趙鵬，蘇艷（西南工程技術(shù)研究所，重慶 400039）

高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂研究進(jìn)展

趙鵬，蘇艷
（西南工程技術(shù)研究所，重慶 400039）

綜述了應(yīng)力腐蝕理論的研究現(xiàn)狀，其中氫致開裂理論和陽(yáng)極溶解理論可較好解釋高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂行為。結(jié)合應(yīng)力腐蝕發(fā)生的三個(gè)必要條件，討論了冶金因素、環(huán)境因素、應(yīng)力因素對(duì)高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性的影響機(jī)制與作用結(jié)果。同時(shí)，介紹了國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)鋁合金實(shí)驗(yàn)室模擬加速與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法的研究進(jìn)展、存在的不足及未來(lái)研究重點(diǎn)。

高強(qiáng)鋁合金；應(yīng)力腐蝕開裂；冶金因素；環(huán)境因素；應(yīng)力因素

高強(qiáng)鋁合金由于比強(qiáng)度高、質(zhì)輕、焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)及建國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域[1]。然而高強(qiáng)鋁合金在服役過(guò)程中，往往受點(diǎn)蝕、剝層腐蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等腐蝕作用影響，其中，應(yīng)力腐蝕（以下簡(jiǎn)稱SCC）所造成的損傷最為嚴(yán)重，易引發(fā)災(zāi)難性事故[2—5]。SCC是在拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的金屬結(jié)構(gòu)斷裂現(xiàn)象，這種腐蝕損傷會(huì)使金屬結(jié)構(gòu)在工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，外觀并無(wú)明顯預(yù)兆的情況下突然斷裂，嚴(yán)重威脅服役產(chǎn)品的安全性[2—5]。因此，抗應(yīng)力腐蝕性已成為衡量高強(qiáng)鋁合金綜合性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

純鋁的強(qiáng)度和硬度很低，限制了其大范圍應(yīng)用。采用Zn，Mg，Cu，Li等元素合金化制成高強(qiáng)鋁合金后，其強(qiáng)度及硬度得以提高，但SCC敏感性也增大[6]。降低高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感性是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外專家在影響高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕的冶金因素、環(huán)境因素、應(yīng)力因素等方面進(jìn)行了大量研究，取得了一系列成果[7—9]。目前，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)連續(xù)浸潤(rùn)、周期浸潤(rùn)、連續(xù)鹽霧腐蝕試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法研究鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為，側(cè)重于研究鋁合金熱處理制度、合金成分、腐蝕介質(zhì)和加載應(yīng)力等因素對(duì)合金應(yīng)力腐蝕敏感性的影響[10—14]，而開展自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)及應(yīng)力腐蝕機(jī)理的研究較少[15—21]。國(guó)外對(duì)應(yīng)力腐蝕機(jī)理研究較系統(tǒng)，雖然應(yīng)力腐蝕機(jī)理尚未統(tǒng)一，但提出的氫致開裂理論與陽(yáng)極溶解理論已得到普遍認(rèn)可。國(guó)外學(xué)者重視自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，綜合評(píng)價(jià)材料的耐應(yīng)力腐蝕性。文中在總結(jié)環(huán)境因素對(duì)高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕影響的同時(shí)，分析典型實(shí)驗(yàn)室模擬加速與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法的不足，總結(jié)今后工作研究重點(diǎn)。

1　應(yīng)力腐蝕理論研究現(xiàn)狀

為研究高強(qiáng)鋁合金的SCC機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)。首先提出的是陽(yáng)極溶解理論和氫致開裂理論；另一些國(guó)外學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，提出了氫壓理論、滑移-溶解理論、鈍化膜破裂理論和“Mg-H”復(fù)合體理論[22—25]等。國(guó)內(nèi)專家對(duì)于鋁合金的應(yīng)力腐蝕理論研究較晚，用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了陽(yáng)極溶解與氫致開裂等理論，并在“Mg-H”復(fù)合體理論的基礎(chǔ)上提出了相變“Mg-H”理論。由于鋁合金應(yīng)力腐蝕過(guò)程復(fù)雜且影響因素多，關(guān)于其作用機(jī)理尚未達(dá)成一致，但氫致開裂理論和陽(yáng)極溶解理論得到了較多學(xué)者的認(rèn)同，其他理論多以二者為基礎(chǔ)進(jìn)行研究并發(fā)展。

