车体铝合金腐蚀失效分析

赵军静，王晓敏，陈 辉

(西南交通大学 材料学院，四川 成都 610031)

车体铝合金腐蚀失效分析

赵军静，王晓敏，陈 辉

(西南交通大学 材料学院，四川 成都 610031)

检查了车体水箱横梁断裂件断裂的原因，利用光学显微镜和扫描电镜对断口及其覆盖物进行分析，确定了失效件的断裂原因为工作状态存在很大的螺纹孔应力集中产生应力腐蚀破裂。分析应力腐蚀的特征和产生条件，发现失效断裂与7系铝合金材料应力腐蚀敏感性大且在拉应力与腐蚀介质的共同作用下，致使应力腐蚀裂纹萌生和发展以致断裂也有一定的关系。

铝合金；应力腐蚀；应力集中

0 前言

运载工具轻量化是国内外运载工具设计和使用者长期追求的目标，轻量化可节能和提高运行速度，增加运输质量，减少能源消耗和大气污染。国内外的发展经验证明，铝合金型材是车辆轻型化结构材料的首选方案。铝合金除了满足上述要求外还可改善机车动力性能，使乘车更加舒适，且便于制造，降低了费用。目前我国已将大型、薄壁铝型材作为机车车辆的主导材料。Al－Zn－Mg(7000系)铝合金具有比强度高和优良的综合性能，是航空航天、交通运输及其他工业部门的重要结构材料。而铝锌镁系铝合金7N01挤压性能好，能挤压形状复杂的薄壁型材，焊接性能好，焊缝质量高，属铝合金中强度较高一类，是机车车辆和装备的主要结构材料。但因其具有不同程度的应力腐蚀断裂(SCC)敏感性而影响到使用性能。这不但降低了铝合金构件的使用寿命，而且影响铝合金结构的使用性能与承载能力，对设备造成极大的破坏。因此，找到腐蚀原因、提高合金抗腐蚀性能、保证强度成为关注的问题[1－3]。

1 试验过程和分析

两件水箱横梁断裂件如图1所示。两断裂件共有五组装金属紧固组件的螺栓孔和销孔，七个长孔。断裂截面横穿装金属紧固组件的螺栓孔与销孔，图1中2、5所指的位置。

图1 水箱横梁断裂件

经检查两个横梁断裂件的七个长孔周围均无裂纹，而五个装金属紧固件的螺栓孔和销孔截面均有不同程度的裂纹，2＃、5＃处最严重，完全断裂；1＃、3＃、4＃ 虽未断裂，但已折弯，用 150 mm 钢尺置于其下，挠度清晰可见，如图2所示。1＃螺栓孔处挠度 1.48 mm，3＃ 螺栓孔处 0.8 mm，4＃ 螺栓孔处1.14mm。将螺栓卸掉，打磨光后，裂纹肉眼可见，图3为折弯最大的1＃螺栓孔处表面裂纹，除图上明显可见的裂纹外，主裂纹还有几处分枝(螺栓孔左侧)。

图2 螺栓位置折弯挠度

图3 螺栓孔处表面裂纹

1.1 宏观检查

断件材料为7N01S－T5，检查断口和周围的表面，断口没有变形的痕迹，属脆性断口；断口上除有灰白色的沉积物外，还有许多黑色沉积物，经过丙酮溶液浸泡超声波振荡清洗，黑色的沉积物依然未完全除净。表明断口上裂纹存在时间很长。

将断口周边表面油漆磨净、打光后，肉眼即可见许多裂纹，为清晰地展现裂纹宏观全貌，用着色探伤将裂纹显示出来，如图4、图5所示。试样上灰色的条纹即为裂纹，围绕螺栓孔许多呈放射状的裂纹是肉眼不易看到的。

1.2 常规金相检查和扫描电镜分析

裂纹的显微形态如图6、图7所示。这些表面裂纹的特点与前次送来断裂横梁的表面裂纹相同，起源于有拉应力的表面，宽长比很小，有分枝，一些裂纹相互并不连接，大多数裂纹沿晶界扩展，偶见穿晶，是典型的铝合金应力腐蚀裂纹。

