6082铝合金搅拌摩擦焊缝的应力腐蚀行为.pdf

收稿日期：收稿日期‐‐：２０１３０９１６倡基金项目：广东省重大科技专项（２００８Ａ０９０３００００４）作者简介：秦典成‐（１９８５），男，湖北荆州人，硕士研究生．第８卷第１期材料研究与应用Ｖｏ１．８，Ｎｏ．１２０１４年３月ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＭａｒ．２０１４文章编号‐‐‐：１６７３９９８１（２０１４）０１００２６０４６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝的应力腐蚀行为倡秦典成，袁鸽成，张普，袁潜，骆志捷广东工业大学材料与能源学院，广东广州５１０００６摘要：通过慢应变速率拉伸试验，借助电镜扫描、动电位扫描及光学显微分析等手段，对铝合金搅拌摩擦焊缝及母材的耐应力腐蚀性能及微观组织进行了对比研究．结果表明：当慢应变速率为３．３×１０－６ｓ－１时，在浓度为３．５％的ＮａＣｌ溶液中焊缝的应力腐蚀敏感性略高于母材；无论在空气还是在腐蚀液中，二者均呈现相似的韧性断裂形貌，表现出良好的抗应力腐蚀性能；焊缝的自腐蚀电位较之母材略有降低，且焊缝热影响区晶粒明显粗化，预示着焊缝在抗应力腐蚀方面性能比母材差．关键词：搅拌摩擦焊；６０８２铝合金；应力腐蚀；敏感性中图分类号：ＴＧ１７８文献标识码：Ａ搅拌摩擦焊接（ＦＳＷ）是一种可用于各种合金板材焊接的绿色高效的固态连接技术，广泛应用于航空航天、汽车制造、轨道交通及船舶制造业等领域中‐［１２］．６０８２铝合金具有良好的可成形性和加工性、优异的耐蚀性及可焊接性等特点，而成为上述领域中使用最多的铝合金之一‐［３４］．然而大量事实表明，焊缝是应力腐蚀（ＳＣＣ）易滋生的部位，且一旦腐蚀发生，便会引发灾难性的后果．目前，国内外对该合金搅拌摩擦焊缝的研究主要集中在组织结构及力学性能等方面，而对其ＳＣＣ行为的研究较为少见．因此，探索６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝的ＳＣＣ性能具有一定的理论意义和工程应用价值．１试验部分利用小型搅拌摩擦焊机对‐６０８２Ｔ６铝合金型材进行焊接，焊接速度为１１８ｍｍ／ｍｉｎ，搅拌针转速为９５０ｒ／ｍｉｎ．焊接完毕后沿垂直焊接方向分别切取焊缝与母材的金相样品，将两组金相样品表面打磨并电解抛光，抛光至表面无划痕后进行阳极覆膜，然后用光学显微镜（ＯＭ）进行金相分析．沿垂直焊接方向分别切取母材及焊缝的慢应变拉伸试验的样品，用砂纸打磨后用丙酮清洗，再用蒸馏水清洗并吹干，用氯丁橡胶封闭非工作段表面，分别在空气及浓度为３．５％的ＮａＣｌ溶液中对样品进行慢应变速率拉伸（ＳＳＲＴ）试验，应变速率为３．３×１０－６ｓ－１．待试样断裂后迅速取下，并用蒸馏水冲洗断口，然后在丙酮中进行超声清洗，吹干后放入干燥皿中，用ＨｉｔａｃｈｉＳ‐３４００Ｎ型扫描电镜进行断口形貌分析．用ＰＳ‐２６８Ａ型电化学测量仪测试６０８２铝合金壁板型材极化曲线，其中参比电极为饱和甘汞电极（ＳＣＥ），辅助电极为铂片．２试验结果与分析２．１ＳＣＣ性能分析图１为焊缝及母材的ＳＳＲＴ曲线，由此测得的性能指标列于表１．应力腐蚀敏感指数ＩＳＳＲＴ常作为ＳＣＣ敏感性的重要判据，其计算式为：ＩＳＳＲＴ＝１－［σｆｗ（１＋δｆｗ）］／［σｆａ（１＋δｆａ）］．（１）式（１）中：σｆｗ，σｆａ分别为试样在腐蚀介质及惰性介质中的断裂强度；δｆｗ，δｆａ分别为试样在腐蚀介质及惰性介质中的延伸率．通常情况下０＜ＩＳＳＲＴ＜１，材料ＳＣＣ敏感性随敏感指数增大而增强．据式（１）计算，得到母材与焊缝的ＳＣＣ敏感指数分别为０．００６和０．０１２．说明母材与焊缝的耐应力腐蚀性能良好，且母材的耐应力腐蚀性能比焊缝略好．图１母材与焊缝的应力－应变曲线（ａ）焊缝的应力－应变曲线；（ｂ）母材的应力－应变曲线Ｆｉｇ．１Ｓｔｒｅｓｓ‐ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｏｆＢＭａｎｄｗｅｌｄ‐ｊｏｉｎｔ（ａ）ｓｔｒｅｓｓ‐ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｏｆＢＭ；（ｂ）ｓｔｒｅｓｓ‐ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｏｆｊｏｉｎｔ表１ＳＳＲＴ实验结果Ｔａｂｌｅ１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔ性能指标焊缝母材空气中延伸率／％１２．