基于SCC試驗(yàn)的鋁合金材料應(yīng)力腐蝕研究

賈云柯，王居超，李帥康

（1.華北理工大學(xué)以升創(chuàng)新教育基地，河北 唐山 063000；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063000）

鋁合金的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象是由工況下所受的應(yīng)力和所處的介質(zhì)環(huán)境共同作用產(chǎn)生的，被稱為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。所受應(yīng)力包括外加應(yīng)力、殘余應(yīng)力、侵入應(yīng)力、腐蝕應(yīng)力等，介質(zhì)環(huán)境包括溫度、濕度、磁場(chǎng)、酸堿度等。當(dāng)材料、機(jī)械零件等在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下時(shí)將會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象，而失效現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致材料、機(jī)械零件的穩(wěn)定性、安全性、壽命大大降低，甚至不能工作。金屬材料的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象對(duì)工程、建筑、材料、基建等行業(yè)的影響巨大，而鋁合金作為目前應(yīng)用最多的合金之一，研究其在特殊環(huán)境之下的抗腐蝕能力將是非常有必要的。

1 研究背景

應(yīng)力腐蝕對(duì)材料所處的環(huán)境有很強(qiáng)的選擇性，不同的材料只有在特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境中才會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕，例如：鋁合金在水和NaCl溶液的環(huán)境中、低碳鋼在NaOH溶液環(huán)境中、鎂合金在NaCl-雙氧水、KCl-鉻酸鉀溶液的環(huán)境中、高強(qiáng)度鋼在水溶液環(huán)境中都會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。在各類材料零件工作中，由于溫度、濕度、酸堿度等外部環(huán)境因素影響下很容易處于這些腐蝕環(huán)境中造成失效。當(dāng)鋁合金材料在腐蝕工況中受到應(yīng)力時(shí)，對(duì)于較粗糙的試件，如果試樣的應(yīng)力強(qiáng)度因子K小于腐蝕強(qiáng)度因子門(mén)檻值KISCC，那么腐蝕過(guò)程中鋁合金材料的損傷將會(huì)比較小，裂紋也不會(huì)擴(kuò)展。而對(duì)于較光滑的試件，則應(yīng)力腐蝕應(yīng)力σSCC作為腐蝕強(qiáng)度因子門(mén)檻值，當(dāng)試件處于腐蝕工況下受到的加載應(yīng)力小于應(yīng)力腐蝕門(mén)檻應(yīng)力σSCC時(shí)，鋁合金材料也不會(huì)產(chǎn)生很明顯的裂紋。腐蝕強(qiáng)度因子門(mén)檻值KISCC和應(yīng)力腐蝕門(mén)檻應(yīng)力σSCC都不是材料常數(shù)，而是與腐蝕環(huán)境密切相關(guān)的。

2 研究?jī)?nèi)容

由于材料、機(jī)械零件等在應(yīng)力和特殊腐蝕環(huán)境共同的作用下將會(huì)出現(xiàn)零件失效現(xiàn)象，而失效現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致材料、機(jī)械零件的穩(wěn)定性、安全性、壽命大大降低，甚至不能工作?；赟CC應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)來(lái)研究鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕過(guò)程，探究鋁合金材料的抗應(yīng)力腐蝕能力，在鋁合金材料應(yīng)力腐蝕發(fā)生的過(guò)程中腐蝕裂紋的生成必然會(huì)引起材料內(nèi)部應(yīng)力值的變化，我們可以通過(guò)測(cè)定應(yīng)力腐蝕過(guò)程中材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變值隨時(shí)間的變化來(lái)判斷鋁合金材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)各個(gè)階段的時(shí)間點(diǎn)，最后對(duì)這些時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行分析，從而得出試驗(yàn)結(jié)果。

在基本持續(xù)不變的加載應(yīng)力與腐蝕工況的共同作用下，預(yù)制裂紋試驗(yàn)中試件裂紋的擴(kuò)展速率da/dt與應(yīng)力強(qiáng)度因子KI之間存在著一定的關(guān)系，關(guān)系曲線分為三個(gè)區(qū)域，分為低速區(qū)、恒速區(qū)、高速區(qū)。

用公式表示為：

式中Ci是指與具體腐蝕環(huán)境以及溫度有關(guān)的參數(shù)。在恒速區(qū)，裂紋擴(kuò)展速率da/dt與應(yīng)力強(qiáng)度因子K1無(wú)關(guān)；在高速區(qū)，da/dt隨著K1的變大而變大，當(dāng)KI=KIX時(shí)發(fā)生脆性斷裂，即KIX為腐蝕環(huán)境下的斷裂韌帶。由于裂紋尖端的腐蝕損傷累積嚴(yán)重，因而一般KIX比KI小。

3 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)（SCC試驗(yàn)）

由于材料的應(yīng)力腐蝕是因材料類型、所受應(yīng)力狀態(tài)、環(huán)境工況共同作用產(chǎn)生的，因此SCC應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)也有多種不同的試驗(yàn)方法。同時(shí)材料應(yīng)力腐蝕會(huì)需要一定的發(fā)生時(shí)間，即可能存在較長(zhǎng)的潛伏期，所以試驗(yàn)過(guò)程過(guò)程通常會(huì)進(jìn)行加速處理，縮短試驗(yàn)的時(shí)間。

