文章编号: 1004-0609(2006)10-1743-06
热处理对2519铝合金应力腐蚀开裂
敏感性的影响
张新明, 李慧中, 陈明安, 梁霄鹏, 李 洲, 贾寓真
(中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083)
摘 要: 通过慢应变速率拉伸测试、 扫描电镜及透射电镜分析等研究了2519铝合金在T6、 T8热处理状态下, 在空气和3.5%(质量分数)的NaCl溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)行为, 研究了应变速率对2519铝合金SCC行为的影响。 结果表明: 同一热处理状态下, 2519铝合金在3.5%的NaCl溶液中应力腐蚀开裂敏感性高于干燥空气中; 在应变速率为1.33×10-5 s-1时, 其SCC敏感性比应变速率为6.66×10-5 s-1时的敏感性大; 同一应变速率下, T6状态比T8状态SCC敏感性大, T8状态时抗应力腐蚀性能比T6状态时好。
关键词: 2519铝合金; 热处理; 慢应变速率拉伸; 应力腐蚀敏感性
中图分类号: TG172.9 文献标识码: A
Effect of heat treatment on stress corrosion cracking susceptibility
of aluminum alloy 2519
ZHANG Xin-ming, LI Hui-zhong, CHEN Ming-an,
LIANG Xiao-peng, LI Zhou, JIA Yu-zhen
(School of Materials Science and Engineering,
Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: The stress corrosion cracking(SCC)performance of aluminum alloy 2519 in air and in 3.5% NaCl solution was investigated by using slow strain rate tension, scanning electron microscope and transmission electron microscope. The experimental results show that aluminum alloy 2519 is more susceptible to SCC in 3.5% NaCl solution than in air and the alloy is more susceptible to SCC at 1.33×10-5 s-1 than at 6.66×10-5 s-1 at the same temper. Alloy 2519 -T6 is more susceptible to SCC than 2519 -T8 at the same strain rate.
Key words: aluminum alloy 2519; heat treatment; slow strain rate tension; stress corrosion cracking susceptibility
2519铝合金是20世纪80年代美国开发的一种高强、 高韧铝合金, 主要用于飞机蒙皮、 火箭、 舰船等的结构件和两栖装甲突击车、 空投空降车等的装甲材料, 美国已将该合金用作先进的两栖突击车(AAAV)的装甲材料[1-4]。 2519与其它2×××系合金相比, 该合金有比较优良的耐蚀性能。 关于该合金耐蚀性能的研究, 文献[5]报道了热处理制度对2519合金的晶间腐蚀性能的影响, 认为T8状态具有比T6状态好的抗晶间腐蚀性能。 同一热处理制度下不同时效阶段2519铝合金抗晶间腐蚀性能的研究已有报道[6], 认为抗晶间腐蚀能力顺序为: 过时效>峰值时效>欠时效。 Dymek等[7]研究了Cu含量对2519铝合金抗应力腐蚀性能的影响, 随Cu含量的增加合金抗应力腐蚀性能逐渐降低。 Kramer等[8]研究了不同热变形方式对2519铝合金制品抗应力腐蚀性能的影响, 不论是采用锻造、 轧制还是挤压方法生产的2519合金均有较好的抗应力腐蚀性能。 但在不同热处理状态、 不同应变速率或不同的环境条件下2519合金应力腐蚀开裂性能研究报道较少。 应力腐蚀实验常采用光滑试样和预裂纹试样, 预裂纹试样一般被用来研究应力腐蚀裂纹生长行为的SCC(Stress corrosion cracking)敏感性, 并不能提供应力腐蚀裂纹成核的信息, 而裂纹成核过程对于腐蚀环境下, 具有光滑表面材料的SCC敏感性是非常重要的[9]。 因此采用光滑试样慢应变速率拉伸SSRT(Slow strain rate tension)方法评定SCC敏感性, 能较准确地反映材料的抗应力腐蚀开裂性能, 并且具有测试周期短的最大的优点。 本文作者采用该方法研究了不同热处理制度对2519铝合金的抗应力腐蚀性能的影响。
1 实验
1.1 材料及热处理工艺
