热处理状态对6061铝合金应力腐蚀性能的影响

姜 根，柏振海，罗兵辉，王 帅，罗嘉倩

（中南大学材料科学与工程学院，长沙410083）

0 前言

以6061 为代表的6×××系Al-Mg-Si 合金具有良好的工艺塑性、焊接性能和耐腐蚀性，而且应力腐蚀敏感性很低，因而被广泛应用于轨道交通以及现代建筑等领域[1-2]。6×××系铝合金一般是由铸锭经均匀化、热轧而后固溶时效（一般为T6），然后应用于各个领域。但在某些特定热处理状态下的6×××系铝合金还是会发生应力腐蚀开裂[3-4]。

本论文拟通过对不同热处理状态下的6061 铝合金（包括铸态、均匀化态、热轧态和T6 峰时效态）在3.5%NaCl 溶液中的应力腐蚀行为进行对比测试，从而探究6061 铝合金的应力腐蚀敏感性是否具有“遗传性”。

1 实验方法

实验材料为商用6061 铝合金，其化学成分如表1所示。铸锭在560 ℃下均匀化9 h后，在490 ℃下保温2 h 经四道次进行75%的热变形，随后进行退火（320 ℃/2 h）以去除轧制过程中产生的内应力，最后进行T6 峰时效处理（535 ℃固溶1.5 h，180 ℃时效9 h）。慢应变速率拉伸的试样及测试方法分别按照GB/T 228.1-2010[5]和GB/T 15970.7-2000[6]进行。试样尺寸如图1所示。应力腐蚀实验在RWS50-CRIMS型慢应变应力腐蚀试验机上进行，腐蚀介质为3.5%NaCl溶液，应变速率为6.67×10-6s-1，试验温度为25±1 ℃。开始试验前先施加150 N 的载荷以消除机械误差。

表1 6061铝合金的化学成分（质量分数/%）

图1 慢应变拉伸实验试样尺寸

表示应力腐蚀敏感性系数的方法有很多，比如使用断裂时间的比值、延伸率的比值或者是断裂能的比值等等。本文使用公式（1）给出的方法计算应力腐蚀敏感性系数ΙSSRT。该公式所给出的应力腐蚀敏感性评判依据是：与使用单项力学性能进行表征的应力腐蚀敏感性指数相比，将SSRT 实验所获得的各项力学性能指标如断裂强度和延伸率等进行数学处理后的结果，能更好地反映材料的应力腐蚀断裂敏感性。ΙSSRT的数值越大，表示其抗应力腐蚀的能力越差[7]。

6061 铝合金的应力腐蚀敏感性系数用ΙSSRT表示[8]，公式为：

式中，σfw表示试样在腐蚀介质中的断裂强度（MPa），σfA表示试样在惰性介质（干燥空气）中的断裂强度（MPa），δfw表示试样在腐蚀介质中的断裂伸长率（%），δfA表示试样在惰性介质（干燥空气）中的断裂伸长率（%）。

慢应变速率拉伸断口经过无水乙醇清洗后使用Siron 200 型扫描电镜进行观察。金相样品使用Keller试剂腐蚀后在Ployvar-Met 金相显微镜上进行组织观察。

2 实验结果

2.1 应力腐蚀测试

图2为不同热处理状态的6061铝合金在空气和3.5%NaCl 溶液中的慢应变速率拉伸曲线。可见铸态合金在空气和NaCl 溶液中仅存在延伸率上的损失，均匀化态的合金仅在强度上有所损失，而热轧态的合金在强度和延伸率上都几乎不存在损失，T6态的合金在强度和延伸率上均只有很少的损失。就强度而言，T6态＞铸态＞热轧态＞均匀化态。

图2 不同状态的6061铝合金在空气和3.5%NaCl溶液中的SSRT曲线

表2是判断6061铝合金是否具有应力腐蚀所需的参数。根据HB 7235-1995[8]的规定，当ψcorr/ψair＜95%时，可以认为材料在腐蚀介质中具有应力腐蚀敏感性。但由于慢应变速率拉伸断口不均匀，若通过测量直径计算颈缩处的横截面积则误差较大，故用公式（2）计算颈缩处横截面积。

式中，S0、Le分别为试样的横截面积和引伸计标距，Fb、Fu分别为B点和断裂时的点所对应的力，Δb、Δu 分别为B 点的延伸和断裂时的延伸。

经过计算发现，4种状态的6061铝合金除了热轧态外都具有应力腐蚀敏感性。表3是6061铝合金应力腐蚀测试的结果。其它3种状态的应力腐蚀敏感性顺序为：均匀化态＞铸态＞T6 态。但相比于2×××系和7×××系铝合金来说其应力腐蚀敏感性很小[7，9]。