1.1氫致開裂理論

氫致開裂理認(rèn)為，腐蝕過(guò)程中優(yōu)先產(chǎn)生氫，氫在拉應(yīng)力作用下擴(kuò)散至裂紋尖端區(qū)而引起氫脆，從而加速了裂紋的擴(kuò)展。為了更詳細(xì)地描述初始裂紋的發(fā)生過(guò)程，專家在研究氫致開裂理論的同時(shí)，又將其進(jìn)一步分為氫壓理論、晶格弱化理論、氫促進(jìn)蠕變理論等。

首先提出高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕的氫致開裂機(jī)理是Gruhl等[23]，他們認(rèn)為樣品內(nèi)部氫氣的壓力是造成開裂的主要原因，當(dāng)裂紋尖端內(nèi)的氫氣壓一旦達(dá)到臨界含量，其氫氣壓力會(huì)使金屬產(chǎn)生機(jī)械破環(huán)，產(chǎn)生微裂紋，引起合金開裂。

晶格弱化理論認(rèn)為氫在晶界處會(huì)降低晶界溶解活化能，從而使晶界更容易被溶解，發(fā)生裂紋。研究表明[24]，在拉伸應(yīng)力作用下，晶界表面的水分子與鋁合金反應(yīng)生成活性原子氫，氫原子沿晶界優(yōu)先偏聚，導(dǎo)致晶界強(qiáng)度下降，引起氫致開裂。

Puiggali等[25]認(rèn)為氫促進(jìn)合金發(fā)生蠕變，促使裂紋擴(kuò)展。為了研究氫在鋁合金應(yīng)力腐蝕過(guò)程中起的作用，他們研究AlZn5Mg合金在NaCl溶液中應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理時(shí)，向腐蝕介質(zhì)加入HCl以提高析氫量。結(jié)果表明，氫在腐蝕過(guò)程時(shí)進(jìn)入合金中，合金很快發(fā)生形變，從而造成金屬力學(xué)性能降低，加速了裂紋的擴(kuò)展。

1.2陽(yáng)極溶解理論

高強(qiáng)鋁合金的腐蝕機(jī)理也可用電化學(xué)反應(yīng)解釋。主要分如下兩個(gè)過(guò)程：合金在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下使氧化膜被破壞，形成自腐蝕電池，破損處相對(duì)于膜未破損的表面來(lái)說(shuō)是陽(yáng)極，金屬原子溶解成為離子，形成溝形裂紋；當(dāng)裂紋向深處擴(kuò)展時(shí)，裂紋尖端所受應(yīng)力最大，使裂紋尖端附近區(qū)域發(fā)生塑性變形，阻礙膜的再生，加快陽(yáng)極溶解。這樣在應(yīng)力與電化學(xué)反應(yīng)作用下，裂紋不斷擴(kuò)展。

劉建華等[26]對(duì)新型含鈧鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為規(guī)律進(jìn)行了分析。通過(guò)分析試樣的宏觀形貌與裂紋微觀形貌，得出裂紋尖端基體主要發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)這一結(jié)論，他還發(fā)現(xiàn)裂紋尖端與腐蝕介質(zhì)中的溶解氧生成氧化鋁，產(chǎn)生楔入力進(jìn)一步促使裂紋擴(kuò)展。這與陽(yáng)極溶解的兩個(gè)過(guò)程一致。

1.3陽(yáng)極溶解與氫致開裂結(jié)合理論

鋁合金的SCC往往同時(shí)包括上述兩個(gè)過(guò)程，有些體系以陽(yáng)極溶解為主，有些體系以氫致開裂為主，但兩種過(guò)程很難明顯區(qū)分。

Najjar[27]等研究發(fā)現(xiàn)7050鋁合金在3%NaCl溶液中的SCC是由陽(yáng)極溶解和氫致開裂共同作用的結(jié)果，以陽(yáng)極溶解為主。開始時(shí)合金晶界處的粒子存在電位差，發(fā)生陽(yáng)極溶解，鈍化膜破裂，形成臨界缺陷；隨著晶界處陽(yáng)極溶解加重，還原性氫原子擴(kuò)散，與裂紋尖端應(yīng)力和塑性應(yīng)變共同作用導(dǎo)致SCC。