本实验所用材料为40mm厚2519铝合金热轧板材, 其化学成分列于表1。 实验前材料按以下两种热处工艺进行热处理:
1) 固溶(525℃, 1h)-时效(180℃)(T6处理);
2) 固溶(525℃, 1h)-冷轧-时效(180℃)(T8处理)。
表 1 2519铝合金的化学成分
Table 1 Chemical composition of 2519 aluminum alloy(mass fraction, %)
1.2 实验方法
实验按HB7235—95进行[10], 用工作段标距长30mm、 直径5mm的圆形试棒进行SSRT测试, 试样取的方向为长横向, 均为T6、 T8态试样, 试样安装后施加一定的载荷以消除夹具间隙。 应变速率分别取1.33×10-5 s-1 和6.66×10-5 s-1 ; 环境分别为空气和3.5%NaCl水溶液两种, 环境温度为(35±1)℃。 用记录仪记录整个应力腐蚀拉伸断裂过程。 试样断裂后, 断口形貌用Sirion200场发射扫描电镜进行分析。 透射电子显微分析在H-800型透射电镜上进行, 薄膜试样采用电解双喷减薄, 电解液(体积比)为30%硝酸和70%甲醇混合液。
2 实验结果
2.1 T6、 T8状态合金在不同环境和应变速率条件下拉伸结果
表2所列为2519合金在不同热处理状态, 分别在干燥空气和3.5%的NaCl溶液中的慢拉伸实验结果。 从表2可见, 在3.5%NaCl溶液中慢拉伸与在干燥的空气中相比、 合金的强度、 伸长率均有不同程度的下降。 并且, 随拉伸速率的降低, 其强度、 伸长率减少幅度增大。 应变速率为6.66×10-5 s-1时, 2519-T6与干燥空气环境中的力学性能相比, 在3.5%的NaCl溶液中合金的断裂强度、 断裂伸长率明显减小, 其比值分别为91%和74%, 表明2519-T6合金在3.5%的NaCl溶液中的断裂具有 SCC敏感性。 而2519-T8与干燥空气环境中的力学性能相比, 在3.5%的NaCl溶液中合金的断裂强度、 断裂伸长率也有所减小, 但比2519-T6合金减少的幅度小, 其比值分别为96%和81%, 表明2519-T8合金在3.5%的NaCl溶液中断裂具有 SCC敏感性, 且较2519-T6小。 从表2还可以看出, 应变速率为1.33×10-5 s-1时, 2519合金在3.5%的NaCl溶液中合金的断裂强度和断裂伸长率均比应变速率为6.66×10-5 s-1时的低。
表2 2519铝合金的力学性能
Table 2 Mechanical properties of aluminum alloy 2519
应力腐蚀指数ISSRT是将SSRT实验所获得的各项力学性能指标进行数学处理的结果, 与单项力学性能指数相比能更好地反映应力腐蚀断裂敏感性, 常作为应力腐蚀的重要判据, 计算式为[11]
式中 σfw为在环境介质中的断裂强度, MPa ; σfA为在惰性介质中的断裂强度, MPa; δfw 为在环境介质中的断裂伸长率, %; δfA为在惰性介质中的断裂伸长率, %; ISSRT从0→1表示应力腐蚀断裂敏感性增加。 不同热处理状态的2519铝合金的应力腐蚀指数如表3所示。 从表3可见, T6状态的应力腐蚀指数均大于T8态; 拉伸速率较慢试样的应力腐蚀指数均大于拉伸速率较快试样。
表3 2519铝合金的应力腐蚀结果
Table 3 Results of SCC of aluminum alloy 2519
2.2 拉伸断口扫描电镜分析
不同热处理状态2519铝合金慢应变速率拉伸断口扫描电镜像如图1~3所示。 图1所示为两种不同热处理状态的合金在干燥空气中的拉伸断口形貌。 由图可以看出, 拉伸断口表面上分布大大小小的韧窝, 断面上发生明显的塑性流动, T6态塑性流动较T8态剧烈, 这与T6的塑性比T8态好是一致的。 两种状态的断裂均为典型的韧性断裂。 图2所示为合金拉伸应变速率为6.66×10-5 s-1时, 在3.5%的NaCl溶液中合金的拉伸断口形貌。 从图可见, T8态合金的断面仍由一些细小的韧窝组成, 此时的韧窝较浅, 仍具有机械断裂特征(图2(b)); 而T6态合金拉伸断口表面(图2(a)), 应力腐蚀区呈平滑的类解理形貌, 沿晶界也出现少量韧窝, 是典型的沿晶腐蚀断口形貌, 与图2(b)相比, 图2(a)断口形貌有明显的沿晶腐蚀裂纹和二次裂纹, 表明有较强的SCC敏感性。 这与SSRT力学分析结果是一致的。 图3所示为合金拉伸应变速率为1.33×10-5 s-1时, 在3.5%的NaCl溶液中合金的拉伸断
图1 2519铝合金在空气中的拉伸断口形貌
Fig.1 Morphologies of fracture surface by SSRT testing in dry air
图2 2519铝合金在3.5% NaCl溶液中的拉伸断口形貌
Fig.2 Morphologies of fracture surface by SSRT testing in 3.5%NaCl water solution
图3 2519铝合金在3.5%的NaCl溶液中的拉伸断口形貌
Fig.3 Morphologies of fracture surface by SSRT testing in 3.5%NaCl water solution
