7A52鋁合金焊接件應(yīng)力腐蝕性能評價(jià)

張曉云，梅克力，熊文華，郭孟秋，高 健

（1北京航空材料研究院，北京 100095；2重慶長安汽車責(zé)任有限公司，重慶 400023）

7A52鋁合金是中強(qiáng)可焊合金結(jié)構(gòu)材料，其熔鑄方便、成形性好，經(jīng)軋制能獲得比較理想的板材，具有高的比強(qiáng)度、硬度、熱加工性能好、塑性好、焊接性能優(yōu)良、耐蝕性和韌性好等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天器與地面車輛和裝備的主要焊接結(jié)構(gòu)材料。7A52鋁合金是Al－Zn－Mg－Cu系合金，屬于可熱處理強(qiáng)化合金，通過改進(jìn)固溶處理和時(shí)效工藝，可使其性能得到改善。7A52鋁合金的抗剝蝕能力較差［1，2］，通過不同的熱處理或元素成分調(diào)整可提高其抗應(yīng)力腐蝕性能，但是以犧牲強(qiáng)度和降低焊接性能為代價(jià)。7A52常用的焊接工藝為金屬焊條惰性氣體（MIG）焊接，焊接中容易存在氣孔和變形，影響使用性能［3］。因此，提高其抗應(yīng)力腐蝕性能，必須綜合考慮強(qiáng)度、應(yīng)力腐蝕和焊接性能之間的制約關(guān)系［4，5］。

應(yīng)力腐蝕的測試實(shí)驗(yàn)方法比較常用的有慢應(yīng)變速率拉伸（Slow Strain Rate Tension，SSRT）實(shí)驗(yàn)、恒載荷實(shí)驗(yàn)、恒變形或恒位移實(shí)驗(yàn)等，廣泛應(yīng)用于研究合金的化學(xué)成分、熱處理及顯微組織、電化學(xué)效應(yīng)、環(huán)境介質(zhì)等對其抗應(yīng)力腐蝕性能的研究［6－11］。本工作應(yīng)用慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法（SSRT）和恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法研究了7A52鋁合金焊接件的抗應(yīng)力腐蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

焊板以7A52鋁合金作基材、使用5A56焊絲（化學(xué)成分見表1），采用雙絲氣體保護(hù)焊（MIG）工藝，雙面焊制成。焊板經(jīng)去應(yīng)力回火處理，探傷檢測合格后加工制作試樣。慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)用試樣形狀和尺寸參見HB 7235—95 ，恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)用試樣形狀和尺寸參見HB 5254—83［13］，焊縫位于試樣工作段的中間部位。

表1 7A52合金和5A56焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）Table 1 Chemical composition of 7A52aluminum alloy and 5A56welding wire（mass fraction／%）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

參照GB／T 15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕 第7部分 慢應(yīng)變速率實(shí)驗(yàn)》［14］和 HB 7235—95《慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法》［12］進(jìn)行。

1.2.2 恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

參照GB／T 15970.4—2000《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕 第4部分 單軸加載拉伸試樣的制備和應(yīng)用》［15］和 HB 5254—83《變形鋁合金拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法》［13］進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接試樣的力學(xué)性能

焊接試樣的力學(xué)性能見表2，表2中數(shù)據(jù)為3個(gè)試樣的平均值。與不同熱處理狀態(tài)的板材性能［2］相比較，焊接件的抗拉強(qiáng)度有所降低。

表2 焊接試樣的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of welding sample

2.2 慢應(yīng)變速率拉伸（SSRT）應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

SSRT實(shí)驗(yàn)分別在硅油（25℃）和3.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）NaCl溶液（25，35，45，55℃）中進(jìn)行，應(yīng)變速率選擇5×10－6s－1和5×10－7s－1兩種，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3，4，數(shù)據(jù)為3～5個(gè)平行試樣的平均值，以斷裂在焊接部位的試樣為有效試樣。SSRT條件下，評定合金應(yīng)力腐蝕敏感性的指標(biāo)包括斷裂應(yīng)力σ、斷裂時(shí)間t、斷裂能E以及斷口形貌特征的輔助分析等。腐蝕環(huán)境中斷裂應(yīng)力越小且斷裂時(shí)間越短的合金，其應(yīng)力腐蝕敏感性越大。應(yīng)力腐蝕敏感性越大的合金，其力學(xué)性能，如伸長率δ、斷面收縮率Φ相應(yīng)的也要降低。根據(jù)在環(huán)境和惰性介質(zhì)中斷面收縮率的比值ΦCS／ΦIM判定材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，一般認(rèn)為ΦCS／ΦIM＞95%時(shí)材料沒有應(yīng)力腐蝕敏感性。