曾為民[28]等對(duì)硬鋁合金LY12的應(yīng)力腐蝕行為進(jìn)行電化學(xué)研究時(shí)也得到了相同的結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，在陽(yáng)極極化條件下，應(yīng)力使陽(yáng)極溶解電流增大，在陰極極化條件下，應(yīng)力又使析氫過(guò)程更容易進(jìn)行，促使鈍化膜溶解。因此，LY12的應(yīng)力腐蝕開裂由陽(yáng)極溶解和氫致開裂共同作用所致。

綜上所述，普遍接受的應(yīng)力腐蝕開裂理論是陽(yáng)極溶解理論和氫致開裂理論，可通過(guò)陰極極化預(yù)防陽(yáng)極溶解，但陰極極化會(huì)促進(jìn)氫致開裂。鋁合金的SCC往往同時(shí)包括這兩個(gè)過(guò)程，有些體系以陽(yáng)極溶解為主，有些體系以氫致開裂為主。

2　應(yīng)力腐蝕主要影響因素

金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕需具備以下三個(gè)條件：材料本身（化學(xué)成份和組織結(jié)構(gòu)）有應(yīng)力腐蝕敏感性；特定的腐蝕環(huán)境；足夠大的應(yīng)力（也包括裝配應(yīng)力和自身殘余應(yīng)力等）。因此，影響鋁合金應(yīng)力腐蝕的主要因素可分為冶金因素、環(huán)境因素、應(yīng)力因素。三種主要影響因素的作用方式及所得結(jié)論見(jiàn)表1。

表1　高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕主要影響因素Table 1 The main influencing factors of stress corrosion of high-strength aluminum alloy

2.1冶金因素

冶金因素主要包括熱處理制度、合金化工藝等，通過(guò)改善材料的時(shí)效制度、添加微量元素等方法改變合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)（合金成分、顯微組織），以提高合金抗應(yīng)力腐蝕性。

2.1.1熱處理制度

高強(qiáng)鋁合金的主要熱處理工藝是時(shí)效。目前可用于生產(chǎn)的時(shí)效制度主要有三類：峰值時(shí)效（T6x）、雙級(jí)時(shí)效（T7xx）、短時(shí)回歸再時(shí)效（RRA）。

峰值時(shí)效通過(guò)最大密度地析出基體沉淀相將合金強(qiáng)度增至最高，但這種情況下合金抗應(yīng)力腐蝕性最低。雙級(jí)時(shí)效通過(guò)改變基體沉淀相形態(tài)、晶界結(jié)構(gòu)以降低沿晶腐蝕速度，來(lái)提高合金應(yīng)力腐蝕抗性，但抗拉強(qiáng)度會(huì)大幅降低。研究表明，峰值時(shí)效處理的7xxx系鋁合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)600 MPa以上，比雙級(jí)時(shí)效的同種合金抗拉強(qiáng)度高了10%～20%。孫志華等[29]對(duì)T6及T74處理的7B04鋁合金厚板（35 mm）的耐應(yīng)力腐蝕性能進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果表明，T6狀態(tài)鋁合金的臨界應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度因子（KISCC）為120 MPa，而T74狀態(tài)鋁合金的KISCC為300 MPa，T74狀態(tài)的KISCC約是T6狀態(tài)的約2.5倍，且應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率也明顯降低。上述結(jié)果說(shuō)明，鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能與時(shí)效制度密切相關(guān)，從峰值時(shí)效到雙級(jí)時(shí)效，應(yīng)力腐蝕敏感性依次降低。

短時(shí)回歸再時(shí)效處理（RRA）于前兩種制度不同，它通過(guò)峰值時(shí)效、回歸及再時(shí)效得到一種新的顯微組織，能同時(shí)提高強(qiáng)度和抗應(yīng)力腐蝕性。RRA處理可使得晶界和亞晶界處析出相η（MgZn2）粗化，使晶界內(nèi)過(guò)渡相η′（MgZn2）保持精細(xì)分布，晶界附近粗化的晶相能減少基體內(nèi)晶界附近氫原子的聚集，降低發(fā)生氫致開裂的概率[30]。鄭子樵等[31]發(fā)現(xiàn)RRA處理降低了SCC敏感性，他發(fā)現(xiàn)RRA處理后的7xxx系鋁合金晶界Cu或Mg孤立相形貌發(fā)生改變，位錯(cuò)密度降低。與RRA處理相似，對(duì)材料進(jìn)行高溫析出預(yù)處理，也可改變晶界的析出相結(jié)構(gòu)，改善材料應(yīng)力腐蝕性能[32]。

