２０１５年６月 材料开发与应用 ・３１・ 文章编号：１００３—１５４５（２０１５）０３－００３１－０６ 时效时间对Ａ１—３．８８ Ｃｕ一１．１ ８ Ｍｇ一０．３ １ Ｍｎ铝合金 应力腐蚀开裂敏感性的影响 罗先甫，查小琴，赵 阳，郑国华，张利娟 （中国船舶重工集团公司第七二五研究所，河南洛阳４７１０２３） 摘要：用慢应变速率拉伸测试、金相（ＯＭ）、扫描电镜（ＳＥＭ）及透射电镜（ＴＥＭ）分析等方法研究了Ａｌ－ ３．８８Ｃｕ．１．１８Ｍｇ－０．３１Ｍｎ铝合金在 时效状态下的应力腐蚀开裂（ＳＣＣ）行为。结果表明：随着时效时间的 延长，合金的应力腐蚀开裂敏感性逐渐降低。合金应力腐蚀与晶间腐蚀具有正相关性，其本质是晶界与晶内 存在电位差，形成电偶腐蚀，在应力作用下，导致晶界连续腐蚀。在时效过程中，晶界Ｓ （Ｓ）相由连续分布逐 渐转变为断续分布，晶内析出相由ＧＰＢ区逐渐转变为Ｓ （Ｓ）相，并形成ＰＦＺ。这样的微观组织转变使合金应 力腐蚀开裂敏感性随着时效的进行逐渐降低。 关键词：时效；ＡＩ－３．８８Ｃｕ．１．１８Ｍｇ－０．３１Ｍｎ铝合金；慢应变速率拉伸；应力腐蚀开裂敏感性 中图分类号：ＴＧ１４６．２ 文献标识码：Ａ Ｅｆｆｅｃｔ ０ｆ Ａ ｎｇ Ｔｉｍｅ ｏｎ Ｓｔｒｅｓｓ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ａ１．３．８８Ｃｕ－１．１８Ｍｇ－０．３１Ｍｎ Ａｌｌｏｙ ＬＵＯ Ｘｉａｎ－ｆｕ，ＺＨＡ Ｘｉａｏ—ｑｉｎ，ＺＨＡｏ Ｙ帆ｇ，ＺＨＥＮＧ Ｇｕｏ—ｈｕａ，ＺＨＡＮＧ Ｌｉ ｊｕａｎ （Ｌｕｏｙａｎｇ Ｓｈｉｐ Ｍａｔｅｉｒａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ（ｓｃｃ）ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ Ａ１－３．８８Ｃｕ一１．１８Ｍｇ－０．３１Ｍｎ ｉｎ Ｔ６ ｔｅｍｐｅｒ ｗａｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｓｌｏｗ ｓｔｒａｉｎ ｒａｔｅ ｔｅｎｓｉｏｎ，ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏ— ｓｃｏｐｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｒｅｄｕｃｅｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ａｇｉｎｇ ｔｉｍｅ．Ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｈａｓ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ，ｗｈｏｓｅ ｅｓｓｅｎｃｅ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｇｒａｉｎ ａｎｄ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ｇａｌｖａｎｉｃ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｓｔｒｅｓｓ． Ｄｕｒｉｎｇ ａｇｉｎｇ，ｔｈｅ Ｓ （Ｓ）ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ ｏｆ ｒａｉｇｎ ｂｏｕｎｄａｒｙ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｔｏ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕ— ｔｉｏｎ。