5083铝合金搅拌摩擦焊缝应力腐蚀行为.pdf

第４卷第４期２０１０年１２月材料研究与应用ＭＡＴＥＲＩＡＩ。ＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＩ。ＩＣＡＴｌ０Ｎｖ０１．４．ＮＯ．４Ｄｅｃ．２０１０———文章编号：１６７３９９８１（２０１０）０４０５０９０５５０８３铝合金搅拌摩擦焊缝应力腐蚀行为＊袁鸽成，李仲华，朱振华，路浩东，吴其光（广东工业大学材料与能源学院，广东广州５１００９０）摘要：在慢应变速率拉伸试验机上，分别测定了５０８３－Ｈ３２１铝合金板材及其搅拌摩擦焊焊缝在空气和３．５％ＮａＣＩ溶液中的应力一应变曲线；借助光学显微镜、显微硬度仪、动电位扫描仪及扫描电子显微镜分析了焊缝和母材的微观组织、硬度分布、极化曲线及应力腐蚀断口的微观形貌．结果表明：焊缝的断裂强度及表层硬度分别达到母材强度及硬度的９６％和９０％，伸长率超过母材的２倍；应力腐蚀敏感指数低于母材；焊缝应力腐蚀断口呈现与母材断口不同的混合型断裂形貌．焊缝的细晶组织及第二相溶解是其抗应力腐蚀性能优于母材的本质原因．关键词：５０８３铝合金；搅拌摩擦焊；慢应变速率拉仲；应力腐蚀中图分类号：ＴＧｌ７２文献标识码：Ａ搅拌摩擦焊（ＦＳＷ）是一种节能环保的先进固相连接技术，自１９９１年由英国焊接研究所（ＴＷＩ）发明至今［１］，在交通运输、航空航天、船舶制造等领域应用前景广阔．国内外已有一些关于２ＸＸＸ及７ＸＸＸ系铝合金ＦＳＷ工艺及性能的研究报道口。］，而对５ＸＸＸ系铝合金ＦＳＷ研究相对较少．５０８３作为一种不可热处理强化铝合金，具有中等强度、良好的焊接性能、抗蚀性能及加工性能，广泛应用于船舶制造及海洋运输．而在海水环境中，氯离子（ＣＩ一）会导致铝合金发生应力腐蚀（ＳＣＣ）．应力腐蚀是一种经常发生在远低于金属材料屈服强度下的脆性断裂，危害极大，因此研究铝合金在氯离子环境下的应力腐蚀行为具有重要的意义［４］．可是，国内外对该合金ＦＳＷ焊缝的应力腐蚀行为及机理研究，还鲜见报道Ｉｓ］．本文在模拟海水环境下，研究了５０８３铝合金ＦＳＷ焊缝的应力腐蚀行为，并探讨了其腐蚀机理，为开发船用５ｘｘｘ系铝合金ＦＳＷ绿色制造工艺及其性能评价或优化提供依据．１试验方法被焊材料为５０８３－Ｈ３２１铝合金壁板，单块尺寸为２５０ｍｍＸ８０ｒａｍ×４ｒａｍ（长×宽×厚）．焊接设备为小型搅拌摩擦焊机，搅拌头轴肩直径２２ｍｍ，设计为光滑凹槽形状，搅拌针设计为带有螺纹的圆台形状，长３．４ｍｍ，近轴肩处直径７ｍｍ，另一端直径６ｍｍ．焊接速度为８０ｒａｍ／ｒａｉｎ，搅拌转速为７００ｒ／ｍｉｎ，焊接倾角为３。，下压量为０．５ｍｍ．采用慢应变速率拉伸（ＳＳＲＴ）试验机测定焊缝及母材在空气和３．５％ＮａＣｌ溶液中的应力～应变曲线，应变速率为３．３×１０－５ｓ～．母材及焊缝硬度和金相样品经粗磨，抛光后，分别采用ＨＶ孓５型号硬度仪测定表面硬度分布，压力４．９Ｎ，保压时间１０ｓ；焊缝横截面用自配混合酸试剂侵蚀，采用ｌｅｉｃａＤＭＩ一５０００Ｍ数字式倒置光学显微镜（ＯＭ）拍摄金相．采用ＰＳ－２６８Ａ型电化学测量仪测定极化曲线．采用ＨｉｔａｃｈｉＳ－３４００Ｎ扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察断口形貌．—收稿日期：２０１０一１０２７＊基金项目ｉ广东省重大科技专项（２００８Ａ０９０３００００４）；广东省教育厅２１１学科建设项目作者简介：袁鸽成（１９６３一），男，博士。教授．万方数据５｝Ｏ材料研究与应用２０１０２结果与讨论２．１应力．应变曲线母材及焊缝在空气和３．５％ＮａＣｌ溶液中的慢拉伸应力一应变曲线分别如图１（ａ）和（ｂ）所示．从图可见，无论在空气还是溶液中，母材的抗拉强度都略高于焊缝，而焊缝的延伸率都远高于母材．各曲线抗拉强度及延伸率的数值分别列于表１．从表中可见，母材及焊缝在空气中的抗拉强度和延伸率都比溶液中略低，说明发生了轻微的应力腐蚀．采用如下公式¨１计算二者的应力腐蚀敏感指数：■ＪｓｓＲＴ一１一ｆ。（１＋艿ｆ。）３／ＦｏｒｆＡ（１＋艿ｆＡ）］（１）…式（１）中：ｏｒ叭分别为腐蚀介质及惰性介质中的断裂强度，单位为ＭＰａ；艿，。