摘 要:以7085高强铝合金材料为研究对象,通过设定不同的慢拉伸应变速率,研究材料的氢 致应力开裂,同时对试样断口进行扫描电子显微镜分析,初步探讨了应变速率与氢脆敏感性的关 系,为高强铝合金材料氢脆敏感性评价体系的建立提供借鉴。
关键词:高强铝合金;应力腐蚀;氢脆;慢拉伸应变速率
中图分类号:TB31;TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)02-0009-03
7XXX系高(超)强铝合金为轻量化材料,在国 民经济和国防军工各个领域的应用越来越广泛[1-3]。 一方面,装备减重对材料韧性、疲劳性能的要求越来 越高;另一方面,复杂的服役环境使构件中氢等有害 元素对合金性能的不利影响日益突出[4-7]。
由于铝合金为面心立方结构,且氢在铝合金中 的溶解度极小,不易形成氢化物,因此在相当长的时 间内,认为铝合金中不存在氢脆现象,但是随着对高 强铝合金应力腐蚀开裂(SCC)和腐蚀疲劳(CF)研 究的深入,发现氢对应力腐蚀和腐蚀疲劳都有明显 的作用,并且可能是发生SCC和 CF的主要原因。 国内学者通过研究氢对7085高强铝合金材料性能 的影响,初步证明了高强铝合金存在氢致应力腐蚀 开裂的现象[8-11]。截至目前,国内外对于高强铝合 金材料的氢致应力腐蚀敏感性试验方法和评价工艺 的研究相对较少[12-13]。
笔者以7085高强铝合金材料为研究对象,通过 设定不同的慢拉伸应变速率来研究氢致应力腐蚀敏 感性的问题,同时对试样断口进行扫描电子显微镜 (SEM)分析,初步探讨了慢拉伸应变速率与氢脆敏 感性之间的关系,为高强铝合金材料氢脆敏感性评 价体系的建立提供借鉴。
1 试验过程
1.1 试验材料
试验材料为7085高强铝合金铸锭,热处理状态 为T7651态,其化学成分如表1所示。7085高强铝 合金的显微组织为α(Al)相+弥散相+化合物相,晶粒度为4.5级。
1.2 慢拉伸应变试验方法
采用慢拉伸试验机进行试验,所有试样均沿厚 度方向截取,试样经过机械加工完成后,用1200号 砂纸对其进行打磨,然后用丙酮清洗,再用蒸馏水清 洗并吹干,用玻璃胶和生胶带对非工作段表面进行 封装。
分 别 设 定 拉 伸 试 验 速 率 为 10-6 s-1 和 10-7s-1,将试样放置于35℃的3.5%(质量分数) 硫酸铵水溶液中,电流密度为2mA/cm2。
根据 HB7235—1995《慢应变速率应力腐蚀试 验方法》,应力腐蚀敏感性指数ISSRT 计算公式为
式中:σfω 为材料在介质中的断裂强度;δfω 为材料在 介质中的断后伸长率;σfA 为材料在惰性介质中的断 裂强度;δfA 为材料在惰性介质中的断后伸长率。
1.3 断口分析方法
用FEI-QUANTA650型扫描电子显微镜对试 样断口进行观察。
2 试验结果与分析
2.1 不同拉伸速率下的应力腐蚀敏感性
设置拉伸速率为10-6s-1,在35℃的充氢溶液 和35℃的干燥空气下进行试验,结果如表2所示。 由表2可知:两种条件下试样的断裂强度和断裂时 间相近,但是在充氢环境下,材料的断后伸长率有所 降低。通过计算,在拉伸速率为10-6s-1 时,7085 高强铝合金的ISSRT 为3.19%,相对较低,说明材料 没有明显的应力腐蚀开裂倾向。
设置拉伸速率为10-7s-1,7085高强铝合金在 35℃充氢溶液和35℃干燥空气下的试验结果如表 3所示。由表3可以看出:在35℃充氢溶液中,试 样的断裂强度、断裂时间以及断后伸长率与35℃空气中试样相比均有较大的降低。通过计算,在拉伸 速率为10-7 s-1 时,7085高强铝合金的ISSRT 为 12.6%,相对较高,有明显的应力腐蚀开裂倾向。
2.2 断口分析结果
设置拉伸速率为10-6s-1,7085高强铝合金在 不同环境下的拉伸断口SEM 形貌如图1所示。由 图1可知:两种环境中的7085高强铝合金拉伸试样 断口的SEM 形貌相同,均表现为韧窝+沿晶+脆 性相断裂特征。该材料在10-6s-1 拉伸速率下没 有表现出明显的应力腐蚀敏感性。
设置拉伸速率为10-7s-1,7085高强铝合金在 不同环境下的拉伸断口SEM 形貌如图2所示。由 图2可知:两种环境中的对应试样断口SEM 形貌 有所不同,充氢环境下的拉伸断口主要呈沿晶+穿 晶断裂特征,未发现明显的韧窝特征,个别位置晶界 有宽化形态,且晶面上有明显的钝化特征;在空气环 境中,试样断口SEM 形貌主要呈韧窝+沿晶+脆 性相断裂特征。7085高强铝合金在10-7s-1 拉伸 速率下存在明显的应力腐蚀敏感性。
由不同拉伸速率下材料应力腐蚀敏感性的计算 结果和断口特征可知:随着拉伸速率的降低,在试验 过程中会有更多的氢在试样表面聚集,根据扩散原 理,表面氢逐步向试样内部渗入,并分布在晶界位 置,从而引起晶界的弱化。后续在力与氢的共同作 用下发生沿晶断裂。
3 结论
(1)7085高强铝合金材料在充氢溶液中存在 氢致应力腐蚀开裂的现象。断口主要呈沿晶断裂特 征,且晶界有一定程度的宽化形态。
(2)7085高强铝合金材料在充氢溶液中的氢 致应力腐蚀开裂现象的发生与拉伸速率有直接关 系,较大的拉伸速率使聚集的氢含量未达到发生 断裂的临界值,故不 会 发 生 氢 致 应 力 腐 蚀 断 裂 行为。
(3)通过开展不同拉伸速率下的应力腐蚀试 验,可以为高强铝合金的氢致应力腐蚀开裂试验方 法和评价技术的研究提供技术支撑。
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