ｈｅｔ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｓ ｏｆ ｒａｉｇｎ ｃｈａｎｇｅｄ ｒｆｏｍ ＧＰＢ ｚｏｎｅ ｒａｄｕａｌｇｌｙ ｔｏ Ｓ （Ｓ）ｐｈａｓｅ ａｎｄ ＰＦＺ ｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｔｒａｎｓ— ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｌｌｏｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｄ ｗｉｔｈ ａｇｉｎｇ ｐｒｏｃｅｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｇｉｎｇ；ＡＩ－３．８８Ｃｕ－１．１８Ｍｇ－０．３１Ｍｎ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ；ｓｌｏｗ ｓｔｒａｉｎ ｔｅｎｓｉｌｅ ｔｅｓｔｉｎｇ￣ｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙ Ａｌ—Ｃｕ—Ｍｇ系高强铝合金具有质量轻、强度 应力腐蚀敏感性一直备受关注 。抗应力腐 高、韧性好、加工性能良好等特点，广泛应用于 各种飞机结构件＿ｌ Ｊ，如由美国Ａｌｃｏａ公司开发 的２５２４．Ｔ３合金已用于波音７７７客机，２０２６— １ｒ３５１等Ａｌ—Ｃｕ—Ｍｇ系新合金已经用于空客 Ａ３８０【２ Ｊ。应力腐蚀断裂是Ａｌ—Ｃｕ—Ｍｇ系铝合金 使用过程中主要的失效形式之一，是制约Ａｌ— Ｃｕ－Ｍｇ系合金发展的瓶颈，因而，高强铝合金的 蚀性能与高强铝合金的微观组织结构密切相 关，而适当的合金成分和恰当的热处理工艺能 改善其微观组织结构，进而提高铝合金的抗应 力腐蚀性能 。２５１９铝合金经过先高温后 低温的双级时效，抗应力腐蚀性能较差，过时 效处理后，合金的抗应力腐蚀性能提高，经过 形变热处理，合金抗应力腐蚀性能最好 一 。 而２０５６合金在Ｔ３态下具有最佳的抗应力腐 收稿日期：２０１５—０２—０４ 作者简介：罗先甫，男，助理工程师，硕士。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｏｘｆ ｃｓｕ＠１２６．ｃｏｍ。 ・３２・ 材料开发与应用 ２０１５年６月 蚀性能 Ｊ。 慢应变速率拉伸是近年来广泛使用的一种 测试金属及合金应力腐蚀敏感性的方法，与恒应 变法及恒载荷法等传统的试验方法相比，其最大 优点是测试周期短，能快速识别材料的应力腐蚀 敏感性 ６ Ｊ。本文作者通过熔炼铸造方法制备 了一种中等Ｃｕ／Ｍｇ比的铝合金，其Ｃｕ、Ｍｇ、Ｍｎ 含量均比２０２４铝合金略低，ｓｉ、Ｆｅ杂质含量极 低，本文主要考察时效时间对该合金在Ｔ６态下 抗应力腐蚀性能的影响，以期完善Ａｌ—Ｃｕ．Ｍｇ系 高强铝合金的应力腐蚀评价体系。 １ 实验材料及实验方法 按照熔炼铸造的方法制备Ａ１．Ｃｕ．Ｍｇ．Ｍｎ铝 合金，合金成分分析结果见表１。铸锭经４２０℃／ ８ ｈ＋４９０℃／１６ ｈ均匀化处理后，热轧至厚５ ｍｍ 左右，中间退火，之后冷轧成２ ｍｍ厚的板材。板 材经过５００℃／４０ ｍｉｎ固溶处理，水淬后分成三 份，一部分在１７５ ｏＣ时效４ ｈ（Ｔ６欠时效），一部 分在１７５ ｃＣ时效２５ ｈ（Ｔ６峰时效），一部分在１７５ ｃＣｌ时效８０ ｈ（Ｔ６过时效）。慢应变速率拉伸试样 垂直于轧向截取，工作段标距为２０ ｍｍ，宽为 ５ ｍｍ。 表１ 实验合金化学成分 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｌｌｏｙ（加） ％ 慢应变速率拉伸实验在ＷＤＭＬ．