和瓠分别为腐蚀介质及惰性介质中的延伸率．～般地，Ｏ＜Ｊ髂。。＜１，材料ＳＣＣ敏感性随该指数增大而增强．上式以腐蚀及惰性介质的抗拉强度和延伸率为综合指标可更准确地图１母材及焊缝慢速率拉伸应力一应变曲线（ａ）空气中；（ｂ）溶液中表１５０８３铝合金母材及焊缝的应力腐蚀敏感指数图２空气中慢拉伸断口（ａ）母材；（ｂ）焊缝万方数据第４卷第４期袁鸽成，等：５０８３铝合金搅拌摩擦焊缝应力腐蚀行为５１ｌ评价材料的抗ＳＣＣ性能．计算得到的母材和焊缝的应力腐蚀敏感指数分别为０．１７和０．０６，说明焊缝的抗ＳＣＣ性能优于母材．２．２断口形貌断口形貌是反映材料是否发生ＳＣＣ的另一特征．母材及焊缝在空气中的ＳＳＲＴ断ＶＩ如图２．从图可见，两者均为韧性断口形貌，焊缝断口韧窝较深而大，表现出明显高于母材的延伸率．图３为母材及焊缝在溶液中的ＳＳＲＴ断口形貌．从图３（ａ）可见，母材断口韧窝几乎消失，宏观端口几乎无颈缩现象。尽管仍有近１０％的均匀伸长率，但微观断口仍呈现出与轧制带状组织相关的层状台阶形脆断形貌；焊缝断口形貌与母材不同，呈现浅小韧窝及准解理的混合断口形貌．由表】知ＦＳＷ焊缝的抗拉强度能达到母材的９６％，可见ＦＳＷ焊接效率远高于传统焊接方法．与图３溶液中慢拉伸断口（ａ）母材；（ｂ）焊缝图４焊缝金相组织（ａ）母材；（ｂ）焊核区；（ｃ）后退侧热力影响区；（ｄ）后退侧热影响区万方数据５１２材料研究与应用图５焊缝硬度分布传统熔焊焊缝分区不同，ＦＳＷ焊接过程中热量及塑性变形的共同作用将焊缝划分为焊核区、热力影响区及热影响区三个微观组织不同的区域．图４为母材及焊缝后退侧各区的金相组织．４（ａ）母材为典型的轧制变形组织；经搅拌工具作用，在焊核区形成了细小的再结晶等轴晶，如图４（ｂ）所示，并且焊核区的位错密度减小［７］．而热力影响区则为塑性变形组织，可看出晶粒有沿搅拌旋转剪切方向产生塑性流动的痕迹，如图４（ｃ）所示，热影响区晶粒发生长大，如图４（ｄ）．焊缝区的第二相被搅拌工具搅碎或者由于热量输入溶解于基体中，所以焊缝区第二相比母材明显减少．因此，焊缝区晶粒细小及位错密度的降低导致焊缝延伸率明显高于母材．图５显示了５０８３铝合金ＦＳＷ焊缝表层硬度沿焊缝横向的分布，图中ＡＳ及ＲＳ分别为焊缝前进侧与后退侧，ＮＺ、ＴＭＡＺ及ＨＡＺ分别为焊核区、热力影响区和热影响区．从图可见，相比析出型强化合金，该合金的硬度分布较均匀，平均硬度达到母材的９０％，反应了焊缝性能较均匀，这与焊缝仍具有很高的抗拉强度值极为一致．但也可发现，硬度分布亦有较小波动，细小等轴晶导致中心硬度略高；前进侧硬“”度出现一峰值，应与表层焊核区洋葱环尖的扩展流动相关，轴肩边缘处因明显的晶粒粗化而显示出最低硬度值．自腐蚀电位高低一般地可以反映材料抗腐蚀性能的好坏，母材与焊缝的极化曲线如图６所示．从图可见，母材及焊缝的自腐蚀电位分别为一０．８２Ｖ和一Ｏ．７７Ｖ，焊缝的自腐蚀电位略高于母材．由此可推测焊缝的抗腐蚀性能要优于母材，与上述ＳＳＲＴ结果相吻合．实际上，从图４还可见，母材中含有较多的第二相，作者另一论文已证实这些第二相多为Ｂ相（Ｍｇ。ＡＩ。）［８］，易分布于晶界．文献［９］指出基体的自腐蚀电位高于Ｂ相电位，分别为一０．８２Ｖ和一１．１５Ｖ，ｂ相沿晶分布严重降低材料抗ＳＣＣ性能．本文作者已在论文［８１中采用ＴＥＭ研究了５０８３铝合金中ｂ相的分布形态，ＦＳＷ过程产生的剪切变形及热量可使焊缝中的第二相细化及部分溶解，减少ｂ相在晶界分布，因此提高了焊缝的抗ＳＣＣ性能．气譬＞二ｆ一。：口。厶ｌｇｄ／（ｍＡ・ｃｍ。２）图６母材及焊缝的极化曲线万方数据第４卷第４期袁鸽成，等：５０８３铝合金搅拌摩擦焊缝应力腐蚀行为５１３３结论（１）５０８３铝合金ＦＳＷ焊缝及母材的ＳＳＲＴ应力腐蚀敏感指数分别为０．０６和０．１７，焊缝抗ＳＣＣ性能优于母材，母材应力腐蚀断口呈现出与轧制带状组织相应的层状台阶形脆断形貌，而焊缝断口呈现浅小韧窝及准解理的混合断口形貌．（２）焊缝的断裂强度达到母材强度的９６％，焊缝的表层硬度沿其横向分布波动较小，平均硬度值达到母材硬度的９０％，伸长率超过母材的２倍．（３）焊缝的自腐蚀电位略高于母材，分别为一０．７７Ｖ和一ｏ．８２Ｖ；焊缝的细小再结晶组织及第二相溶解是其抗应力腐蚀性能优于母材的本质原因．