阴极极化对7050铝合金应力腐蚀行为的影响

祁 星，宋仁国，王 超，李 海，乔利杰，宿彦京，褚武扬

(1. 常州大学 材料科学与工程学院，常州 213164；2. 北京科技大学 环境断裂教育部重点实验室，北京 100083)

7050铝合金以其密度低、强度高、弹性模量大等优点广泛应用于航空、航天等工业领域，主要用作飞机的机身框架、机翼蒙皮及衍条等[1]。然而，该合金在力学−环境交互作用下易发生应力腐蚀开裂(SCC)[2−5]。当材料在含有氯离子等腐蚀介质中发生SCC时，总是伴随着力学和电化学的协同效应[6]。目前，虽然国内外学者已经开展了一些有关力学−电化学交互作用对7000系铝合金SCC行为影响的研究[7]，但是氢在SCC过程中的作用尚缺乏较为深入的定量研究。

从宏观上看，SCC机理可分为氢致开裂型和阳极溶解型两类[8−9]。然而，铝合金的SCC是氢致开裂还是阳极溶解目前尚存在争议[10]。早期人们认为铝合金的SCC机理是阳极溶解[11−12]，20世纪70年代初发现有些铝合金是由氢脆引起的[13]，也有研究者提出是二者的共同作用[14−15]。本文作者通过慢应变速率拉伸方法研究不同热处理状态 7050铝合金在不同阴极极化电位下的腐蚀断裂行为，同时通过对试样断口进行SEM观察并且用定氢仪测试分析试样的氢浓度，初步探讨阴极极化及氢浓度对 7050铝合金应力腐蚀的影响。

1 实验

1.1 材料及热处理

实验用材料为美国Alcoa公司生产的7050铝合金55 mm厚板材，化学组分(质量分数)如下：6.42%Zn，2.25%Mg，2.02%Cu，0.13%Zr，0.03%Ti，0.10%Mn，0.04%Cr，0.11%Fe，0.07%Si，其余为 Al。

欠时效热处理：先将合金在470 ℃保温2 h，冷水淬火，然后在135 ℃时效8 h。峰时效和过时效处理和上述过程相同，时效时间分别为16和24 h。

1.2 SSRT实验

采用工作段标距长20 mm、直径4 mm的圆棒试样进行慢应变速率拉伸试验。取样方向为短横(S−T)向。试样用1200号砂纸进行打磨，然后用丙酮清洗，再用蒸馏水清洗并吹干，用氯丁橡胶封闭非工作段表面。装夹好试样后加载300 N左右的预紧力以消除各向的间隙。拉伸应变速率为1×10−6s−1。这个速率小于 Al-Zn-Mg-Cu合金能显示氢脆效应的临界应变速率。

采用慢拉伸试验机分别在不同阴极极化电位下进行拉伸性能测试。极化电位为−1300、−1200、−1100、−1000、−900和−800 mV。试验介质为 3.5%NaCl(质量分数)水溶液和干燥空气。

根据应力腐蚀敏感性计算公式对实验数据进行处理。定义应力腐蚀敏感性如下：

式中：εscc为合金在腐蚀介质中的伸长率；ε0为合金在干燥空气中的伸长率。Iscc值越大，表明应力腐蚀敏感性越大；反之，Iscc值越小，应力腐蚀敏感性也越小。

1.3 氢含量分析

氢含量的测定采用EMGA−621型定氢仪，以石墨坩埚为加热体，通过脉冲加热低电压、高电流迅速升温。坩埚在高温下脱气去除杂质。样品在载气氩气流中先低温去除表面氢，然后在较高的温度下熔融后进入热导检测器进行检测，分析结果由仪器直接读出。