2.1.2合金化工藝

合金化是為保證合金的各種物理、化學(xué)性能，向合金中加入添加劑調(diào)整其成分至規(guī)定范圍的操作，可有效提高材料耐應(yīng)力腐蝕性。7xxx高強(qiáng)鋁合金成分由主要元素（Al，Zn，Mg，Cu）、微量元素（Mn，Cr，Zr，Ni，Ti等）和雜質(zhì)元素（Fe，Si）組成。Fe和Si以難溶的FeAl3，Si存在，是有害雜質(zhì)，影響合金的耐蝕性，因此應(yīng)盡量降低Fe和Si的含量。Zn和Mg主要形成強(qiáng)化相MgZn2，在固溶范圍內(nèi)提高Zn，Mg的含量可提高合金強(qiáng)度，但會(huì)降低抗應(yīng)力腐蝕性。因此在對(duì)構(gòu)件強(qiáng)度要求不高的情況下，可通過(guò)控制Zn/Mg的質(zhì)量比改善合金的抗應(yīng)力腐蝕性。

通過(guò)控制或添加微量元素的含量，可在不損失合金強(qiáng)度的前提下有效提高鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性能[33—34]。向高強(qiáng)鋁合金中添加Zr，可加速合金的η′（MgZn2）相或η（MgZn2）相沉淀，η′（MgZn2）相顆粒主要以分開的形式排列在晶界處，增強(qiáng)晶界的耐應(yīng)力腐蝕能力；Sc能凈化微結(jié)構(gòu)，阻礙再結(jié)晶，它與Al形成金屬間化合物Al3Sc，使合金具有亞晶和精細(xì)纖維結(jié)構(gòu)，因此提高了合金的抗應(yīng)力腐蝕性；Ni通過(guò)促進(jìn)晶格生長(zhǎng)提高合金耐應(yīng)力腐蝕性。

綜上所述，通過(guò)控制冶金因素提高鋁合金耐應(yīng)力腐蝕性時(shí)，應(yīng)在滿足工程應(yīng)用強(qiáng)度指標(biāo)的前提下，選取合適的熱處理制度，盡量降低Fe，Si的含量，嚴(yán)格控制Zn/Mg質(zhì)量比，適當(dāng)添加Sc，Ni，Zr等微量元素。

2.2環(huán)境因素

環(huán)境因素是影響合金應(yīng)力腐蝕敏感性的外在因素，敏感材料在特定環(huán)境下才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂[35]。調(diào)查研究表明，影響鋁合金應(yīng)力腐蝕行為的環(huán)境因素主要有相對(duì)濕度、環(huán)境溫度、腐蝕介質(zhì)、溶液溶氧量及pH值等。

2.2.1相對(duì)濕度

大氣環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕是一種薄液膜下的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。大氣的相對(duì)濕度影響鋁合金表面液膜的厚度，同時(shí)也影響水蒸氣能否凝結(jié)成膜。

通過(guò)分析金屬表面液膜厚度與腐蝕速率關(guān)系，可以推測(cè)出鋁合金應(yīng)力腐蝕速率與液膜厚度關(guān)系。研究表明，液膜厚度小于10 nm時(shí)，腐蝕速率很?。灰耗ず穸葹? μm時(shí)腐蝕速率最大，為薄液膜下的腐蝕；液膜厚度繼續(xù)增大，腐蝕速率降低。因此，液膜厚度約為1μm時(shí)鋁合金的應(yīng)力腐蝕速率最快。溫度等其他因素也影響液膜厚度，所以相對(duì)濕度的高低不能直接推斷應(yīng)力腐蝕速率的大小。