表3 7A52在不同介質(zhì)中，應(yīng)變速率為5×10－6s－1時(shí)的伸長率、斷面收縮率和斷裂強(qiáng)度Table 3 Mechanical properties of 7A52in silica oil and 3.5%NaCl at the strain rate 5×10－6s－1

表4 7A52在不同介質(zhì)中，應(yīng)變速率為5×10－7s－1時(shí)的伸長率、斷面收縮率和斷裂強(qiáng)度Table 4 Mechanical properties of 7A52in silica oil and 3.5%NaCl at the strain rate 5×10－7s－1

從表3和表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可直觀地看出，在3.5%NaCl溶液中，兩種應(yīng)變速率下，均表現(xiàn)為隨著溶液溫度的升高，斷裂時(shí)間縮短，抗拉強(qiáng)度下降。以應(yīng)變速率5×10－6s－1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)時(shí)，在不同溫度下，伸長率、斷面收縮率的變化不明顯；但以應(yīng)變速率5×10－7s－1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著溶液溫度的升高，伸長率、斷面收縮率呈下降趨勢（見圖1）。

將SSRT獲得的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)加以處理，得到的ISSRT綜合指數(shù)較單項(xiàng)力學(xué)性能指數(shù)能更好地反映應(yīng)力腐蝕敏感性，ISSRT從0到1表示應(yīng)力腐蝕敏感性漸增。ISSRT計(jì)算公式如下［16］：

圖1 溫度和應(yīng)變速率對斷面伸長率（a）和收縮率（b）的影響Fig.1 The effect of temperature and strain rate on elongation（a）and rate of area reduce（b）

式中：σfw為在環(huán)境介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度，MPa；σfA為在惰性介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度，MPa；δfw為在環(huán)境介質(zhì)中的斷裂伸長率，%；δfA為在惰性介質(zhì)中的斷裂伸長率，%。

將25℃下在硅油和3.5%NaCl溶液中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（見表5）。

表5 25℃時(shí)不同應(yīng)變速率下的SCC敏感性比較Table 5 SCC susceptibility at 25℃and different strain rates

如果僅通過ΦCS／ΦIM來評價(jià)，以應(yīng)變速率為5×10－6s－1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)，7A52焊接試樣具有一定的SCC敏感性，而以應(yīng)變速率為5×10－7s－1進(jìn)行SSRT實(shí)驗(yàn)，7A52焊接試樣無SCC敏感性。

根據(jù)綜合指數(shù)ISSRT來看，兩種拉伸速率下的ISSRT值均遠(yuǎn)小于1，可以認(rèn)為7A52焊接試樣SCC敏感性很低，具有良好的抗SCC能力。

以ΦCS／ΦIM指標(biāo)作為SCC敏感性的評價(jià)指標(biāo)，與以綜合指數(shù)ISSRT作為SCC敏感性的評價(jià)指標(biāo)，得出的SCC敏感性評價(jià)結(jié)果存在差異。原因是在硅油中進(jìn)行的SSRT實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，應(yīng)變速率5×10－7s－1下的分散性比5×10－6s－1下的大，因此，以平均值計(jì)算ΦCS／ΦIM值的數(shù)據(jù)的誤差相對要大些。并且ΦCS／ΦIM計(jì)算時(shí)僅涉及材料的斷面收縮率一個(gè)性能指標(biāo)，而ISSRT計(jì)算時(shí)涉及材料的斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率兩個(gè)性能指標(biāo)，因此以ISSRT為SCC敏感的判據(jù)，較之以ΦCS／ΦIM為判據(jù)更為全面、準(zhǔn)確。

從斷口微觀可以看出，焊接部位普遍存在氣孔（圖2（a）和圖2（c）），正常焊接組織呈多孔蜂窩狀（圖2（b）和圖2（d））。

對比兩種不同拉伸速率下的斷口微觀可以發(fā)現(xiàn)，在3.5%NaCl溶液中，應(yīng)變速率為5×10－7s－1下的斷口呈現(xiàn)出明顯的應(yīng)力腐蝕開裂特征（見圖3）；而應(yīng)變速率為5×10－6s－1下，相似形態(tài)的斷口僅出現(xiàn)在溫度較高（55℃）的情況下（見圖4）。