１型１０ ｋＮ 微机控制慢应变速率拉伸应力腐蚀试验机上进 行Ｌ９ Ｊ，应变速率为２×１０ Ｓ～，实验分别在室温 空气和质量浓度为３．５％ＮａＣ１＋０．５％Ｈ：Ｏ 溶 液中进行，溶液温度为３５±２ ｃ【＝。 ＴＥＭ组织观察在ＴＥＣＮＡＩＧ ２Ｏ电镜上进 行，加速电压为２００ ｋＶ；ＳＥＭ观察在Ｑｕａｎｔａ ２００ 环境扫描电镜上进行，加速电压为２００ ｋＶ；试样 表面腐蚀形貌在Ｌｅｉｃａ ＤＭＩＬＭ光学显微镜上 观察。 ２ 实验结果 ２．１ 慢应变速率拉伸性能 图１为实验合金时效不同时间后在空气和 ３．５％ＮａＣＩ＋０．５％Ｈ２０２（质量浓度，下同）溶液中 的慢应变速率拉伸（ＳＳＲＴ）曲线。由图１可见， 相同时效时间试样在腐蚀溶液中的拉伸强度和 拉伸时间都明显小于空气中的。 图１实验合金在空气和３．５％ＮａＣ１＋０．５％Ｈ２Ｏ２ 溶液中的ＳＳＲＴ曲线 Ｆｉｇ．１ ＳＳＲＴ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｅｄ ａｌｌｏｙ ｉｎ ａｉｒ ａｎｄ ｉｎ ３．５％ＮａＣ１＋０．５％Ｈ２Ｏ２ ｓｏｌｕｔｉｏｎ 表２列出了实验合金在Ｔ６态下时效不同时 间后的慢应变速率拉伸结果。根据ＧＢ／Ｔ １５９７０．７＿＿２０ｏ０《金属和合金的腐蚀应力腐蚀试 验第７部分：慢应变速率试验》，采用强度损失 （Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｌｏｓｓ）来表征合金的应力腐蚀敏感性。 其式为： 强度损失＝ ×１００％ （１） ａｉ 式中，ｏｒ ｉ 为空气中抗拉强度，ｏｒ ｉ 为腐蚀溶液 中抗拉强度。 从表２可以看出，时效相同时间试样在腐蚀 溶液中的抗拉强度较空气中的都显著降低；随着 时效时间的延长，强度损失依次降低，由欠时效 状态的５８．７％降低到过时效状态的３５．２％。根 据ＨＢ７２３５—９５［１０］，当力学性能指标损失５％以 上时，材料具有应力腐蚀开裂敏感性。说明在Ｔ６ 态下，实验合金在３．５％ＮａＣ１＋０．５％Ｈ２Ｏ２溶液 中具有一定的应力腐蚀敏感性。而强度损失逐 第３０卷第３期 罗先甫，等：应力腐蚀开裂敏感性的影响 ・３５・ 界与晶内电位接近，从而阻断晶界的连续溶 解Ｌｌ｝＿Ｈ Ｊ。一般来说，晶界具有高的界面能，当ｓ 相在高能晶界上析出时，吸收了附近的空位和溶 质原子，形成了ＰＦＺ，与基体及富Ｃｕ粒子相比，ｓ 相和ＰＦＺ电位较低，其中Ｓ相电位相对更负，在 腐蚀介质和拉应力作用下，Ｓ相优先发生阳极溶 解，然后ＰＦＺ也可能逐步发生阳极溶解；另外，由 于ＰＦＺ较软，强度低，易于产生应力集中，在应力 作用下更易于溶解¨ 。 Ａｌ一３．８８Ｃｕ．１．１８Ｍｇ－Ｏ．３１Ｍｎ铝合金属于中等 Ｃｕ／Ｍｇ比的Ａ１．Ｃｕ．Ｍｇ系合金，其典型的时效析 出系列是：Ｏｔ过饱和固溶体一ＧＰＢ区一ＧＰＢⅡ／Ｓ” 相 Ｓ 相一Ｓ（Ａ１，ＣｕＭｇ）相¨ 。在Ｔ６人工时效 条件下，合金的主要析出相为Ｓ 和Ｓ相，欠时效 时，主要析出ＧＰＢ区。 固溶淬火后在１７５ ｏＣ时效，由于时效温度 高，晶界ｓ相形核驱动力大，易于沿晶界析出多 而连续的Ｓ （Ｓ）相，而在晶界附近区域则形成较 宽的ＰＦＺ。欠时效时，由于时效时间较短，合金 晶界析出了Ｓ （Ｓ）相，晶内只析出大量的ＧＰＢ 区，还未形成明显的ＰＦＺ，晶界及其附近形貌为 连续分布的Ｓ （Ｓ）相＋ＧＰＢ区，连续分布的Ｓ相 联通了阳极腐蚀通道；另外，由于晶内析出了大 量的ＧＰＢ区，塑性变形时，位错切割ＧＰＢ区，易 于造成共面滑移，造成塑性变形在少数滑移带上 集中，提高了滑移带中的位错密度，在晶界上形 成位错塞积，使滑移带与晶界交点易于成为应力 腐蚀开裂点，因而增加了合金的应力腐蚀倾 向＿１引。综合这两方面的原因，实验合金在欠时 效条件下的应力腐蚀开裂敏感性很大。