2.2.2環(huán)境溫度

溫度的影響應(yīng)該與環(huán)境相對(duì)濕度結(jié)合起來(lái)考慮，溫度能影響金屬表面水膜的形成、水膜中腐蝕性介質(zhì)的溶解度以及自腐蝕電池中陰陽(yáng)極反應(yīng)速度。在環(huán)境相對(duì)濕度一定的情況下，溫度越高合金越容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

張娟等[36]對(duì)2A12鋁合金在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂行為進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在一定溫度范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)溫度越高，合金的臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)因子越小、裂紋擴(kuò)展速率越大。這表明在一定范圍內(nèi)，升高溫度會(huì)使鋁合金的耐應(yīng)力腐蝕性能下降。

2.2.3腐蝕介質(zhì)

大氣環(huán)境中鋁合金的腐蝕介質(zhì)主要為Cl-、硫化物、氮氧化合物等，其中海洋大氣中Cl-對(duì)鋁合金SCC的影響最大，城市工業(yè)大氣中SO2對(duì)鋁合金SCC的影響最大。

Cl-對(duì)鋁合金的應(yīng)力腐蝕起加速作用。張曉云等[37]采用了三種不同類型的試樣，研究不同大氣環(huán)境對(duì)高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕的影響情況。結(jié)果表明，鋁合金在不同環(huán)境中應(yīng)力腐蝕敏感性不同，在海洋大氣環(huán)境中較為敏感。這是由于海洋環(huán)境中含有氯鹽相對(duì)較多，Cl-會(huì)穿過(guò)鋁合金表面的保護(hù)膜進(jìn)入內(nèi)部，加速鋁合金的腐蝕。

大氣中的硫化物（SO2，SO3等）也是引起鋁合金發(fā)生腐蝕的主要污染物之一，這些污染物隨降雨出現(xiàn)形成酸雨，加強(qiáng)對(duì)鋁合金的腐蝕。已有試驗(yàn)證明了SO2對(duì)鋁合金腐蝕的加速作用[38]，SO2溶解于金屬表面液膜后，使液膜內(nèi)腐蝕介質(zhì)酸性增加，合金氧化膜被腐蝕破壞，進(jìn)一步發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，溶解基體。

氯離子可與硫化物協(xié)同作用對(duì)鋁合金腐蝕產(chǎn)生影響。M A Arshadi等[39]發(fā)現(xiàn)，在大氣暴露環(huán)境下，SO2與Cl-對(duì)鋁合金的共同作用比二者單獨(dú)作用的腐蝕情況嚴(yán)重得多。S I Pyun等[40]也發(fā)現(xiàn)，含Cl-的溶液引入SO24-時(shí)，鋁合金的腐蝕加重。

上述研究表明，Cl-通過(guò)穿透作用進(jìn)入鋁合金表面保護(hù)膜內(nèi)影響鋁合金應(yīng)力腐蝕，SO2通過(guò)增加鋁合金表面液膜的酸性破壞氧化膜腐蝕鋁基體，且SO2或SO24-與Cl-協(xié)同作用會(huì)加重腐蝕情況。

2.2.4溶解氧及溶液pH值

溶解氧與溶液pH值往往綜合考慮，材料的耐SCC性能隨著溶解氧量或溶液酸度的增加而降低。

研究表明[41]，pH＞10時(shí)，在溶有氧的3.5%NaCl溶液中試樣極少發(fā)生SCC；4＜pH＜10時(shí)，試樣產(chǎn)生點(diǎn)蝕，生成裂紋，SCC敏感性增加；pH＜4時(shí)，鈍化膜破壞，裂紋擴(kuò)展；而除去氧的不同酸度的溶液中，試樣幾乎都不發(fā)生應(yīng)力腐蝕，溶解氧對(duì)鋁合金的應(yīng)力腐蝕起至關(guān)重要的作用。為了研究鋁合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)溶液pH值的變化情況，楊青等[42]測(cè)試了DCB試樣應(yīng)力腐蝕溶液pH隨腐蝕時(shí)間的變化曲線。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主體溶液呈堿性，裂紋尖端溶液呈酸性；主體溶液pH變化可分為3個(gè)階段，即初期pH緩慢增加，隨后pH急劇增大，到腐蝕中后期，pH值增加趨于穩(wěn)定，而裂紋尖端溶液酸化嚴(yán)重。