將鋁合金放置于特定的環(huán)境下，通過(guò)記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)探究鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕的過(guò)程，并且使用掃描電鏡來(lái)觀察材料發(fā)生腐蝕開(kāi)裂的斷口形貌，從而得出鋁合金材料的抗腐蝕性能與腐蝕過(guò)程。

鋁合金試樣KI的表達(dá)式為：

為了深入細(xì)化的了解鋁合金材料應(yīng)力腐蝕過(guò)程中各個(gè)階段所用的時(shí)間、受到的開(kāi)裂應(yīng)力等，本次SCC試驗(yàn)使用應(yīng)變片來(lái)模擬鋁合金材料受到開(kāi)裂應(yīng)力的過(guò)程和裂紋的形成與拓展。在SCC試驗(yàn)開(kāi)始之前還需要對(duì)鋁合金試樣進(jìn)行預(yù)制疲勞裂紋。預(yù)制疲勞裂紋將在預(yù)SDS20電液伺服動(dòng)靜試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在進(jìn)行預(yù)制疲勞裂紋前，需要對(duì)鋁合金試樣的最大強(qiáng)度因子做一個(gè)評(píng)估，隨后對(duì)試樣進(jìn)行常溫破壞性試驗(yàn)從而得到試樣的拉、壓最大強(qiáng)度因子。

將鋁合金試樣的傳感器以及測(cè)量溫度變化的溫度傳感器與靜態(tài)應(yīng)變儀連接在一起，將鋁合金試樣固定好之后依次對(duì)它緩慢加載拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，使得試樣產(chǎn)生拉壓變形，并觀察應(yīng)力儀中的數(shù)據(jù)，加載直至試樣斷裂失效，靜態(tài)應(yīng)力儀中最大讀數(shù)即為鋁合金試樣的拉、壓最大強(qiáng)度因子。

表1 SCC預(yù)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 SCC試驗(yàn)加載信息

通過(guò)進(jìn)行預(yù)備常溫破壞性試驗(yàn)，最終將加載的應(yīng)力分為3個(gè)等級(jí)，分別為75%KImax、50%KImax和25%Kmax。完成預(yù)備常溫破壞性試驗(yàn)之后就可以進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)，首先和預(yù)備試驗(yàn)一樣對(duì)所有的鋁合金試樣進(jìn)行應(yīng)力加載。在試驗(yàn)過(guò)程中為了使得腐蝕過(guò)程中裂紋能按我們觀測(cè)的方向擴(kuò)展，將試樣無(wú)需進(jìn)行應(yīng)力加載和腐蝕的表面部分用膠帶進(jìn)行粘貼。將貼于試樣上的應(yīng)力感應(yīng)片和靜態(tài)應(yīng)變儀連接保持通信，做好數(shù)據(jù)記錄的工作，同時(shí)連接溫度補(bǔ)償傳感器，用以測(cè)定試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化。最后將應(yīng)力應(yīng)變儀、溫度補(bǔ)償傳感器和計(jì)算機(jī)相連接通信，運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)持續(xù)采集傳感器的數(shù)據(jù)，設(shè)定計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為30s。隨后配置 3.5%HCl+NaCl 飽和溶液，為了減少腐蝕介質(zhì)濃度改變?cè)斐傻挠绊?，試?yàn)采用大容量的容器來(lái)裝腐蝕溶液，這樣可以降低因溶液消耗而產(chǎn)生的濃度變化對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的影響。最后將測(cè)試的鋁合金試樣完全放入腐蝕溶液中，當(dāng)試樣表面氣泡開(kāi)始穩(wěn)定生成并逐漸變大時(shí)，開(kāi)始采樣。觀察采樣數(shù)據(jù)，當(dāng)應(yīng)變讀數(shù)趨于穩(wěn)定后試驗(yàn)停止。用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)間斷的記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用matlab軟件作出鋁合金試樣的應(yīng)變～時(shí)間曲線，對(duì)曲線進(jìn)行處理運(yùn)算分析得到最終的試驗(yàn)結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果

分析采樣數(shù)據(jù)得知在SCC試驗(yàn)中鋁合金試樣在特制腐蝕環(huán)境和加載的腐蝕應(yīng)力下大約經(jīng)過(guò)了1個(gè)小時(shí)的潛伏期后腐蝕過(guò)程才慢慢的開(kāi)始，經(jīng)過(guò)多次的裂紋擴(kuò)展后，鋁合金材料試樣的形狀也發(fā)生彎曲變形，并且隨著加載的腐蝕應(yīng)力的逐漸減小，試樣受到的內(nèi)部腐蝕應(yīng)力也會(huì)慢慢的減小，當(dāng)減小至一個(gè)水平應(yīng)力之后，又再次隨著鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕過(guò)程繼續(xù)增大。