綜合力學(xué)性能指標(biāo)評價(jià)結(jié)果和微觀斷口形貌分析，盡管7A52焊接件具有較好的抗應(yīng)力腐蝕能力，但在7A52焊接試樣的SSRT實(shí)驗(yàn)中，選擇應(yīng)變速率為5×10－7s－1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既能夠反映7A52焊接試樣在不同環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕敏感性，又能夠在比較短的時(shí)間得到可信的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了比較存在微觀缺陷和具有表面保護(hù)涂層時(shí)對應(yīng)力腐蝕敏感性的影響，在35℃，3.5%NaCl溶液中，以應(yīng)變速率5×10－6s－1進(jìn)行了三組實(shí)驗(yàn)（每組4個(gè)平行試樣），一組人為制造缺陷，即在試樣的工作部位（即焊接部位）線切割制造了寬為0.2mm、長度為1mm的缺口；一組為按照實(shí)際使用情況對鋁合金進(jìn)行陽極氧化后噴涂防護(hù)涂層；一組為焊接后未進(jìn)行熱處理的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表6。

可見，與在同等條件下無缺陷的試樣相比較，存在缺陷的情況下伸長率、斷面收縮率、斷裂時(shí)間、抗拉強(qiáng)度都下降，說明焊接部位一旦存在缺陷，其應(yīng)力腐蝕敏感性將會(huì)增大。

與相同條件下無防護(hù)的試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，涂層防護(hù)沒有顯示出優(yōu)勢，原因一是7A52焊接件本身應(yīng)力腐蝕敏感性低，二是防護(hù)涂層主要起到隔離腐蝕介質(zhì)的作用，在拉應(yīng)力的作用下，一旦涂層產(chǎn)生裂紋，涂層破裂的局部與整個(gè)試樣受保護(hù)的其他區(qū)域相比形成大陰極小陽極的結(jié)構(gòu)，電偶效應(yīng)的影響反而促進(jìn)腐蝕的發(fā)展，因此，在構(gòu)件的防護(hù)過程中，嚴(yán)格控制涂層的施工質(zhì)量、保證涂層的完整性是很重要的腐蝕控制措施。

圖2 25℃的硅油中，不同應(yīng)變速率時(shí)試樣的斷口形貌（a），（b）5×10－6s－1；（c），（d）5×10－7s－1Fig.2 Fracture morphology tested in silica oil at 25℃and different strain rates（a），（b）5×10－6s－1；（c），（d）5×10－7s－1

圖3 不同溫度的3.5%NaCl溶液中，應(yīng)變速率為5×10－7s－1下拉伸后的斷口形貌（a）25℃；（b）35℃；（c）45℃；（d）55℃Fig.3 Fracture morphology tested in 3.5%NaCl at different temperatures，the strain rate 5×10－7s－1（a）25℃；（b）35℃；（c）45℃；（d）55℃

未熱處理的試樣與相同實(shí)驗(yàn)條件下已進(jìn)行熱處理的試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，斷面收縮率和抗拉強(qiáng)度基本相同，但伸長率和斷裂時(shí)間稍高些，說明焊接后即使未進(jìn)行熱處理也不影響焊接接頭的抗應(yīng)力腐蝕性能。這主要是因?yàn)椋p絲焊焊接速率快，熱量來不及擴(kuò)散，熱影響區(qū)小，焊縫內(nèi)部成分較為均勻［17，18］。

圖4 不同溫度的3.5%NaCl溶液中，應(yīng)變速率為5×10－6s－1下拉伸后的斷口形貌（a）25℃；（b）35℃；（c）45℃；（d）55℃Fig.4 Fracture morphology tested in 3.5%NaCl at different temperatures，the strain rate 5×10－6s－1（a）25℃；（b）35℃；（c）45℃；（d）55℃

表6 7A52在不同狀態(tài)下的伸長率、斷面收縮率和斷裂強(qiáng)度Table 6 Mechanical properties of 7A52at different conditions

2.3 恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)

恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)在35℃和55℃的3.5%NaCl＋0.5%H2O2溶液中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可見，除55℃下施加應(yīng)力水平≥90%σp0.2的試樣有斷裂外，在應(yīng)力水平低于80%σp0.2時(shí)，即使實(shí)驗(yàn)長達(dá)90天也沒有發(fā)生斷裂。ASTM G47［19］中對于2×××和7×××系列的鋁合金在短橫向的應(yīng)力腐蝕敏感性評價(jià)時(shí)間分別為10天和20天，在長橫向的應(yīng)力腐蝕敏感性評價(jià)時(shí)間為40天。由此可見，焊接件具有良好的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。但是當(dāng)使用環(huán)境溫度較高、施加應(yīng)力大于等于90%σp0.2時(shí)，也有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