2.3應(yīng)力因素

2.3.1載荷類型

通常認(rèn)為鋁合金只有受足夠大的拉伸應(yīng)力時(shí)才會(huì)發(fā)生SCC，受壓縮應(yīng)力不發(fā)生SCC。李晨等[43]在研究初始應(yīng)力對(duì)鋁合金應(yīng)力腐蝕的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，ZL101鋁合金在足夠大的拉伸或壓縮應(yīng)力下均能發(fā)生SCC；但與壓縮應(yīng)力相比，拉伸應(yīng)力狀態(tài)下的材料裂紋速率更快，起裂時(shí)間更短。因此，壓縮狀態(tài)下材料也能發(fā)生SCC，只是拉伸狀態(tài)下材料對(duì)應(yīng)力腐蝕更敏感。

2.3.2加載方向

研究材料的應(yīng)力腐蝕敏感性時(shí)，對(duì)應(yīng)力加載方向選擇尤為重要，加載方向的選擇會(huì)影響鋁合金SCC敏感性的評(píng)價(jià)結(jié)果。在開展應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)時(shí)，選擇恰當(dāng)?shù)募虞d方向還可縮短試驗(yàn)周期，節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間。張娟等[36]采用SSRT試驗(yàn)對(duì)2A12鋁合金在3.5%NaCl溶液中的應(yīng)力腐蝕開裂行為研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，與軋制方向成45°角的加載方向合金應(yīng)力腐蝕最敏感，其次是90°角的加載方向，而與軋制方向成0°角的加載方向合金應(yīng)力腐蝕最不敏感。

2.3.3應(yīng)變速率

采用慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）研究材料的應(yīng)力腐蝕敏感性時(shí)，應(yīng)變速率是很重要的參量，控制應(yīng)變速率在一定范圍內(nèi)才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕，大多數(shù)材料應(yīng)力腐蝕最敏感的應(yīng)變速率約為10-6～10-7s-1。為了確定7075鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感的應(yīng)變速率范圍，R.Braun等[44]在人工海水中對(duì)其進(jìn)行了慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明，在應(yīng)變速率略小于10-6s-1時(shí)，該合金最敏感，其他應(yīng)變速率范圍該合金應(yīng)力腐蝕不敏感。

3　應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究方法

根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境的不同，應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究方法可分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和自然環(huán)境試驗(yàn)。兩種方法各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)同種材料應(yīng)用不同方法測(cè)定的應(yīng)力腐蝕開裂性能時(shí)，結(jié)果不一定一致，這種不一致性與材料在不同條件下的開裂機(jī)理及環(huán)境因素有關(guān)[45]。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)比分析自然環(huán)境試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)高強(qiáng)鋁合金實(shí)驗(yàn)室與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕行為相關(guān)性，以改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)方法。應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究方法分類及優(yōu)、缺點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2　高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究方法Table 2 Research methods of stress corrosion experiment on high-strength aluminum alloy

3.1實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的試驗(yàn)條件及環(huán)境因素可嚴(yán)格控制和調(diào)節(jié)，能研究單一因素或多種組合因素的作用，且結(jié)果重現(xiàn)性好，試驗(yàn)周期短。國(guó)內(nèi)外已通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究溫度、pH值、腐蝕介質(zhì)等單一因素及多種組合因素對(duì)高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕性能的影響。

為了研究高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕裂紋特征，王榮等[46]采用斷裂力學(xué)雙懸臂（DCB）試樣，針對(duì)7020鋁合金開展了實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，研究表明，7020鋁合金SCC裂紋沿晶擴(kuò)展，裂紋平直，有臺(tái)階式不連續(xù)擴(kuò)散和群集現(xiàn)象。不連續(xù)擴(kuò)散的原因可能為裂紋未及時(shí)在樣品表面形核，材料的高韌性導(dǎo)致了裂紋群集。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)也常采用SSRT試樣與恒載荷試樣研究高強(qiáng)鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為。Hyunjung等[47]對(duì)SSRT試樣施加不同的應(yīng)變速率和不同電位，恒載荷試樣選擇不同的暴露時(shí)間和取向，研究了試驗(yàn)變量對(duì)2024鋁合金SCC敏感性的影響，并確定斷面收縮率為評(píng)價(jià)鋁合金SSRT試樣和恒載荷試樣SCC敏感性最合適的指標(biāo)。

