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重慶長安汽車責任有限公司，重慶 400023）

7A52鋁合金是中強可焊合金結構材料，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，是航空航天器與地面車輛和裝備的主要焊接結構材料。7A52鋁合金是Al－Zn－Mg－Cu系合金，屬于可熱處理強化合金，通過改進固溶處理和時效工藝，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整可提高其抗應力腐蝕性能，但是以犧牲強度和降低焊接性能為代價。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，提高其抗應力腐蝕性能，必須綜合考慮強度、應力腐蝕和焊接性能之間的制約關系［4，5］。

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

1 實驗

1.1 實驗材料

焊板以7A52鋁合金作基材、使用5A56焊絲（化學成分見表1），采用雙絲氣體保護焊（MIG）工藝，雙面焊制成。焊板經(jīng)去應力回火處理，探傷檢測合格后加工制作試樣。慢應變速率應力腐蝕實驗用試樣形狀和尺寸參見HB 7235—95 ，恒載荷拉伸應力腐蝕實驗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焊絲的化學成分（質量分數(shù)／%）Table 1 Chemical composition of 7A52aluminum alloy and 5A56welding wire（mass fraction／%）

1.2 實驗方法

1.2.1 慢應變速率應力腐蝕實驗

參照GB／T 15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕 第7部分 慢應變速率實驗》［14］和 HB 7235—95《慢應變速率應力腐蝕實驗方法》［12］進行。

1.2.2 恒載荷拉伸應力腐蝕實驗

參照GB／T 15970.4—2000《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕 第4部分 單軸加載拉伸試樣的制備和應用》［15］和 HB 5254—83《變形鋁合金拉伸應力腐蝕實驗方法》［13］進行。

2 結果與分析

2.1 焊接試樣的力學性能

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

表2 焊接試樣的力學性能Table 2 Mechanical properties of welding sample

2.2 慢應變速率拉伸（SSRT）應力腐蝕實驗

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

表3 7A52在不同介質中，應變速率為5×10－6s－1時的伸長率、斷面收縮率和斷裂強度Table 3 Mechanical properties of 7A52in silica oil and 3.5%NaCl at the strain rate 5×10－6s－1

表4 7A52在不同介質中，應變速率為5×10－7s－1時的伸長率、斷面收縮率和斷裂強度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的實驗結果可直觀地看出，在3.5%NaCl溶液中，兩種應變速率下，均表現(xiàn)為隨著溶液溫度的升高，斷裂時間縮短，抗拉強度下降。以應變速率5×10－6s－1進行SSRT實驗時，在不同溫度下，伸長率、斷面收縮率的變化不明顯；但以應變速率5×10－7s－1進行SSRT實驗時，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獲得的各項力學性能指標加以處理，得到的ISSRT綜合指數(shù)較單項力學性能指數(shù)能更好地反映應力腐蝕敏感性，ISSRT從0到1表示應力腐蝕敏感性漸增。ISSRT計算公式如下［16］：

圖1 溫度和應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)境介質中的斷裂強度，MPa；σfA為在惰性介質中的斷裂強度，MPa；δfw為在環(huán)境介質中的斷裂伸長率，%；δfA為在惰性介質中的斷裂伸長率，%。

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

表5 25℃時不同應變速率下的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，以應變速率為5×10－6s－1進行SSRT實驗，7A52焊接試樣具有一定的SCC敏感性，而以應變速率為5×10－7s－1進行SSRT實驗，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值均遠小于1，可以認為7A52焊接試樣SCC敏感性很低，具有良好的抗SCC能力。

以ΦCS／ΦIM指標作為SCC敏感性的評價指標，與以綜合指數(shù)ISSRT作為SCC敏感性的評價指標，得出的SCC敏感性評價結果存在差異。原因是在硅油中進行的SSRT實驗的數(shù)據(jù)，應變速率5×10－7s－1下的分散性比5×10－6s－1下的大，因此，以平均值計算ΦCS／ΦIM值的數(shù)據(jù)的誤差相對要大些。并且ΦCS／ΦIM計算時僅涉及材料的斷面收縮率一個性能指標，而ISSRT計算時涉及材料的斷裂強度和斷裂伸長率兩個性能指標，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，應變速率為5×10－7s－1下的斷口呈現(xiàn)出明顯的應力腐蝕開裂特征（見圖3）；而應變速率為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）。