参考文献：［１－１栾国红，柴鹏．搅拌摩擦焊技术应用现状和发展趋势—［Ｊ］．金属加工，２００４，２４：１９２２．［２］ＰＡＧＬＩＡＣＳ，ＢＵＣＨＨＥＩＴＲ—Ｇ．Ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍｉｃｒｏｃｈｅｍｉｉｓｔｒｙａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｃｒａｃｋｉｎｇｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｅｄ２２１９一Ｔ８７［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ—Ａ，２００６，４２９：１０７１１４．［３］ＳＵＲＥＫＨＡＫ，ＭＵＲＴＹＢＳ，ＲＡＯＲ—Ｐ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｍｕｈｉｐａｓｓｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｐｒｏｃｅｓｓｅｄＡＡ２２１９ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ［Ｊ］．Ｓｕｒ－ｆａｃｅａｎｄＣｏａｔｉｎｇｓ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２０２：４０５７４０６８．［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。２００７，１０：７６８０．［５］王文，王快社，郭群，等．铝合金搅拌摩擦焊接接头应力腐蚀研究进展［Ｊ］．热加工工艺，２００９，３８（２３）：６－８．［６］ＰＡＧＬＩＡＣＳ，ＢＵＣＨＨＥｌＴＲＧ．Ａｌｏｏｋｉｎｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｓ［Ｊ］．Ｓｃｒｉｐｔａ—Ｍａｔｅｒｉａｌｉａ，２００８，５８：３８３－３８７．［７３ＷＯＯＷ．ＢＡＬＯＧＨＩ。，ＵＮＧＡＲＴ，ｅｔａ１．Ｇｒａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎｄｅｎｓｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎａｆｒｉｃｔｉｏｎ－ｓｔｉｒｗｅｌｄｅｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｕｓｉｎｇ—Ｘｒａｙｐｅａｋｐｒｏｆｉｌｅａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，４９８，３０８－３１３．［８３冷文兵，袁鸽成，路浩东．５０８３铝合金慢应变速率拉伸下—的应力腐蚀行为［Ｊ］．腐蚀与防护，２００９，３０：７９４７９６．［９］ＨＡＮＭＳ，ＫＯＳ，ＫＩＭＳＨ，ｅｔａ１．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｒ－ｒｏｓｉｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｏｒｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇａｎｄｈｙｄｒｏｇｅｎｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔｏｆ‘５０８３－ＨＩ１２ａｌｌｏｙｉｎｓｅａ・－ｗａｔｅｒ［Ｊ］．Ｍｅｔａｌｓａｎｄ—Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００８，１４：２０３２１１．Ｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇｆｏｒ５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｐｌａｔｅＹＵＡＮＧ争ｃｈｅｎｇ．