第32卷第3期2011年9月 力 学 季 刊CHINESE QUART E RLY OF MECHANIC SVol.32No.3 Sep.2011 ZL101铝合金应力腐蚀特性研究李 晨,孟祥琦,刘 畅,许金泉(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院工程力学系,上海200240)摘要:研究了初始应力对于ZL101铝合金应力腐蚀的影响。
采用自制载荷传感器确定试样加载线上的载荷从而确定其应力强度因子。
通过ZL101铝合金在腐蚀溶液中的应力腐蚀实验,测定了不同应力状态下的起裂时间,分析了初始应力与起裂时间的关系。
结果表明:ZL101铝合金在拉伸状态下的腐蚀裂纹扩展比较剧烈,而压缩状态下的裂纹扩展比较缓慢平稳。
压缩应力状态下的起裂时间比拉伸应力状态下的要长,拉伸状态下材料对于应力腐蚀更为敏感。
收稿日期:2011-01-11作者简介:李晨(1986-),男,上海人,硕士研究生.研究方向:金属应力腐蚀与腐蚀疲劳.关键词:铸造铝合金;ZL101;应力腐蚀中图分类号:O346.4 文献标识码:A 文章编号:0254-0053(2011)03-338-05Research on Stress Corrosion Cracking of ZL101Alumin um AlloyLI Chen,MENG Xiang-qi,LIU Chang,XU Jin-quan(School of Naval Architecture,Ocean and Civil Engineering,S hanghai Jiaoto ng University,Shanghai200240,China)Abstract:The influence of initial stress on stress corrosion cracking of ZL101aluminum alloy was re-searched.The force of specimen loading line was measured by self-made loading sensors which could re-present the stress intensity factor.The stress corrosion cracking time at different stress state was tested and the relation between initial stress and cracking time was analyzed through stress corrosion cracking tests of ZL101.The results indicate that the crack growth is severe under tension stress and it is slow and gentle under pressure stress.The cracking time under pressure stress is later than which under tension stress and it is more sensitive to stress corrosion under tension stress.Key words:cast aluminum alloy;ZL101;stress corrosion ZL101铝合金具有良好的铸造性能、可热处理强化性能、流动性好、热裂倾向低等优点,成为汽车、航空领域广泛应用的Al-Si系铸造铝合金。
近年来,关于铝合金成分、组织与性能之间的关系做了大量研究,以提高铝合金的力学性能[1～4],但对于ZL101铝合金抗腐蚀性能研究较少。
有研究表明,ZL101铝合金腐蚀的主要原因是共晶硅沿晶界分布,共晶硅和基体之间存在电位差,形成大阳极小阴极的腐蚀电池,基体作为阳极被腐蚀。
晶界腐蚀敏感性低,但是内应力或杂质偏聚会增加晶间腐蚀敏感性,增大晶间腐蚀级别。
另外,ZL101铝合金在3.5%NaCl水溶液中应力腐蚀敏感性较高,其应力腐蚀强度因子K1SC C=8.45MPa·m1/2。
应力腐蚀开裂时阳极溶解和机械损伤共同作用的结果,以阳极溶解为主,其断口为穿晶脆断形貌[5,6]。
本文为了研究初始应力对ZL101铝合金应力腐蚀的影响,对不同初始应力状态下的试样进行应力腐蚀试验。
在GB/T15970的基础上使用自制的螺栓传感器测量试样所受载荷。
确定腐蚀溶液对ZL101铝合金破坏行为的影响,包括缺口处的起裂时间和开裂过程。
试验结束后用扫描电镜观察断口形貌。
D OI:10.15959/ ki.0254-0053.2011.03.0031 试验1.1 试验材料本文使用的材料为ZL101铝合金,所有试件取自同一块铝合金锭,通过应变测量表征裂纹的扩展。
试件形状尺寸及应变片位置如图1所示。
图1 试件示意图Fig .1 Stress co rro sion specimen1.2 自制载荷传感器使用紧凑拉伸试样的应力腐蚀试验通常采用位移控制。
为了获得加载线上的荷载值从而确定其应力强度因子,本文使用自制的载荷传感器,其形状尺寸如图2所示。
两种传感器均加工出两个相对的平台,两面贴上应变片以消除测量轴向应变时的弯曲影响。