綜合力學性能指標評價結果和微觀斷口形貌分析，盡管7A52焊接件具有較好的抗應力腐蝕能力，但在7A52焊接試樣的SSRT實驗中，選擇應變速率為5×10－7s－1進行實驗，既能夠反映7A52焊接試樣在不同環(huán)境中的應力腐蝕敏感性，又能夠在比較短的時間得到可信的實驗結果。

為了比較存在微觀缺陷和具有表面保護涂層時對應力腐蝕敏感性的影響，在35℃，3.5%NaCl溶液中，以應變速率5×10－6s－1進行了三組實驗（每組4個平行試樣），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；一組為按照實際使用情況對鋁合金進行陽極氧化后噴涂防護涂層；一組為焊接后未進行熱處理的。實驗結果見表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、斷裂時間、抗拉強度都下降，說明焊接部位一旦存在缺陷，其應力腐蝕敏感性將會增大。

與相同條件下無防護的試樣實驗結果比較，涂層防護沒有顯示出優(yōu)勢，原因一是7A52焊接件本身應力腐蝕敏感性低，二是防護涂層主要起到隔離腐蝕介質的作用，在拉應力的作用下，一旦涂層產(chǎn)生裂紋，涂層破裂的局部與整個試樣受保護的其他區(qū)域相比形成大陰極小陽極的結構，電偶效應的影響反而促進腐蝕的發(fā)展，因此，在構件的防護過程中，嚴格控制涂層的施工質量、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，不同應變速率時試樣的斷口形貌（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驗條件下已進行熱處理的試樣的實驗結果比較，斷面收縮率和抗拉強度基本相同，但伸長率和斷裂時間稍高些，說明焊接后即使未進行熱處理也不影響焊接接頭的抗應力腐蝕性能。這主要是因為，雙絲焊焊接速率快，熱量來不及擴散，熱影響區(qū)小，焊縫內部成分較為均勻［17，18］。

圖4 不同溫度的3.5%NaCl溶液中，應變速率為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度Table 6 Mechanical properties of 7A52at different conditions

2.3 恒載荷拉伸應力腐蝕實驗

恒載荷拉伸應力腐蝕實驗在35℃和55℃的3.5%NaCl＋0.5%H2O2溶液中進行，實驗結果見表7。由表7可見，除55℃下施加應力水平≥90%σp0.2的試樣有斷裂外，在應力水平低于80%σp0.2時，即使實驗長達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力腐蝕敏感性評價時間分別為10天和20天，在長橫向的應力腐蝕敏感性評價時間為40天。由此可見，焊接件具有良好的抗應力腐蝕開裂的性能。但是當使用環(huán)境溫度較高、施加應力大于等于90%σp0.2時，也有可能發(fā)生應力腐蝕開裂。

表7 7A52恒載荷拉伸SCC實驗結果Table 7 The results of direct tensile stress corrosion test for 7A52

圖5是在55℃的3.5%NaCl＋0.5%H2O2溶液中進行拉伸SCC實驗，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，并且隨著應力水平的增加，二次裂紋增大。

將55℃下恒載拉伸SCC實驗后，但尚未斷裂的試樣再進抗拉強度測試，結果見圖6，可見不同應力水平下進行恒載拉伸SCC實驗后的剩余強度差別不大，這也從另一個方面說明了7A52焊接件具有良好的抗腐蝕和應力腐蝕的性能。

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實驗后的試樣的剩余強度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實驗后，但尚未斷裂的試樣再進行拉伸，測試剩余強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，并測試其抗拉強度。實驗結果見圖8，可見其剩余強度差異不大。圖9是測試剩余強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后的剩余強度Fig.8 Residual strength after immersing 90dwithout loading

綜合恒載荷拉伸應力腐蝕實驗結果，可以得出7A52鋁合金焊接件產(chǎn)生應力腐蝕的門檻值在35℃下使用時為153MPa，在55℃下使用時為136MPa。

3 結論

（1）應用慢應變速率拉伸應力腐蝕實驗方法，綜合單項指標和綜合指數(shù)評價結果，7A52焊接件應力腐蝕敏感性比較低，具有較好的抗應力腐蝕能力。

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

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

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