7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂.pdf

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7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂1 7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂2 7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂3 7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂4 7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂5 7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂6 7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂7 7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂8
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第43卷第7期2015年7月第105一i12页材料工JournalofMaterials程EngineeringVo1.43No.7—Ju1.2015pp.1051127003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂StressCorrosionCrackingofCabinetof7003AluminumAlloy章淑芳,王晓敏。,陈辉,廖潇盎(1西南交通大学四川省先进焊接及表面工程技术研究中心,成都610031;2西南交通大学生命科学与工程学院,成都610031)———ZHANGShufang,WANGXiaomin。,CHENHui,LIAOXiaoyao(1ResearchCenterofSichuanAdvancedWeldingandSurfaceEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China;2CollegeofLifeScienceandEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)摘要:采用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析等手段,对某动车7003铝合金柜体的裂纹进行原因分析。裂纹为沿晶扩展,且有分枝,断口为冰糖状花样,晶面上有发纹、鸡爪纹,经分析裂纹为氢脆起主导作用的应力腐蚀裂纹。通过慢应变速率拉伸实验及恒位移应力腐蚀实验对7003铝合金的应力腐蚀倾向进行评价。慢拉伸实验表明,7003铝合金在3.5NaC1溶液中的断裂为穿晶与沿晶的混合断裂,在穿晶断裂部分有大量的二次裂纹、解理台阶及河流花样,应力腐蚀敏感指数达0.2。恒位移实验结果显示:经28天腐蚀后,7003铝合金已发生裂纹扩展,长度达700 ̄m,断口的应力腐蚀区存“”“”在舌状凸起和凹槽等形貌,有较明显的应力腐蚀敏感性。关键词:7003铝合金;应力腐蚀开裂;沿晶裂纹;解理台阶;河流花样doi:10.11868/j.issn.10014381.2015.07.018中图分类号:TG172文献标识码:A——文章编号:10014381(2015)07~010508Abstract:Cracks,discoveredontheedgeof7003A1一alloycabinetofthehighspeedtrainwasanalyzedbymeansofopticalmicroscope,scanningelectricmicroscope(SEM)andelectronicdifferentialsystem—(EDS).Itisfoundthatcrackswithmanybranchespropagatedalongthegrainboundaries,thefractureissugarcandypattern,andcapillaryandchickenclawcracksareonthegrainplane.Thecrackisstresscorrosioncrack(SCC)inducedbythehydrogenembrittlement.TheSCCsensitivityof7003A1一—alloywasevaluatedbyslowstrainratetest(SSRT)andconstantdisplacementtest.TheresultofSS—RTSHOWSthatthesensitivityindexof7003A1一alloyis0.2.Itsfractureismixturefractureoftransgranularandintergranularin3.5NaC1solution.Therearemanysecondcracks,cleavagestepsandriverpatternsonthetransgranularfracture.Theresultofconstantdisplacementtestindicatesthatthecrackspropagateto700/xmaftercorrosionfor28days,andtongueprotrusionsandgroovesOccurinthestresscorrosionzone.The7003A1一alloyisobviouslysensitivetotheSCC.