表2 6061铝合金应力腐蚀敏感性判断所需参数

表3 6061铝合金应力腐蚀测试结果

2.2 拉伸断口观察

图3是不同状态的6061铝合金慢应变速率拉伸的断口扫描照片。从图3（a）和图3（b）中可以看出，铸态6061 铝合金在空气和NaCl 溶液中的断口形貌都以沿晶断裂为主，但是在NaCl 溶液中的断口中有二次裂纹的存在，这是应力腐蚀断口的典型形貌之一；图3（c）和图3（d）是均匀化态6061 铝合金的断口形貌。空气中的断口形貌是以韧窝为主的韧性断裂，而从NaCl 溶液中的断口中可以观察到解理区的存在，这是应力腐蚀断口的另一个特征；图3（e）和图3（f）是热轧态6061 铝合金的断口形貌，空气和NaCl 溶液中断口都是韧性断裂，整个断口形貌相似，说明其无应力腐蚀敏感性；图3（g）和图3（h）是T6 峰时效态6061 铝合金的断口形貌。空气中的断口为韧性断裂，韧窝数量多且深，而从NaCl 溶液中的断口可以观察到韧窝数量变少且变浅、变大，部分区域有转变成解理面的趋势。

图3 6061铝合金SSRT断口扫描电镜照片

2.3 微观组织观察

图4是不同热处理状态的6061铝合金的金相照片。从图4（a）铸态组织的金相照片中可以看出，合金存在较明显的枝晶偏析，晶界上析出相连续粗大，形成网络状组织；图4（b）是均匀化态的金相组织照片，枝晶偏析基本消除，晶界析出相回溶到基体，晶界变窄、变细，但仍然连续；图4（c） 为热轧板的金相显微组织，晶粒沿轧制方向显著延展成纤维状组织，晶界析出相变得不连续且更加细小；图4（d）为T6 峰时效态的金相组织照片，晶界析出相更加离散细小，呈颗粒状，且晶界处开始出现无沉淀析出带，晶内析出相细小而密集。

图4 不同状态的6061铝合金的金相照片

3 分析与讨论

从应力腐蚀分析结果来看，不同状态的6061铝合金在应力腐蚀性能上没有“遗传性”，热轧态的合金不具有应力腐蚀敏感性，而其他3种状态的应力腐蚀敏感性顺序为：均匀化态＞铸态＞T6 态，其ΙSSRT分 别 为0.090、0.063、0.052 （如 表3 所示）。对于铸态的合金（图4（a）），由于其晶间析出相连续，容易形成阳极腐蚀通道，且晶界附近存在元素偏析，使得与晶界析出相之间存在电位差，因而会造成材料的应力腐蚀，所以铸态合金的应力腐蚀断口与空气中的断口均为沿晶断裂（见图3（a）和图3（b））。但应力腐蚀断口有二次裂纹的存在，这是因为合金发生应力腐蚀使得晶界脆化，晶粒在拉力的作用下更容易被拉扯开来，从而产生二次裂纹。均匀化态的组织（图4（b））因晶界附近元素分布均匀，晶界析出相与晶界周围的电位差较大，晶界析出相连续，容易形成阳极腐蚀通道，故其应力腐蚀敏感性最高。所以均匀化态的合金在空气中的断口是韧性断裂，而应力腐蚀断口上存在大片的解理区。热轧态的合金（图4（c））经应力退火后，合金中存在的内应力很小，晶界析出相离散分布，尺寸相对于T6 态较大，更容易捕捉应力腐蚀过程中的氢，不易形成阳极腐蚀通道，且晶界没有无沉淀析出带的存在，因此热轧态的合金不会发生应力腐蚀。所以热轧态在空气和腐蚀液中的断口形貌相似（见图3（e）和图3（f））。而T6峰时效态（图4（d））的晶界析出相呈颗粒状不连续分布，且有无沉淀析出带的存在，晶内析出相细小且密集，但是宽化的无沉淀析出带与晶界析出相之间存在电位差，故而使得材料发生应力腐蚀。所以T6 态的合金在空气中的断口是韧性断裂，而应力腐蚀断口上也存在大片的解理区。

4 结论

（1）6061 铝合金从铸态、均匀化态、热轧态到T6 峰时效态均不存在应力腐蚀性能上的“遗传性”。

（2）热轧态的合金不具有应力腐蚀敏感性，其余3 种状态合金的应力腐蚀敏感性顺序依次为：匀化态＞铸态＞T6 峰时效态，其应力腐蚀敏感性系数分别为0.094、0.064、0.053。

（3）6061 铝合金铸态样品在空气和腐蚀液中的拉伸断口都是沿晶断裂，但应力腐蚀断口中有二次裂纹的存在；热轧态的样品在空气和腐蚀液中的拉伸断口都是韧性断裂，所以无应力腐蚀敏感性；均匀化态和T6 态的样品在空气中的拉伸断口以韧性断裂为主，而应力腐蚀断口中存在韧窝和解理区域，是韧性断裂和脆性断裂的混合断裂。