對(duì)于高強(qiáng)鋁合金實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法，我國(guó)基本遵照美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，通常在3.5%的NaCl中性溶液中開展連續(xù)浸潤(rùn)試驗(yàn)或周期浸潤(rùn)試驗(yàn)。這種在電解質(zhì)溶液中的腐蝕機(jī)制不同于自然環(huán)境的大氣腐蝕過(guò)程中金屬表面薄液膜下的腐蝕機(jī)制，所以實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果不能很好反映試樣在自然環(huán)境中的實(shí)際使用情況，試驗(yàn)結(jié)果難以直接引用。對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了一系列自然環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。

3.2自然環(huán)境試驗(yàn)

自然環(huán)境試驗(yàn)的操作簡(jiǎn)單，環(huán)境條件與實(shí)際使用條件相近，試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠。我國(guó)已在海洋、大氣等環(huán)境下開展了部分應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。在深海環(huán)境下對(duì)不同7xxx系鋁合金應(yīng)力腐蝕行為的研究發(fā)現(xiàn)，在試樣加載應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度50%與75%的條件下，在760 m深海處腐蝕402天后7xxx系鋁合金中7178，7079，7075具有應(yīng)力腐蝕開裂的現(xiàn)象，表現(xiàn)出一定應(yīng)力腐蝕敏感性[48]。Tsai等[49]在大氣環(huán)境下研究了增強(qiáng)超塑性7475鋁合金板材應(yīng)力腐蝕耐蝕性的辦法，通過(guò)自然環(huán)境試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，RRA處理可以獲得更大尺寸的晶內(nèi)析出相和晶界析出相，從而可以在不犧牲材料強(qiáng)度的情況下提高7475鋁合金材料耐蝕性。M.R. Baoyoumi[50]采用預(yù)制裂紋的楔型張開（WOL）試樣，研究了2024和7075鋁合金在海水中的SCC敏感性，確定了兩種鋁合金KISCC與KIC的關(guān)系，通過(guò)掃描電鏡分析，得出了試樣斷口形貌主要取決于裂紋尖端初始應(yīng)力的大小這一結(jié)論。

自然環(huán)境試驗(yàn)存在周期長(zhǎng)，各種環(huán)境因素的作用很難區(qū)分，試驗(yàn)結(jié)果重現(xiàn)性差等缺點(diǎn)。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕行為對(duì)比研究，綜合評(píng)價(jià)材料的抗應(yīng)力腐蝕能力。

為了獲取與材料服役環(huán)境更為接近的應(yīng)力腐蝕數(shù)據(jù)，國(guó)外學(xué)者先后開展了循環(huán)鹽霧試驗(yàn)、周期浸潤(rùn)試驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)，以及與材料實(shí)際服役情況一致的自然環(huán)境暴露試驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與自然環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，綜合評(píng)價(jià)同種材料在不同環(huán)境下的抗應(yīng)力腐蝕能力，為建立高效準(zhǔn)確的性能評(píng)定方法奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。如Mala等[51]通過(guò)對(duì)5083鋁合金開展實(shí)驗(yàn)室周期浸潤(rùn)試驗(yàn)和海洋大氣環(huán)境試驗(yàn)，對(duì)比研究?jī)煞N環(huán)境下5083鋁合金應(yīng)力腐蝕行為，綜合分析了不同成分5083鋁合金的耐蝕性。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也認(rèn)識(shí)到單純依賴實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)很難真實(shí)再現(xiàn)鋁合金實(shí)際服役的應(yīng)力腐蝕行為，逐漸開始了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)相關(guān)性研究。張曉云等[52]采用DCB試樣在4種不同的實(shí)驗(yàn)室模擬腐蝕環(huán)境中測(cè)試鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性，并與海南萬(wàn)寧試驗(yàn)站和青島團(tuán)島試驗(yàn)站兩種海洋大氣環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，分析4種實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境試驗(yàn)對(duì)實(shí)際使用環(huán)境的模擬加速性。得出了周期浸潤(rùn)試驗(yàn)和連續(xù)鹽霧試驗(yàn)可較好地模擬溫帶海洋氣候，循環(huán)鹽霧試驗(yàn)可較好地模擬熱帶海洋性氣候，連續(xù)浸潤(rùn)試驗(yàn)不能反映海洋性大氣下腐蝕實(shí)際情況的結(jié)論。雖然該試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕行為對(duì)比研究方面取得一些進(jìn)步，但試驗(yàn)所采用的均為3.5% 和5%NaCl中性溶液，溶液酸堿性和離子種類與萬(wàn)寧、青島試驗(yàn)站不一致，因此，該試驗(yàn)并沒(méi)有準(zhǔn)確模擬兩種自然環(huán)境下鋁合金的應(yīng)力腐蝕行為，仍需改進(jìn)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法。