图4 2＃试样表面裂纹

图5 5＃试样表面裂纹

图6 表面裂纹之一(50×)

图7 表面裂纹之二(50×)

对断口进行扫描电镜观察。图8、图9是断口上扫描电镜观察到的典型形貌。冰糖状花样证实断口属晶间断裂，与金相观察沿晶裂纹是一致的。有二次裂纹，晶粒上有腐蚀产物，晶粒表面有腐蚀坑是沿晶型应力腐蚀裂纹的特点。从裂纹形态和断口形貌观察，均可以断定水箱横梁是应力腐蚀裂纹。

2 腐蚀原因分析

2.1 横梁组织检查

图8 冰糖状花样(300×)

图9 有二次裂纹和腐蚀产物(1 000×)

断裂横梁金属显微组织如图10所示，挤压型材组织如图11所示，均为铝的α固溶体和分布其上的不熔杂质相(金属间化合物)，两者相比，断裂横梁金属的晶粒要粗大得多，挤压型材晶粒度6～7级，本次断裂横梁晶粒度3～5级，断裂横梁晶粒度很不均匀。从常规判断晶粒粗大，晶界变少，杂质相对集中，有利于腐蚀进行。

图10 断裂横梁金属组织(1 000×)

使用扫描电镜能谱线扫描分析，检查成分有无偏析现象，如图12、图13所示。图12为横跨两条裂纹扫描，测定其成分变化，结果仅有铝在裂纹处数量急降，镁和锌没有明显变化，表明成分是均匀的。图13为选择横跨裂纹和晶界作线扫描，检查其成分变化，依然是铝在裂纹处数量突降，在晶界稍有下降，镁和锌仍然均匀。检查结果表明，成分是均匀的，铝数量在裂纹处下降是腐蚀的损失。也可推断出断口上所见灰白色腐蚀物是Al2O3。

图11 挤压型材组织

图12 裂纹及其附近线扫描图像

图13 裂纹与晶界的线扫描图像

2.2 力学原因分析

应力腐蚀裂纹的产生除材料与介质需匹配外，拉应力的存在是必要的条件。螺栓孔周围裂纹的分布形态和该处应力场有关。横梁螺栓孔附近受三点弯如图14所示，A－A横截面弯矩最大，厚度方向上板面受最大拉应力。应力腐蚀裂纹最先出现在A－A截面的上表面，横梁的断裂即该应力腐蚀裂纹扩展所致，2＃、5＃ 螺栓孔处情况属此。1＃、3＃、4＃ 螺栓孔裂纹发展尚处于不同阶段，其两侧边缘裂纹从上板面向下扩展的长度亦有差别。5＃螺栓孔加筋边裂纹占其厚度85%，薄边占74%；3＃螺栓孔分别占24.8、65%；4 号螺栓孔 34.2、58%。裂纹深浅不同，造成的挠度也各异。横梁的断裂都是发生在螺栓孔和销孔截面上，一方面是该截面承受的弯矩最大；另一方面是截面积最小。而图4、图5上螺栓孔周边放射形的裂纹，有些裂纹与三点弯产生的拉应力几乎平行，因此必然还存在另外的力。分析知，螺栓扭紧时产生的轴向拉力会在螺栓孔周边产生局部变形，如图15所示。横梁壁厚为6 mm，中间的螺母被销固定，但与板有间隙，螺栓的拉力会使孔边金属向上局部变形，孔周边上板面沿圆周被拉长，形成圆周拉应力，这就是在螺栓孔周围形成放射形裂纹的力学原因。销孔周围就见不到此类裂纹，如果横梁壁厚大或者加大加厚下螺母垫圈，中螺母压得紧，此种裂纹出现的可能就小。

图14 横梁金属紧固件螺栓拧紧形成的三点弯

图15 螺栓孔周边局部变形示意

通常应力腐蚀裂纹是属于低应力断裂，产生应力腐蚀开裂的应力一般都低于材料的许用应力或疲劳极限。对于某种材料在某种介质中应力腐蚀开裂而言，存在一个临界应力，如果在低于临界应力的应力下工作，就不会发生应力腐蚀裂纹，超过临界应力后应力值越高，裂纹发展越快，寿命越短。因此在许可的条件下尽量降低应力有利于防止应力腐蚀开裂或延长使用寿命。