ＬＩＺｈｏｎｇ－ｈｕａ，ＺＨＵＺｈｅｎ－ｈｕａ，ＬＵＨａｏ－ｄｏｎｇ，Ｗｕ—Ｑｉｇｕａｎｇ（ＦａｃｕｌｔｙｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｅｒｇｙ。ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ（ＦＳＷ）ｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒ５０８３一Ｈ３２１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｐｌａｔｅｓ．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆｊｏｉｎｔｓａｎｄｐａｒｅｎｔｍｅｔａｌ（ＰＭ）ｉｎａｉｒａｎｄ３．５％ＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎｗｅｒｅｔｅｓｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｓｌｏｗｓｔｒａｉｎｒａｔｅｔｅｎｔｉｏｎ（ＳＳＲＴ）ｔｅｓｔｅｒ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ，ｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇ（ＳＣＣ）ａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（０Ｍ），ｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔｅｒ，ｐｏｔｅｎｔｉｏｄｙｎａｍｉｃｓｃａｎｎｅｒａｎｄｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＥＭ）．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅ—ｒｕｐｔｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｈａｒｄｎｅｓｓｏｆｊｏｉｎｔｓｒｅａｃｈｅｓ９６ａｎｄ９０ｐｅｒｃｅｎｔｏｆｔｈｏｓｅｏｆＰＭ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｉｏｉｎｔｓｉｓｍｏｒｅｔｈａｎ２ｔｉｍｅｓｏｆｔｈａｔｏｆＰＭ．ＴｈｅＳＣＣｓｕｓｃｅｐｔｉｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｘｏｆｊｏｉｎｔｓｉｓｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆＰＭ．ＴｈｅＳＣＣｆｒａｃｔｕｒｅｓｈｏｗｓ—ｍｉｘｅｄｔｙｐｅｃｒａｃｋｆｅａｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｒｏｍｔｈａｔｏｆＰＭ．Ｔｈｅｆｉｎｅ—ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐｈａｓｅａｒｅｔｈｅｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｒｅａｓｏｎｓｗｈｙｔｈｅｊｏｉｎｔｓｈａｖｅｂｅｔｔｅｒｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａｎｔｉＳＣＣｔｈａｎｔｈａｔｏｆＰＭ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：５０８３ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ；ｓｌｏｗｓｔｒａｉｎｒａｔｅｔｅｎｓｉｏｎ；ｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇ万方数据