拉应力传感器从拉应力试件一端旋紧在裂纹尖端产生拉应力;压应力传感器从试件加载线穿过,另一端用螺母紧固,在压应力试件裂纹尖端产生压应力。
连接应变片的导线从传感器开的小孔中引出。
图2 自制载荷传感器示意图Fig .2 Self -mad e force sensors1.3实验方法(1)对每个螺栓传感器进行标定以确定载荷与应变的对应关系。
(2)为了得到两种材料拉伸压缩断裂的极限强度,进行常温破坏性试验,确定试件破坏时螺栓传感器339第3期 李 晨,等:ZL 101铝合金应力腐蚀特性研究所能达到的最大应变,即破坏所能达到的最大载荷。
表1为试验结果。
表1 预备试验结果Tab .1 Preliminary test result拉伸压缩K I C (MPam 1/2)156.80158.69(3)通过常温破坏试验确定应力腐蚀实验的加载载荷,拉、压各分3个加载等级,为了加速腐蚀,实验在3.5%HCl +NaCl 饱和溶液中进行。
表2 试验加载信息表Tab .2 Test lo ading d ataK I (MPam 1/2)加载等级123铝合金拉伸压缩117.60119.0278.4079.3539.2039.672 试验分析根据试验数据作出应变-时间曲线。
图3是ZL101铝合金在拉伸载荷K I =117.60MPam 1/2下的应变-时间曲线。
从图中可以看到在整个腐蚀过程中铝合金在1小时左右集中发生多次次裂纹扩展,之后应变值先回到初始位置后缓慢的变大。
图4是ZL101铝合金在压缩载荷K I =79.35MPam 1/2下的应变-时间曲线。
应变值首先线性增加,在25小时后趋于平缓,在100小时后开始起裂。
比较图3和图4可以看出,拉伸实验中裂纹扩展比较剧烈,集中在某一段时间内。
而压缩试验中裂纹扩展的过程较为平稳,持续时间较长。
图3 ZL 101铝合金拉伸应力腐蚀应变-时间曲线Fig .3 ZL 101tension stress co rrosio n strain -time curve在拉伸应力状态下,材料晶体组织发生位错,造成材料表面缺陷,在缺陷处发生沿晶腐蚀,形成应力集中,最后材料发生延性破坏[7]。
而在压缩应力状态下,在裂纹尖端形成塑性变形区,处于塑性变形下的区域容易产生腐蚀并产生腐蚀间隙,,从而使腐蚀间隙向前推进,产生新的塑性变形区。
当应力释放到一定程度时,裂纹扩展速率开始趋于平缓直至最后断裂。
这就解释了图4曲线形成的原因。
从图5可以看到扩展裂纹方向发生了偏移,逐渐与应变片方向平行,因而应变值先回到初始位置后缓慢的变大。
也可以看到明显的扩展裂纹和腐蚀边界,观察腐蚀面,发现大量的腐蚀生成物在晶界间析出,340力 学 季 刊 第32卷从其组织结构上看是明显的沿晶腐蚀,可以判断是机械模式的应力腐蚀破坏机制。
ZL101铝合金沿晶腐蚀倾向很小,这是由它的组织特性决定的。
其显微组织主要有铝基体和共晶硅组成。
由于铝基体所占面积很大,共晶硅面积小形成了大阳极小阴极的腐蚀体系,在一定的腐蚀电流下,阳极的腐蚀电流密度很小,使腐蚀进行的很慢,导致沿晶腐蚀发展的很慢。
但是由于热处理过程中产生的初始应力及缺陷会使得ZL101铝合金容易产生沿晶腐蚀。
ZL101铝合金应力腐蚀破坏模式主要是阳极溶解与机械模式。
对于压缩状态下的应力腐蚀,阳极溶解模式更是主要模式。
Chu 等人针对7075铝合金施加不同的拉伸及压缩应力[8],比较其应力腐蚀破坏的开始时间,得到该铝合金在不同应力状态下的应力强度因子与起裂时间的曲线图。
同时还得到,7075铝合金在3.5%NaCl溶液中,拉伸应力腐蚀强度因子K 1SC C =27.6MPa ·m 1/2,压缩应力腐蚀强度因子K 1SCC =8.3MPa ·m 1/2。
图6为ZL101铝合金在不同拉伸压缩应力下应力强度因子关于起裂时间的曲线图。
比较可以看出,处于压缩应力状态下的起裂时间比处于拉伸应力状态下的要长。
在同一应力状态下,应力强度因子与起裂时间负相关。
拉伸应力状态下的曲线关于应力强度因子的变化率大于压缩应力状态下的曲线变化率,说明拉伸状态下材料对于应力腐蚀更为敏感。
其结果与Chu 等人得出的曲线趋势是一致的。
可以发现,图6曲线与金属材料S -N 曲线,仿照其定义如下应力强度因子与起裂时间关系式341第3期 李 晨,等:ZL 101铝合金应力腐蚀特性研究图6 ZL 101铝合金在不同拉伸压缩应力下的起裂时间Fig .6 ZL 101SIF -time curve at different tensio n or pressure stressK I tm =C 通过数据拟合可以确定系数m 和C :拉伸:K I t 0.339=127;压缩:K I t 0.936=4628。
该关系式给出了应力强度因子大于应力腐蚀强度因子情况下应力强度因子与起裂时间的对应关系。
3 结论本文主要通过实验研究初始应力对ZL101铝合金应力腐蚀的影响,得出以下几条结论:(1)ZL101铝合金在拉伸及压缩状态下均能引发应力腐蚀破坏。
(2)拉伸状态下的腐蚀裂纹扩展比较剧烈,而压缩状态下的裂纹扩展比较缓慢平稳。
(3)断口为沿晶腐蚀,应力腐蚀破坏机制为阳极溶解模式与机械模式。
(4)压缩应力状态下的起裂时间比拉伸应力状态下的要长,拉伸状态下材料对于应力腐蚀更为敏感。