表7 7A52恒載荷拉伸SCC實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 The results of direct tensile stress corrosion test for 7A52

圖5是在55℃的3.5%NaCl＋0.5%H2O2溶液中進(jìn)行拉伸SCC實(shí)驗(yàn)，發(fā)生斷裂的試樣的斷口形貌?？梢娛堑湫偷腟CC斷口，存在明顯的二次裂紋，并且隨著應(yīng)力水平的增加，二次裂紋增大。

將55℃下恒載拉伸SCC實(shí)驗(yàn)后，但尚未斷裂的試樣再進(jìn)抗拉強(qiáng)度測試，結(jié)果見圖6，可見不同應(yīng)力水平下進(jìn)行恒載拉伸SCC實(shí)驗(yàn)后的剩余強(qiáng)度差別不大，這也從另一個(gè)方面說明了7A52焊接件具有良好的抗腐蝕和應(yīng)力腐蝕的性能。

圖5 55℃的3.5%NaCl＋0.5%H2O2 溶液中恒載荷拉伸SCC后的斷口形貌 （a）90%σp0.2；（b）95%σp0.2Fig.5 Microstructure after direct tensile stress test in 3.5%NaCl＋0.5%H2O2at 55℃ （a）90%σp0.2；（b）95%σp0.2

圖6 55℃的3.5%NaCl＋0.5%H2O2中SCC實(shí)驗(yàn)后的試樣的剩余強(qiáng)度Fig.6 Residual tensile strength after direct tensile stress test for 90days in 3.5%NaCl＋0.5%H2O2at 55℃

圖7是將35℃和55℃下恒載拉伸SCC實(shí)驗(yàn)后，但尚未斷裂的試樣再進(jìn)行拉伸，測試剩余強(qiáng)度后的試樣的斷口形貌，可見焊接部位普遍存在大小不同的氣孔，有的存在裂紋；在氣孔附近存在不同程度的微裂紋。

為了比較，每組5個(gè)試樣，不施加載荷分別浸泡在35℃和55℃的3.5%NaCl＋0.5%H2O2溶液中，90天后取出，并測試其抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8，可見其剩余強(qiáng)度差異不大。圖9是測試剩余強(qiáng)度后的試樣的斷口形貌，可見有氣孔，但無明顯的微裂紋。

圖7 3.5%NaCl＋0.5%H2O2溶液中恒載荷拉伸SCC后，剩余強(qiáng)度測試后的斷口形貌（a）35℃，50%σp0.2；（b）55℃，50%σp0.2；（c）35℃，70%σp0.2；（d）55℃，70%σp0.2；（e）35℃，90%σp0.2；（f）55℃，90%σp0.2Fig.7 Microstructure after direct tensile stress test in 3.5%NaCl＋0.5%H2O2and residual strength measurement（a）35℃，50%σp0.2；（b）55℃，50%σp0.2；（c）35℃，70%σp0.2；（d）55℃，70%σp0.2；（e）35℃，90%σp0.2；（f）55℃，90%σp0.2

圖8 未加載荷試樣浸泡90d后的剩余強(qiáng)度Fig.8 Residual strength after immersing 90dwithout loading

綜合恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出7A52鋁合金焊接件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的門檻值在35℃下使用時(shí)為153MPa，在55℃下使用時(shí)為136MPa。

3 結(jié)論

（1）應(yīng)用慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法，綜合單項(xiàng)指標(biāo)和綜合指數(shù)評價(jià)結(jié)果，7A52焊接件應(yīng)力腐蝕敏感性比較低，具有較好的抗應(yīng)力腐蝕能力。

（2）應(yīng)用恒載荷拉伸應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焊接件具有良好的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。但是當(dāng)使用環(huán)境溫度較高、施加應(yīng)力大于等于90%σp0.2時(shí)，也有可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。7A52鋁合金焊接件產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的門檻值在35℃下使用時(shí)為153MPa，在55℃下使用時(shí)為136MPa。

圖9 未加載荷試樣浸泡90d后剩余強(qiáng)度測試后的形貌 （a）35℃；（b）55℃Fig.9 Microstructure after immersing 90days in 3.5%NaCl without loading （a）35℃；（b）55℃

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