1.4 断口观察

断口形貌观察在JSM−6510扫描电镜上进行。

2 结果与分析

2.1 阴极极化对7050铝合金SCC的影响

3种不同时效状态7050铝合金的拉伸曲线分别见图1～3。由图1～3可见，在各种时效状态下，7050铝合金未极化时的抗拉强度均明显高于极化条件下的值；在欠时效状态下阴极极化时，拉伸曲线刚超过了屈服就开始下降，说明阴极极化大大降低了欠时效状态合金的力学性能，峰时效和过时效状态合金的力学性能也有不同程度的降低。同一时效状态合金阴极极化时，随着极化电位的负移，抗拉强度下降，而当极化电位低于−1100 mV时，抗拉强度则略有上升，但仍低于极化电位为−1000 mV时的值。上述结果表明，阴极极化对各种时效状态 7050铝合金的力学性能均有显著的影响。

图1 欠时效状态7050铝合金的拉伸曲线Fig. 1 Tensile curves of under-aged 7050 aluminum alloy

图4 所示为不同时效状态7050铝合金在自腐蚀和不同极化电位下的应力腐蚀敏感性。通过电化学极化实验得出3种时效状态的自腐蚀电位：欠时效态自腐蚀电位约为−700 mV，峰时效态的约为−710 mV，过时效态的约为−730 mV。从图4可以看出，在3.5%NaCl溶液中无论哪一种热处理状态的铝合金在阴极极化电位下进行SSRT拉伸时，应力腐蚀感性均明显高于自腐蚀条件下的应力腐蚀敏感性。随着阴极极化电位的负移，应力腐蚀敏感性均呈先升后降的趋势，这是因为随着阴极极化作用增强，阴极的析氢反应逐步增加，当极化电位低于−1100 mV时，析氢反应更加剧烈，可能使更多的氢易于以气态析出[16]，使得进入铝合金内部的氢含量下降，从而降低了氢脆效应。此外，欠时效状态下的 7050铝合金应力腐蚀敏感性在同一极化条件下的值最大，变化幅度也最大，峰时效的上升趋势和欠时效的相近，过时效的变化程度最平缓，说明过时效状态下的 7050铝合金有一定的抗应力腐蚀性能。这种差异是由于时效过后晶粒内部的结构发生了不同程度的改变[17]。对于欠时效状态的铝合金，晶粒内部主要是脱溶GP区(溶质原子的偏聚区)。这些GP区可作为可逆氢陷阱存在，合金在裂尖产生的氢原子会填充这些氢陷阱，同时位错滑移所携带的氢也会被捕获，直到饱和。氢在晶界的偏聚会大大降低晶界强度，使合金发生沿晶开裂。过时效状态的铝合金晶内析出相为η相粒子，而析出相是不可逆陷阱，氢原子无法达到饱和，因此氢不会造成晶界的过多偏聚，从而降低了氢致开裂的程度。峰时效处于中间状态，主要沉淀组织为 GP区和η′相，介于以上两种情况之间[18]。

图2 峰时效状态7050铝合金的拉伸曲线Fig. 2 Tensile curves of peak-aged 7050 aluminum alloy

图3 过时效状态7050铝合金的拉伸曲线Fig. 3 Tensile curves of over-aged 7050 aluminum alloy

图4 不同时效状态7050铝合金的应力腐蚀敏感性(Iscc)Fig. 4 Iscc of 7050 aluminum alloy in different aging states

2.2 氢浓度与应力腐蚀开裂的关系

在开路条件下，试样的SCC以阳极溶解为主[19]，为讨论方便，假定开路条件下应力腐蚀引起的塑性损失全部由阳极溶解引起，即Iscc≈Iscc(AD)，且在不同阴极极化电位下Iscc(AD)是不变的。阴极极化时，而氢引起的塑性损失为Iscc*≈Iscc(H)。整个应力腐蚀开裂的Iscc=Iscc(H)+Iscc(AD)。根据Iscc(H)/Iscc(AD)的相对大小就可判定氢在高强度铝合金 SCC中所起的作用及所占份额。根据Iscc(H)/Iscc(AD)随极化电位的变化就可以确定不同电位下氢在SCC中的作用。不同时效状态SCC时，也可根据Iscc(H)/Iscc(AD)来判断氢的不同作用。Iscc(H)/Iscc(AD)的值越大，说明氢的作用越大。不同时效状态Iscc(H)/Iscc(AD)的值及拉断试样氢浓度测定值c*(H)列于表1。从表1可以看出，3种时效状态随着极化电位的负移，Iscc(H)/Iscc(AD)的值都呈先升后降的趋势，拐点为−1100 mV。对Iscc(H)/Iscc(AD)和c*(H)进行拟合，得出Iscc(H)/Iscc(AD)随氢浓度指数的升高而线性增大(见图5)。设y=Iscc(H)/Iscc(AD)，其线性关系为