—Keywords:7003aluminumalloy;stresscorrosioncracking;intergranularcrack;cleavagestep;riverpattern铝合金因其具有质量轻、强度高、加工性好、美观等优质性能而成为当今轻质材料的研究热点,同时是高速列车车体轻量化的首选材料_l]。7003铝合金属—于A1一ZnMg系合金,具有中等强度、良好的挤压性、成形性及可焊性,在车辆、桥梁、工兵装备和大型压力容器等方面都得到了广泛的应用。该合金现已被广泛用于动车车体上,主要用在车体构件、车顶梁、上侧梁(薄壁大型型材)、骨架及外板(型材)等[2]。相关文献表明,7003铝合金的耐蚀性较差,尤其是对应力腐蚀开裂(SCC)敏感。SCC是指金属或合金在应力(主要是拉应力)和腐蚀介质的协同作用下引起的破坏现象l_6]。这种开裂是一种与时间有关的延迟断裂,即在应力的作用下,需经一定时间后才产生裂纹及引起裂纹的扩展。微裂纹一旦形成,其扩展速率很快,且在破坏前没有明显的预兆,所以,应力腐蚀是所有腐蚀类型中破坏性和危害性最大的一种_1]。目前,在高强铝合金构件服役的过程中,应力腐蚀是导致构件失效的主要原因之一[1。。本工作针对某动车柜体7003第43卷第7期7003铝合金动车柜体的应力腐蚀开裂111与扩展过程存在氢的作用。这些现象均符合应力腐蚀裂纹的特征。一般产生应力腐蚀裂纹须有三个条件:(1)存在拉应力;(2)材料对应力腐蚀有高的敏感性;(3)特定的腐蚀环境。失效的角铝件两侧均有焊缝,一侧是长的断续焊缝,另一侧有4块长70mm用于螺栓固定的耳板焊在角铝的棱边,这些焊缝的纵向收缩形成的残余拉应力与角铝失效件上的裂纹扩展方向垂直。慢应变速率拉伸实验结果显示,合金的应力腐蚀敏感指数达0.2,断口呈沿晶和解理混合的脆性断裂特征。恒位移应力腐蚀实验观测到合金在腐蚀28天后,预制裂纹已发生分叉并扩展,断口上裂纹启裂处覆盖了大量腐蚀产物,断口为沿晶特征。两种实验方法均证明了7003铝合金具有较强的应力腐蚀倾向。结合失效件的服役环境,发生应力腐蚀裂纹的三个条件皆已具备,且裂纹的各种特征又完全符合,故柜体角铝上的裂纹属应力腐蚀裂纹。目前,铝合金应力腐蚀裂纹的产生机理主要存在两种见解。其一是阳极溶解理论,其二是阴极氢脆开裂机理。阳极溶解理论认为,在腐蚀介质中,合金表面会形成一层保护膜,而在拉应力或活性离子(C1一)作用下,会发生膜的破坏,致使合金表面裸露,裸露的基体金属与合金其余表面则构成小阳极和大阴极的腐蚀电池,故合金新鲜表面就发生了阳极溶解,进而在其表面产生蚀坑[7。氢脆理论则认为,腐蚀过程中产生的自由原子氢通过应力诱导扩散和位错迁移,使得氢向裂纹前端的高应力区富集,经过足够长的时间后,氢浓度达到一个临界值,便可促使氢脆的发生。并且铝合金中聚集分布的不溶相类同于三轴应力缺陷,首先捕捉了反应生成的氢原子,并在拉应力的作用下沿晶界优先偏聚,引起沿晶开裂。氢在裂纹附近的浓度高于基体浓度,在裂纹尖端,氢除了浓度较高外,其扩散系数也最大,比距离裂纹较远处基体中的高两个数量级¨1。随着研究的深入,氢脆理论在铝合金应力腐蚀中起到主要作用已得到学术界内越来越多的认可。由于电化学反应过程中,阴极氢离子吸收电子形成氢原子倾向于集聚在晶格点阵缺陷处,晶界是点阵缺陷最多之处,因而晶界富氢,不仅使金属局部脆化,而且降低晶界表面能,降低晶间结合力,易于晶间断裂,所以铝合金的应力腐蚀裂纹通常是沿晶断裂。在断口学中将发纹、鸡爪纹认为是氢致局部塑性变形留下的痕迹。本次断口分析所有微观形貌都有发纹、鸡爪纹,证明了氢在此次应力腐蚀开裂中所起作用。此外,裂纹形态中出现的裂纹粗细交替现象也是氢的影响结果。当多个微裂纹扩张到一定程度撕裂其间的晶界而连成一体,就形成粗细交替的裂纹:自然也可能是在拉应力作用下集聚较多氢的晶界脆化严重,先被拉裂再逐渐连接的结果。4结论(1)柜体裂纹微观形貌及断口扫描形貌均表明裂纹属应力腐蚀裂纹;断口上发纹、鸡爪纹的出现证明裂纹萌生与扩展过程存在氢的作用。(2)慢应变速率拉伸实验表明,7003铝合金的应力腐蚀敏感指数高达0.2;其在3.5NaCl溶液的断口中存在大量的二次裂纹,有明显的冰糖状花样、解理台阶及河流花样,是沿晶和解理的混合断口,属于典型的应力腐蚀断裂。(3)恒位移应力腐蚀实验表明,7003铝合金在经28天腐蚀后,已发生了应力腐蚀开裂,预制的裂纹尖“端产生分叉,并扩展。断口中应力腐蚀区存在舌状凸”“”起和凹槽形貌,起裂端有大量泥状花样的腐蚀产物存在。参考文献[1]姚曙光,许平.高速磁浮列车车体国产化EJq.交通运输工程学报,—2004,4(2):4044.—YAOShuguang,XUPing.Highspeedmaglevtransportation—madeinChina[J].TrafficTranspEng,2004,4(2):4044.E2]戴静敏.铝合金在高速列车上的应用前景EJ].铁道车辆,1993,—(6):l417.—’DAIJingmin.AluminumSapplicationsinhighspeedtrains[J].—RailwayVehicles,1993,(6):1417.[3]杜爱华,龙晋明,裴和中.高强铝合金应力腐蚀研究进展EJ-I.中国—腐蚀与防护学报,2008,28(4):251252.——DUAihua,LONGJinming,PEIH 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