姜 根，柏振海，羅兵輝，王 帥，羅嘉倩

（中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410083）

0 前言

以6061 為代表的6×××系A(chǔ)l-Mg-Si 合金具有良好的工藝塑性、焊接性能和耐腐蝕性，而且應(yīng)力腐蝕敏感性很低，因而被廣泛應(yīng)用于軌道交通以及現(xiàn)代建筑等領(lǐng)域[1-2]。6×××系鋁合金一般是由鑄錠經(jīng)均勻化、熱軋而后固溶時(shí)效（一般為T(mén)6），然后應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但在某些特定熱處理狀態(tài)下的6×××系鋁合金還是會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂[3-4]。

本論文擬通過(guò)對(duì)不同熱處理狀態(tài)下的6061 鋁合金（包括鑄態(tài)、均勻化態(tài)、熱軋態(tài)和T6 峰時(shí)效態(tài)）在3.5%NaCl 溶液中的應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，從而探究6061 鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感性是否具有“遺傳性”。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為商用6061 鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。鑄錠在560 ℃下均勻化9 h后，在490 ℃下保溫2 h 經(jīng)四道次進(jìn)行75%的熱變形，隨后進(jìn)行退火（320 ℃/2 h）以去除軋制過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，最后進(jìn)行T6 峰時(shí)效處理（535 ℃固溶1.5 h，180 ℃時(shí)效9 h）。慢應(yīng)變速率拉伸的試樣及測(cè)試方法分別按照GB/T 228.1-2010[5]和GB/T 15970.7-2000[6]進(jìn)行。試樣尺寸如圖1所示。應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)在RWS50-CRIMS型慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，腐蝕介質(zhì)為3.5%NaCl溶液，應(yīng)變速率為6.67×10-6s-1，試驗(yàn)溫度為25±1 ℃。開(kāi)始試驗(yàn)前先施加150 N 的載荷以消除機(jī)械誤差。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

圖1 慢應(yīng)變拉伸實(shí)驗(yàn)試樣尺寸

表示應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)的方法有很多，比如使用斷裂時(shí)間的比值、延伸率的比值或者是斷裂能的比值等等。本文使用公式（1）給出的方法計(jì)算應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)ΙSSRT。該公式所給出的應(yīng)力腐蝕敏感性評(píng)判依據(jù)是：與使用單項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行表征的應(yīng)力腐蝕敏感性指數(shù)相比，將SSRT 實(shí)驗(yàn)所獲得的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)如斷裂強(qiáng)度和延伸率等進(jìn)行數(shù)學(xué)處理后的結(jié)果，能更好地反映材料的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性。ΙSSRT的數(shù)值越大，表示其抗應(yīng)力腐蝕的能力越差[7]。

6061 鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)用ΙSSRT表示[8]，公式為：

式中，σfw表示試樣在腐蝕介質(zhì)中的斷裂強(qiáng)度（MPa），σfA表示試樣在惰性介質(zhì)（干燥空氣）中的斷裂強(qiáng)度（MPa），δfw表示試樣在腐蝕介質(zhì)中的斷裂伸長(zhǎng)率（%），δfA表示試樣在惰性介質(zhì)（干燥空氣）中的斷裂伸長(zhǎng)率（%）。

慢應(yīng)變速率拉伸斷口經(jīng)過(guò)無(wú)水乙醇清洗后使用Siron 200 型掃描電鏡進(jìn)行觀察。金相樣品使用Keller試劑腐蝕后在Ployvar-Met 金相顯微鏡上進(jìn)行組織觀察。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力腐蝕測(cè)試

圖2為不同熱處理狀態(tài)的6061鋁合金在空氣和3.5%NaCl 溶液中的慢應(yīng)變速率拉伸曲線?？梢?jiàn)鑄態(tài)合金在空氣和NaCl 溶液中僅存在延伸率上的損失，均勻化態(tài)的合金僅在強(qiáng)度上有所損失，而熱軋態(tài)的合金在強(qiáng)度和延伸率上都幾乎不存在損失，T6態(tài)的合金在強(qiáng)度和延伸率上均只有很少的損失。就強(qiáng)度而言，T6態(tài)＞鑄態(tài)＞熱軋態(tài)＞均勻化態(tài)。