就介质而言，机车车辆在各种地域都可能运行，环境差别很大，在北方干燥的天气下不容易产生应力腐蚀开裂，在南方潮湿多雨的天气，甚至沿海海洋气氛中运行就极易产生开裂[4]。7系列铝合金在潮湿多雨以及海洋气氛(氯化物)环境下对应力腐蚀开裂是比较敏感的，为降低其应力腐蚀敏感性，从化学成分、热处理制度等诸方面进行过很多研究，如Al－Zn－Mg合金的应力腐蚀敏感性取决于Zn和Mg的总量以及Zn和Mg含量的比值，最佳比值为3∶1，总量应小于 5%。此外，加入微量 Cr、Mn、Cu、Zr、Ti均有助降低应力腐蚀敏感性[5]。近年开发的T77处理即降低第二级时效的时效温度和延长时效时间进一步提高其综合性能[6]。

SCC是由于腐蚀环境和静态或单向变化的拉应力共同作用引起的一种局部腐蚀，通常会导致裂纹的形成而造成脆性破裂，造成金属结构承载性能明显下降,是一种较为隐蔽的局部腐蚀形式。裂纹的萌生和亚临界扩展往往在宏观上没有明显的预兆，裂纹扩展到临界长度后使得应力强度因子达到断裂韧性时易于造成突发性的断裂失效事故。拉应力、特定的腐蚀环境和敏感材料是发生应力腐蚀破裂的三要素[7]。在环境介质无法改变的条件下，对应力腐蚀裂纹的敏感性、材料组织、热处理制度、应力状态的改变仍然能够有一定的调节作用。

3 结论

(1)机车车辆底板横梁的断裂性质是应力腐蚀开裂，横梁断裂原因是应力腐蚀裂纹。

(2)应力腐蚀裂纹均从螺栓孔表面开始向内发展，金属紧固组件处螺栓的紧固力是该处发生应力腐蚀裂纹的力因素，在许可的条件下，应尽量降低扭紧力。

(3)断裂横梁的晶粒度从几个检查件看均较新的挤压原材料粗大，变粗大晶粒对横梁断裂有不利影响。

[1]王元良，王一戎，屈金山，等.高速列车轻量化车体材料的选择研究[J].铝加工，1994，95(17)：16－21.

[2]刘 杨.A7N01S铝合金焊接接头应力腐蚀及晶间腐蚀行为的研究[D].天津：天津大学，2007.

[3]Liu X F，Huang S J，Gu H C.The effect of corrosion inhibiting pigments On environmentally assisted cracking of high strength aluminum alloy[J].corrosion science，2003(45)：1921－1938.

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[5]魏群义，彭晓东，谢卫东，等.超高强度铝合金的应力腐蚀开裂[J].机械工程材料，2003，27(6):8－10.

[6]杜爱华.高强铝合金应力腐蚀研究进展[J].中国腐蚀与防护学报.2008，28(4)：251－255.

[7]Parkins R N.Stress Corrosion Cracking，in Uhlig's Corrosion Handbook(Second Edition)[M].Beijing：Chemical Industry Press，2005.

Corrosion failure analysis of carbody aluminum alloy

ZHAO Jun-jing，WANG Xiao-min，CHEN Hui
(Institute of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

This paper examination the reasons for the cracked tank crossbeam of carbody，analyzed the covering of fracture by optical microscope and scanned electron microscope and determine the cause of the fracture failure for the working state of threads hole exists tremendous stress concentration produces stress corrosion cracking.And analyzed the characteristics and produce conditions of stress corrosion finds that failure fault because 7xxx aluminum alloy material have a sensitivity of stress corrosion and in the effect of the tensile stress and corrosive medium bring about stress corrosion crack initiation and development also have certain relationship.

aluminum alloy；stress corrosion；stress concentration

TG441.7

B

1001－2303(2011)03－0087－04

2010－07－09

赵军静(1985—)，女，内蒙古锡林郭勒盟人，在读硕士，主要从事铝合焊接金腐蚀等方面的研究工作。