4　結(jié)語(yǔ)

高強(qiáng)鋁合金的抗應(yīng)力腐蝕性已得到很大提高，新型高強(qiáng)鋁合金的研制及熱處理工藝的優(yōu)化提供了很大幫助，但對(duì)SCC理論研究不足，SCC機(jī)理尚未統(tǒng)一，今后仍需大量開展電化學(xué)試驗(yàn)，加強(qiáng)高強(qiáng)鋁合金的SCC更深層次的機(jī)理研究。如在電化學(xué)充氫條件下開展SSRT試驗(yàn)，借助透射電鏡、能譜儀等設(shè)備分析試驗(yàn)前后晶界、晶內(nèi)析出相及H的變化，解釋試樣應(yīng)力腐蝕敏感性變化的原因。

高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)主要是在實(shí)驗(yàn)室3.5% NaCl的中性溶液中以連續(xù)浸潤(rùn)、周期浸潤(rùn)及連續(xù)鹽霧方式開展的，這種方法雖然能在較短時(shí)間獲得大量試驗(yàn)結(jié)果，但試驗(yàn)環(huán)境與材料實(shí)際使用狀況有很大差別，所以試驗(yàn)結(jié)果不能作為被試材料在使用環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕性能的直接指南。因此，今后應(yīng)繼續(xù)開展自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，搜集自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)；同時(shí)，重點(diǎn)對(duì)比研究實(shí)驗(yàn)室與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室模擬加速方法的改進(jìn)；應(yīng)力腐蝕相關(guān)性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也有待制定。在實(shí)驗(yàn)室模擬加速方法改進(jìn)方面，提出以下幾點(diǎn)建議。

1）分析統(tǒng)計(jì)自然環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，建立完善的自然環(huán)境譜，根據(jù)自然環(huán)境譜確定試驗(yàn)類型與試驗(yàn)參數(shù)。

2）從應(yīng)力腐蝕特征參數(shù)、腐蝕產(chǎn)物、微觀組織等多方面定量、定性地評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)室與自然環(huán)境應(yīng)力腐蝕行為相關(guān)性，分析試驗(yàn)?zāi)M性的不足并改進(jìn)。

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Research Progress in Stress Corrosion Cracking of High-strength Aluminum Alloy

ZHAO Peng，SU Yan
（Southwest Research Institute of Technology and Engineering，Chongqing 400039，China）

The current research status of stress corrosion theories were summarized,of which the hydrogeninduced cracking theory and anodic dissolution theory could better explain the stress corrosion cracking behavior of high-strength aluminum.According to the three necessary conditions for occurrence of stress corrosion cracking,the influencing mechanism of the metallurgy factors,environmental factors and stress factors on the susceptibility of stress corrosion cracking of high-strength aluminum alloy and the action results were discussed.Meanwhile,the research progress of laboratory simulation acceleration and natural environmental stress corrosion testing methods,existing problems and future research priorities were introduced.

high-strength aluminum alloy；stress corrosion cracking；metallurgy factors；environmental factors；stress factors

2015-11-18；Revised：2016-01-05

SU Yan（1971—），F(xiàn)emale，from Chongqing，Senior engineer，Research focus：environmental adaptability of the equipment.

10.7643/issn.1672-9242.2016.01.025

TJ04；TG174

A

1672－9242（2016）01－0130-09

2015-11-18；

2016-01-05

趙鵬（1990—），男，黑龍江人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧细g與防護(hù)。

Biography：ZHAO Peng（1990—），Male，from Heilongjiang，Master graduate student，Research focus：metal material corrosion and protection.

蘇艷（1971—），女，重慶人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)檠b備環(huán)境適應(yīng)性。