圖2 不同狀態(tài)的6061鋁合金在空氣和3.5%NaCl溶液中的SSRT曲線

表2是判斷6061鋁合金是否具有應(yīng)力腐蝕所需的參數(shù)。根據(jù)HB 7235-1995[8]的規(guī)定，當(dāng)ψcorr/ψair＜95%時(shí)，可以認(rèn)為材料在腐蝕介質(zhì)中具有應(yīng)力腐蝕敏感性。但由于慢應(yīng)變速率拉伸斷口不均勻，若通過(guò)測(cè)量直徑計(jì)算頸縮處的橫截面積則誤差較大，故用公式（2）計(jì)算頸縮處橫截面積。

式中，S0、Le分別為試樣的橫截面積和引伸計(jì)標(biāo)距，F(xiàn)b、Fu分別為B點(diǎn)和斷裂時(shí)的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的力，Δb、Δu 分別為B 點(diǎn)的延伸和斷裂時(shí)的延伸。

經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，4種狀態(tài)的6061鋁合金除了熱軋態(tài)外都具有應(yīng)力腐蝕敏感性。表3是6061鋁合金應(yīng)力腐蝕測(cè)試的結(jié)果。其它3種狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕敏感性順序?yàn)椋壕鶆蚧瘧B(tài)＞鑄態(tài)＞T6 態(tài)。但相比于2×××系和7×××系鋁合金來(lái)說(shuō)其應(yīng)力腐蝕敏感性很小[7，9]。

表2 6061鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性判斷所需參數(shù)

表3 6061鋁合金應(yīng)力腐蝕測(cè)試結(jié)果

2.2 拉伸斷口觀察

圖3是不同狀態(tài)的6061鋁合金慢應(yīng)變速率拉伸的斷口掃描照片。從圖3（a）和圖3（b）中可以看出，鑄態(tài)6061 鋁合金在空氣和NaCl 溶液中的斷口形貌都以沿晶斷裂為主，但是在NaCl 溶液中的斷口中有二次裂紋的存在，這是應(yīng)力腐蝕斷口的典型形貌之一；圖3（c）和圖3（d）是均勻化態(tài)6061 鋁合金的斷口形貌?？諝庵械臄嗫谛蚊彩且皂g窩為主的韌性斷裂，而從NaCl 溶液中的斷口中可以觀察到解理區(qū)的存在，這是應(yīng)力腐蝕斷口的另一個(gè)特征；圖3（e）和圖3（f）是熱軋態(tài)6061 鋁合金的斷口形貌，空氣和NaCl 溶液中斷口都是韌性斷裂，整個(gè)斷口形貌相似，說(shuō)明其無(wú)應(yīng)力腐蝕敏感性；圖3（g）和圖3（h）是T6 峰時(shí)效態(tài)6061 鋁合金的斷口形貌。空氣中的斷口為韌性斷裂，韌窩數(shù)量多且深，而從NaCl 溶液中的斷口可以觀察到韌窩數(shù)量變少且變淺、變大，部分區(qū)域有轉(zhuǎn)變成解理面的趨勢(shì)。

圖3 6061鋁合金SSRT斷口掃描電鏡照片

2.3 微觀組織觀察

圖4是不同熱處理狀態(tài)的6061鋁合金的金相照片。從圖4（a）鑄態(tài)組織的金相照片中可以看出，合金存在較明顯的枝晶偏析，晶界上析出相連續(xù)粗大，形成網(wǎng)絡(luò)狀組織；圖4（b）是均勻化態(tài)的金相組織照片，枝晶偏析基本消除，晶界析出相回溶到基體，晶界變窄、變細(xì)，但仍然連續(xù)；圖4（c） 為熱軋板的金相顯微組織，晶粒沿軋制方向顯著延展成纖維狀組織，晶界析出相變得不連續(xù)且更加細(xì)小；圖4（d）為T(mén)6 峰時(shí)效態(tài)的金相組織照片，晶界析出相更加離散細(xì)小，呈顆粒狀，且晶界處開(kāi)始出現(xiàn)無(wú)沉淀析出帶，晶內(nèi)析出相細(xì)小而密集。