口形貌, T8态的合金断口仍由一些细小的韧窝组成, 同时在断面上可见细小的裂纹, T6态合金的断口仍是典型的沿晶腐蚀断口形貌断面上由粗大的沿晶裂纹和一些细小的韧窝组成, 说明随应变速率的降低, 合金应力腐蚀敏感性逐渐增强。
3 讨论
3.1 应变速率对2519铝合金SCC行为的影响
应变速率是影响材料SCC行为的重要参量[12], 实验通常采用的应变速率范围为10-4~10-8 s-1, 对大多数材料, 应力腐蚀最敏感的应变速率约为10-5~10-6 s-1, 在一给定环境介质条件下, 将存在一个最佳应变速率(或应变速率范围), 以区分材料的SCC敏感性。 从表2可见, 同一热处理制度下, 拉伸应变速率较低的试样具有较高的SCC敏感性。 研究表明[13], 发生SCC行为必然存在某一应变速率范围内, 应变速率过高, 断裂伸长率接近空气介质中所测得的, 韧性损失较少, SCC不敏感, 即在高应变速率下, 环境介质和试样间还未进行SCC所要求的恰当反应, 塑性形变就使试样很快断裂; 另一方面, 应变速率过低, 材料被拉伸滑移产生新鲜表面, 而新鲜表面上的钝化膜形成得足够快, 3.5%的NaCl溶液不能充分发挥其在SCC过程中的作用, 试样的强度、 韧性与干燥空气中测试的相差不大。
从表3可以看出, 在实验速率范围内, 随着应变速率的减少, 2519铝合金的SCC敏感性随之增大。 在较低应变速率条件下, 2519合金有较大的SCC敏感性主要有以下两方面的原因。
1) 2519铝合金在自然状态下易形成氧化层保护膜, 具有较好的耐蚀性, 在拉应力作用下, 由于氧化膜与基体金属延伸性存在差异, 氧化膜破裂, 使裸露的基体金属与氧化摸在介质环境中形成小阳极和大阴极的自腐蚀电池, 发生阳极溶解, 促使裂纹较快扩展。
2) 在腐蚀介质中拉伸变形时, 暴露出来的新鲜铝合金表面与环境中的水可能发生如下电化学反应[14]:
通过上述反应所形成的氢原子具有活性, 通过吸附、 扩散或位错运输到材料内部而导致氢脆。 在较低的应变速率下, 试样有较多的时间与介质发生反应, 从而能吸收更多的氢, 因此其SCC敏感性较高。 而在高应变速率下, 变形对电化学平衡而言来得太快, 因而限制了该区域的应力腐蚀敏感性, 故相应的SCC敏感性也就低。
3.2 热处理状态对2519铝合金SCC行为的影响
从表3可见, 合金经T8处理后, 合金的应力敏感性大大降低, 抗应力腐蚀能力大大提高。 图4所示为不同热处理制度下的合金透射电镜照片。 图4(a)所示为合金在T6峰值时效态下晶界及晶内沉淀相。 从图4(a)可见, 合金晶界析出的θ相粗大且沿晶界连续分布, θ相的两侧有较宽的无沉淀析出带, 晶内析出的θ′相也非常粗大, 并且分布不均匀。
图4 2519铝合金峰值时效态的TEM像
Fig.4 TEM images of peak-aged 2519 aluminum alloy
因为合金经T6处理后, 晶内θ′相的形核孕育期长, 析出量小, 而晶界沉淀相易形核长大, 导致相间距小, 晶界附近产生较宽的无沉淀析出带。 此外由于θ′相的粗化, 变形时导致共面滑移严重, 致使合金表面和裂纹尖端的滑移台阶高度增大[15], 从而使合金抗应力腐蚀能力降低。 图4(b)所示为合金在T8峰值时效下晶界及晶内沉淀析出相。 从图4(b)可见, 与图4(a)相比晶界析出的θ相数量少, 尺寸减小, 间距明显增大, 且沿晶界不连续分布。 无沉淀析出带变窄, 晶内析出的θ′相数目增加、 尺寸减小, 且均匀弥散分布。 研究表明[15], 固溶后时效前的冷变形使基体产生了大量的空位和位错等晶体缺陷, 时效过程中, 加速溶质原子扩散, 其沉淀速度比在其未变形组织中快100倍以上, 导致晶内产生大量弥散分布的θ′相。 由于提高了晶内θ′相的体积分数, 减少了向晶界扩散的溶质原子数, 使晶界θ相析出数量减少, 降低了晶界与晶内的电位差, 减缓了晶界沉淀相择优溶解的速度。 同时, 晶内大量θ′相弥散析出, 阻碍了共面滑移的形成, 减少了合金表面和裂纹尖端的滑移台阶高度。 因此, 合金经T8处理可显著改善合金的组织结构, 分散共面滑移, 从而明显降低2519合金的应力腐蚀敏感性。
4 结论
1) 同一热处理状态下, 在3.5%的NaCl溶液中, 2519铝合金的拉伸应变速率为1.33×10-5 s-1时, 其伸长率、 断裂强度均比应变速率为6.66×10-5 s-1时低, SCC敏感性大。
2) 同一应变速率下, 在3.5%的NaCl溶液中, 2519铝合金T8状态比T6状态的SCC敏感性小。
3) 2519铝合金经T8处理后, 晶内沉淀析出的θ′相数目增加、 尺寸减小、 且均匀弥散分布, 沿晶界析出的θ相数目减少、 且不连续分布, 无沉淀带变窄, 合金的抗应力腐蚀性能明显提高。
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(编辑陈爱华)
基金项目: 国家重点基础研究发展规划资助项目(2005CB623706)
收稿日期: 2006-02-24; 修订日期: 2006-07-03
通讯作者: 张新明, 教授; 电话: 0731-8830265; E-mail: xmz@ mail.csu.edu.cn