欠时效：

表1 不同时效状态下7050铝合金的Iscc(H)/Iscc(AD)及氢浓度c*(H)Table 1 Iscc(H)/Iscc(AD) and hydrogen concentration c*(H) of 7050 aluminum alloy in different aging states

图5 Iscc(H)/Iscc(AD)随氢浓度指数的变化Fig. 5 Iscc(H)/Iscc(AD) vs exponent of hydrogen concentration

峰时效：

过时效：

由式(2)～(4)可知，氢对不同时效状态7050铝合金的应力腐蚀敏感性影响规律相同，只是影响的程度有所不同。其中，欠时效状态时氢的作用最明显，峰时效的居中，过时效的最小。故氢和7050铝合应力腐蚀敏感性有很强的关联性。

2.3 断口形貌观察

不同热处理状态下的合金在空气和 3.5%NaCl水溶液中以及−1100 mV阴极电位下的断口形貌如图6～8所示。由图6～8可见，3种时效制度在空气中拉伸断口均为韧窝型。欠时效断口韧窝中存在夹杂物，韧窝形状很不规则，大小差异也很明显。峰时效和过时效出现许多圆形且尺寸较小的弥散相韧窝。在3.5%NaCl水溶液中断口均为脆性韧窝断口，欠时效时已经开始出现明显脆化现象。峰时效时韧窝较为平坦，也有少量穿晶解理面的出现，过时效时仍然有较多韧窝。在−1100 mV阴极极化电位下，断口开始转为沿晶开裂。欠时效时以沿晶开裂为主，峰时效时为不规则的沿晶解理混合开裂，过时效时以穿晶准解理开裂为主，同时伴有不多的沿晶开裂。通过以上观察发现：极化电位和时效程度对高强 7050铝合金的断裂形貌有显著影响，正是这种影响造成了以韧窝断口到沿晶穿晶断口的形貌变化，而其中脆化的增加以速度欠时效最为敏感，峰时效居中，过时效最慢。

图6 欠时效状态下7050铝合金的应力腐蚀开裂断口形貌Fig. 6 SCC fracture morphologies of under-aged 7050 aluminum alloy: (a) In air; (b) In 3.5% NaCl solution; (c) At polarization potential of −1100 mV

图7 峰时效状态下7050铝合金的应力腐蚀开裂断口形貌Fig. 7 SCC fracture morphologies of peak-aged 7050 aluminum alloy: (a) In air; (b) In 3.5%NaCl solution; (c) At polarization potential of −1100 mV

图8 过时效状态下7050铝合金的应力腐蚀开裂断口形貌Fig. 8 SCC fracture morphologies of over-aged 7050 aluminum alloy: (a) In air; (b) In 3.5%NaCl solution; (c) At polarization potential of −1100 mV

3 结论

1) 外加阴极极化会增加7050铝合金的应力腐蚀敏感性，但是当极化电位负移到一定程度时(低于−1100 mV)，阴极保护的作用使应力腐蚀敏感性有所下降。

2) 应力腐蚀敏感性与时效状态有着很强的相关性，在相同条件下，欠时效的应力腐蚀敏感性最大，峰时效的次之，而过时效的较弱。

3) 氢和阳极溶解在7050铝合金应力腐蚀过程中均起着非常重要的作用，且氢与阳极溶解引起的塑性损失的比值Iscc(H)/Iscc(AD)随氢浓度的指数的升高呈线性增大趋势。

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