圖4 不同狀態(tài)的6061鋁合金的金相照片

3 分析與討論

從應(yīng)力腐蝕分析結(jié)果來(lái)看，不同狀態(tài)的6061鋁合金在應(yīng)力腐蝕性能上沒(méi)有“遺傳性”，熱軋態(tài)的合金不具有應(yīng)力腐蝕敏感性，而其他3種狀態(tài)的應(yīng)力腐蝕敏感性順序?yàn)椋壕鶆蚧瘧B(tài)＞鑄態(tài)＞T6 態(tài)，其ΙSSRT分 別 為0.090、0.063、0.052 （如 表3 所示）。對(duì)于鑄態(tài)的合金（圖4（a）），由于其晶間析出相連續(xù)，容易形成陽(yáng)極腐蝕通道，且晶界附近存在元素偏析，使得與晶界析出相之間存在電位差，因而會(huì)造成材料的應(yīng)力腐蝕，所以鑄態(tài)合金的應(yīng)力腐蝕斷口與空氣中的斷口均為沿晶斷裂（見(jiàn)圖3（a）和圖3（b））。但應(yīng)力腐蝕斷口有二次裂紋的存在，這是因?yàn)楹辖鸢l(fā)生應(yīng)力腐蝕使得晶界脆化，晶粒在拉力的作用下更容易被拉扯開(kāi)來(lái)，從而產(chǎn)生二次裂紋。均勻化態(tài)的組織（圖4（b））因晶界附近元素分布均勻，晶界析出相與晶界周圍的電位差較大，晶界析出相連續(xù)，容易形成陽(yáng)極腐蝕通道，故其應(yīng)力腐蝕敏感性最高。所以均勻化態(tài)的合金在空氣中的斷口是韌性斷裂，而應(yīng)力腐蝕斷口上存在大片的解理區(qū)。熱軋態(tài)的合金（圖4（c））經(jīng)應(yīng)力退火后，合金中存在的內(nèi)應(yīng)力很小，晶界析出相離散分布，尺寸相對(duì)于T6 態(tài)較大，更容易捕捉應(yīng)力腐蝕過(guò)程中的氫，不易形成陽(yáng)極腐蝕通道，且晶界沒(méi)有無(wú)沉淀析出帶的存在，因此熱軋態(tài)的合金不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。所以熱軋態(tài)在空氣和腐蝕液中的斷口形貌相似（見(jiàn)圖3（e）和圖3（f））。而T6峰時(shí)效態(tài)（圖4（d））的晶界析出相呈顆粒狀不連續(xù)分布，且有無(wú)沉淀析出帶的存在，晶內(nèi)析出相細(xì)小且密集，但是寬化的無(wú)沉淀析出帶與晶界析出相之間存在電位差，故而使得材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕。所以T6 態(tài)的合金在空氣中的斷口是韌性斷裂，而應(yīng)力腐蝕斷口上也存在大片的解理區(qū)。

4 結(jié)論

（1）6061 鋁合金從鑄態(tài)、均勻化態(tài)、熱軋態(tài)到T6 峰時(shí)效態(tài)均不存在應(yīng)力腐蝕性能上的“遺傳性”。

（2）熱軋態(tài)的合金不具有應(yīng)力腐蝕敏感性，其余3 種狀態(tài)合金的應(yīng)力腐蝕敏感性順序依次為：勻化態(tài)＞鑄態(tài)＞T6 峰時(shí)效態(tài)，其應(yīng)力腐蝕敏感性系數(shù)分別為0.094、0.064、0.053。

（3）6061 鋁合金鑄態(tài)樣品在空氣和腐蝕液中的拉伸斷口都是沿晶斷裂，但應(yīng)力腐蝕斷口中有二次裂紋的存在；熱軋態(tài)的樣品在空氣和腐蝕液中的拉伸斷口都是韌性斷裂，所以無(wú)應(yīng)力腐蝕敏感性；均勻化態(tài)和T6 態(tài)的樣品在空氣中的拉伸斷口以韌性斷裂為主，而應(yīng)力腐蝕斷口中存在韌窩和解理區(qū)域，是韌性斷裂和脆性斷裂的混合斷裂。