伸速率下材料應力腐蝕敏感性的計算 結果和斷口特征可知:隨著拉伸速率的降低,在試驗 過程中會有更多的氫在試樣表面聚集,根據(jù)擴散原 理,表面氫逐步向試樣內部滲入,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 結論
(1)7085高強鋁合金材料在充氫溶液中存在 氫致應力腐蝕開裂的現(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高強鋁合金材料在充氫溶液中的氫 致應力腐蝕開裂現(xiàn)象的發(fā)生與拉伸速率有直接關 系,較大的拉伸速率使聚集的氫含量未達到發(fā)生 斷裂的臨界值,故不 會 發(fā) 生 氫 致 應 力 腐 蝕 斷 裂 行為。
(3)通過開展不同拉伸速率下的應力腐蝕試 驗,可以為高強鋁合金的氫致應力腐蝕開裂試驗方 法和評價技術的研究提供技術支撐。
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