８１３．５３．５％盐水中延伸率／％１２．２１３．１空气中断裂强度／ＭＰａ１７０．２７２２８．５５３．５％盐水中断裂强度／ＭＰａ１６９．１４２２７．９９ＩＳＳＲＴ０．０１２０．００６２．２ＳＣＣ断口形貌图２为焊缝及母材的ＳＣＣ断口形貌．从图２可见，无论是在空气还是在腐蚀液中，二者断口上均分布大量的韧窝，并呈现典型的韧性断裂特征，这些韧窝的形成经历了裂纹的形核长大以及微裂纹的聚集．在盐水中焊缝与母材的ＳＣＣ断口，局部出现了韧窝变浅及少许微裂纹形貌，呈现出朝脆性断裂转变的趋势．这说明，在盐水中尽管该合金ＳＣＣ不敏感，但母材与焊缝局部仍有轻微的应力腐蚀现象．图２母材及焊缝的ＳＣＣ断口形貌（ａ）母材在空气中；（ｂ）母材在盐水中；（ｃ）焊缝在空气中；（ｄ）焊缝在盐水中Ｆｉｇ．２ＳＣＣＦｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＢＭａｎｄｗｅｌｄ‐ｊｏｉｎｔ（ａ）ｆｒａｃｔｕｒｅｏｆＢＭｉｎａｉｒ；（ｂ）ｆｒａｃｔｕｒｅｏｆＢＭｉｎＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ；（ｃ）ｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｊｏｉｎｔｉｎａｉｒ；（ｄ）ｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｊｏｉｎｔｉｎＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ７２第８卷第１期秦典成，等：６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝的应力腐蚀行为２．３焊缝的极化曲线分析图３为‐６０８２Ｔ６铝合金ＦＳＷ焊缝及母材的极化曲线．焊缝与母材在浓度为３．５％的ＮａＣｌ溶液中的极化曲线几乎重叠，焊缝自腐蚀电位约为－７２９ｍＶ，母材的自腐蚀电位约为－７０９ｍＶ．母材自腐蚀电位较焊缝略高，这预示着焊缝的耐应力腐蚀性能比母材略差．图３焊缝及母材的极化曲线Ｆｉｇ．３ＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆＢＭａｎｄｗｅｌｄ‐ｊｏｉｎｔ２．４焊缝组织分析一般经搅拌摩擦加工后焊缝分为焊核区（Ｎｕｇ‐ｇｅｔ）、热力影响区（ＴＭＡＺ）和热影响区（ＨＡＺ），焊缝各区域组织与母材（ＢＭ）相比有着明显的不同，各区域组织之间的差异也较为显著‐［５６］．图４为母材及焊缝各区的微观组织．图４（ａ）为母材组织形貌，从图４（ａ）可以看出，经淬火与人工时效处理后，母材横截面的组织经挤压呈板条状分布，第二相明显地沿着挤压方向均匀分布；图４（ｂ）为焊核区（Ｎｕｇｇｅｔ）的微观组织形貌，此区域由于受到强烈的摩擦热和进给力的双重作用而发生塑性流变及动态再结晶，从而形成了细等轴晶区且第二相也得以重新分配；图４（ｃ）为热力影响区（ＴＭＡＺ），此区域由于搅拌头的剪切作用力及摩擦热的双重作用而发生了不完全再结晶，搅拌头产生的剪切力使晶粒沿剪切力的方向被拉长，晶粒尺寸大小不一，介于焊核区与母材之间；图４（ｄ）为热影响区（ＨＡＺ），由于此区域仅受到摩擦热影响，因而只发生静态回复或再结晶，并且范围较窄，相对于母材晶粒明显粗化，其过程可以看成是特殊热处理．焊核区与热力影响区形成细小晶粒的同时，位错密度也大幅度降低，材料的化学成分也得以均匀化［７］．腐蚀学的观点认为［８］：化学成分的均匀化会使基体金属局部形成腐蚀电池的倾向降低；晶体缺陷的减少，会使参与表面腐蚀反应的活性质点的数目也相应地减少．因此，这二处成为了焊缝应力腐蚀敏感性较低的部位．在ＨＡＺ与ＴＭＡＺ交界处是热输入最大处，化学成分不如焊核区和热力影响区均匀，晶体缺陷较多，形成局部腐蚀电池的倾向增加‐［７８］，使该区域成为焊缝应力腐蚀敏感性相对较高的部位，这是６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝应力腐蚀敏感性略高于母材的一个很重要原因．图４母材及焊缝各区的微观组织（ａ）母材；（ｂ）焊核区；（ｃ）热力影响区；（ｄ）热影响区Ｆｉｇ．４ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＢＭａｎｄｗｅｌｄｒｅｇｉｏｎｓ（ａ）ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＢＭ；（ｂ）ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＮｕｇｇｅｔｚｏｎｅ；（ｃ）ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＴＭＡＺｚｏｎｅ；（ｄ）ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＨＡＺｚｏｎｅ８２材料研究与应用２０１４３结论（１）当慢应变速率为３．３×１０－６ｓ－１时，在浓度３．５％的ＮａＣｌ溶液中，６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝的抗ＳＣＣ性能比母材的略差，应力腐蚀敏感指数ＩＳＳＲＴ分别为０．０１２和０．０６．（２）６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝的自腐蚀电位比母材的略低，分别为－７２９ｍＶ和－７０９ｍＶ，并且焊缝的热影响区晶粒明显粗化，这与焊缝ＳＣＣ敏感性比母材的略高相吻合．（３）无论在空气中还是在浓度３．５％的ＮａＣｌ溶液中，６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝的ＳＣＣ断口呈现与母材断口相似的韧窝型断口形貌，部分区域有朝脆性断裂转变的趋势，表现出良好的抗ＳＣＣ性能．参考文献：［１］ＤＡＷＥＳＣＪ，ＴＨＯＭＡＳＷＭ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｐｒｏｃｅｓｓｗｅｌｄｓａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｗｅｌｄｉｎｇ‐，１９９６，７５（３）：４１５１．［２］李平，孙振宇，王祝堂．铝合金轨道车辆结构及合金性能［Ｊ］．轻合金加工技术‐，２０１２，４０（７）：１１２．［３］ＭＯＲＩＴＡＡ．Ａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｆｏｒａｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｐｐｌｉｃａ‐ｔｉｏｎｓ［Ｃ］．Ｔｏｙｏｈａｓｈｉ：Ｐｒｏｃ．ｏｆＩＣＡＡ‐６，１９９８．［４］盛建辉，彭家仁，李光，等．搅拌摩擦焊工艺及其在地铁铝合金车体上的应用［Ｊ］．电力机车与城轨车辆，２００９，‐３２（３）：２８３１．［５］夏德顺，王国庆．搅拌摩擦焊接在运载火箭上的应用［Ｊ］．导弹与航天运载技术‐，２００２（４）：２７３２．［６］沈长斌，王忠志，权高峰，等．６０８２铝合金搅拌摩擦焊街头组织及腐蚀性能研究［Ｊ］．腐蚀科学与防护技术，‐２０１０，２２（５）：４００４０２［７］ＣＯＲＲＡＬＪ，ＴＲＩＬＬＯＥＡ，ＹＩＮＧＬ，ｅｔａｌ．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎ‐ｓｔｉｒｗｅｌｄｅｄａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓ２０２４ａｎｄ２１９５［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅＬｅｔｔｅｒｓ，２０００，１９：‐２１１７２１２２．［８］ＭＩＳＨＲＡＲＳ，ＭＡＺＹ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｐｒｏ‐ｃｅｓｓｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲ，２００５，‐‐５０（１２）：１７８．Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆ６０８２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｊｏｉｎｔｂｙｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇＱＩＮＤｉａｎｃｈｅｎｇ，ＹＵＡＮＧｅｃｈｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＰｕ，ＹＵＡＮＱｉａｎ，ＬＵＯＺｈｉｊｉｅＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＥｎｅｒｇｙｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆ６０８２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｌｄｊｏｉｎｔａｎｄｂａｓｅｍｅｔａｌａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｓｌｏｗｓｔｒａｉｎｒａｔｅｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔ，ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓｃａｎｎｉｎｇ，ｏｐｔｉｃａｌｍｉ‐ｃｒｏｓｃｏｐｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｙｎａｍｉｃｐｏｔｅｎｔｉａｌｓｃａｎｎｉｎｇ，ｅｔｃ．ＩｔｗａｓｆｏｕｎｄｔｈａｔｔｈｅｂａｓｅｍａｔｅｒｉａｌｓｈｏｗｅｄａｓｌｉｇｈｔｌｙｈｉｇｈｅｒＳＣＣｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｗｅｌｄｅｄｊｏｉｎｔｏｆ６０８２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｉｎＮａＣｌｓｏｌｕ‐ｔｉｏｎｗｉｔｈａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ３．５％ａｔｔｈｅｓｌｏｗｓｔｒａｉｎｒａｔｅｏｆ３．３×１０－６ｓ－１；ｂｏｔｈｔｈｅｗｅｌｄｊｏｉｎｔａｎｄｔｈｅｂａｓｅｍａｔｅｒｉａｌｄｅｍｏｓｔｒａｔｅｄｅｘｃｅｌｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｗｉｔｈｓｉｍｉｌａｒｄｕｃｔｉｌｅｆｒａｃｔｕｒｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｅｉｔｈｅｒｉｎａｉｒｏｒＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈａｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ３．５％；ｔｈｅｓｅｌｆ‐ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌｏｆｗｅｌｄｊｏｉｎｔｉｓａｌｉｔｔｌｅｌｏｗｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｂａｓｅｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｔｈｅｇｒａｉｎｓｏｆｗｅｌｄｊｏｉｎｔｏｂｖｉｏｕｓｌｙｇｒｏｗｃｏａｒｓｅｉｎｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅｂｙｃｏｍ‐ｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｂａｓｅｍａｔｅｒｉａｌ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈｅｂａｓｅｍａｔｅｒｉａｌｉｓｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｗｅｌｄｊｏｉｎｔｉｎＳＣＣｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ；６０８２ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｃｒａｃｋｉｎｇ；ｓｔｒｅｓｓｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔ‐ａｎｃｅ９２第８卷第１期秦典成，等：６０８２铝合金搅拌摩擦焊缝的应力腐蚀行为