时效至 峰时效时，晶内ＧＰＢ区转化成Ｓ 相，晶界Ｓ （Ｓ） 相不断粗化，形成明显的ＰＦＺ，晶界及其附近形 貌为断续分布的Ｓ （Ｓ）相＋约０．２５ ｍ宽的 ＰＦＺ，Ｓ相和ＰＦＺ交替作为阳极发生溶解，合金的 应力腐蚀开裂敏感性仍很大。时效至过时效时， 晶内及晶界析出相继续粗化，晶界及其附近形貌 为孤立分布的球状ｓ （ｓ）相＋ＰＦＺ，由于ｓ相粗 大且孤立分布，析出相个数相对峰时效更少，析 出相间距相对峰时效更大，ＰＦＺ并未加宽，削弱 了应力腐蚀通道；另外，此时晶内脱溶相主要以 平衡相Ｓ相为主，位错运动主要是绕过机制，只 会产生位错环和位错缠结，不会在晶界塞积，因 而其应力腐蚀开裂敏感性较峰时效大大降低。 ４ 结论 （１）Ａ１＿３．８８Ｃｕ一１．１８Ｍｇ－０．３１Ｍｎ铝合金在 Ｔ６时效态下具有一定的应力腐蚀开裂敏感性， 其应力腐蚀开裂敏感性随着时效时间的延长逐 渐降低。 （２）Ａ１－３．８８Ｃｕ－１．１８Ｍｇ－Ｏ．３１Ｍｎ铝合金应力 腐蚀与晶间腐蚀具有正相关性，其本质是晶界与 晶内存在电位差，形成电偶腐蚀，在应力作用下， 导致晶界连续腐蚀。 （３）在时效过程中，晶界Ｓ （Ｓ）相由连续分 布逐渐转变为断续分布，晶内析出相由ＧＰＢ区逐 渐转变为Ｓ （Ｓ）相，并形成ＰＦＺ。这样的微观组 织转变使合金应力腐蚀开裂敏感性随着时效的 进行逐渐降低。 参考文献： ［１］Ｗａｒｎｅｒ Ｔ．Ｒｅｃｅｎｔｌｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｒｕｍ， ２００６，５１９／５２１：１２７１一ｌ２７８． ［２］刘兵，彭超群，王日初，等．大飞机用铝合金的研究 现状及展望［Ｊ］．中国有色金属学报，２０１０，２０（９）： １７０５—１７１５． ［３］ 刘继华，朱国伟，李荻，等．电极极化对铝合金应力 腐蚀断裂敏感性的影响［Ｊ］．材料保护，２００５，３８ （３）：２５—２７． ［４］ 刘继华．高强铝合金的应力腐蚀测试方法综述与 评价［Ｊ］．材料工程，２００７（１０）：７６—８Ｏ． ［５］Ｃｈａｎｇ Ｃ Ｈ，Ｌｅｅ Ｓ Ｌ，Ｌｉｎ Ｊ Ｃ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆＡｇ ｃｏｎｔｅｎｔ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｏｆ Ａ１・ ４．６Ｃｕ－０．３Ｍｇ ａｌｌｏｙ［Ｊ］．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００５，９１（２）：４５４—４６２． ［６］陈险峰，彭大暑，张辉，等．热处理制度对２５１９铝 合金板材力学性能和应力腐蚀敏感性的影响［Ｊ］． 中国有色金属学报，２００３，１３（４）：９３４—９３８． ［７］张新明，李慧中，陈明安，等．热处理对２５１９铝合 金应力腐蚀开裂敏感性的影响［Ｊ］．中国有色金属 学报，２００６，１６（１０）：１７４３一ｌ７４８． ［８］葛婧萱，郑子樵，罗先甫．热处理制度对２０５６铝合 金微观组织和抗应力腐蚀性能的影响［Ｊ］．中国有 色金属学报，２０１１，２１（１２）：２９９５－－３００１． ［９］ ＧＢ／Ｔ １５９７０．７—２Ｏ００．金属和合金的腐蚀应力腐 蚀试验第７部分：慢应变速率试验［Ｓ］． ［１０］ＨＢ ７２３５＿＿９５．慢应变速率应力腐蚀试验方法 『Ｓ］． ・３６・ 材料开发与应用 ２０１５年６月 ［１１］束德林．工程材料力学性能［Ｍ］．北京：机械工 业出版社，２００３：１４７—１５３． ［１２］苏景新，张昭，曹发和，等．铝合金的晶间腐蚀与 剥蚀［Ｊ］．中国腐蚀与防护学报，２００５，２５（３）： １８７—１９２． ［１３］Ｌｉ 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