安徽6000系合金的晶間腐蝕試驗(yàn) 金相檢驗(yàn)

    鋁及鋁合金的腐蝕主要有點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、層狀腐蝕等。6000系合金在變形鋁合金中是產(chǎn)量較大的,它的抗腐蝕性能雖不如1000系、3000系、5000系鋁合金,但卻比2000系及7000系鋁合金要高得多。6000系合金的晶間傾向也比較大,對(duì)重要結(jié)構(gòu)用的6000系鋁合金材料應(yīng)進(jìn)行晶間腐蝕敏感性評(píng)估。

    晶間腐蝕

    晶間腐蝕腐蝕是在晶粒或晶體本身未受到明顯侵蝕情況下,發(fā)生在金屬或合金晶界處的一種選擇性腐蝕,會(huì)使材料力學(xué)性能劇降,以致造成結(jié)構(gòu)損壞或事故。

    6000系合金的晶間腐蝕

    在當(dāng)今應(yīng)用的變形鋁合金中,應(yīng)用較廣的是熱處理可強(qiáng)化的6000系合金,它們是一類Al-Mg-Si系與Al-Mg-Si-Cu系合金。2018年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)(The Aluminum Association,Inc.)公司注冊(cè)的常用及非常用合金共706個(gè),其中6000系合金較多,有126個(gè),占18%,在建筑工業(yè)、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域與交通運(yùn)輸裝備方面獲得了廣泛的應(yīng)用,因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫募庸こ尚涡阅堋⑦m中的強(qiáng)度與優(yōu)秀的抗腐蝕性能。但如果合金成分配比不恰當(dāng),或熱處理參數(shù)選擇不合適,或加工成形欠妥,那么在含氯的環(huán)境中就會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。

    在多數(shù)情況下,晶間腐蝕出現(xiàn)于含少量銅和Si/Mg高的合金中,通常大多數(shù)含銅合金的銅含量都不大于0.4%,只有6013、6113、6056、6156等4個(gè)合金的銅含量高達(dá)1.1%,向Al-Mg-Si合金加銅是為提高合金的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn),凡是有晶間腐蝕敏感性的合金,用高分辨率掃描透射電鏡觀察時(shí),往往發(fā)現(xiàn)有富銅的偏析層和陰極性Q相沉淀物。Q相是一種四元金屬間相,分子式為Cu2Mg8Si5Al4,沿著晶界析出,使鄰近的固溶體發(fā)生陽(yáng)極溶解,形成無(wú)析出物帶(spancipitate free zone)。

    晶間腐蝕敏感性檢驗(yàn)

    確定鋁合金的晶間腐蝕敏感性常用的檢驗(yàn)方法有兩種:現(xiàn)場(chǎng)(野外)試驗(yàn)(fieldtest)與加速沉浸試驗(yàn)。在加速試驗(yàn)時(shí),為了加快腐蝕進(jìn)行,往往采用含有鹽酸的氯化鉀溶液(ISO 11846 Method B)或加有過(guò)氧化氫的氯化鉀溶液(ASTM G110)。試驗(yàn)后對(duì)試樣橫截面進(jìn)行金相觀察或測(cè)定其力學(xué)性能損失。

    ISO 11846加速試驗(yàn)結(jié)果與海洋氣氛現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果有著高度的一致性,但晶間腐蝕敏感性鋁材在加速試驗(yàn)時(shí),在靠近試樣表面的幾乎所有晶界都發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕(均勻晶間腐蝕),而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)試樣表面僅在有限的地區(qū)發(fā)生腐蝕(局部腐蝕)。盡管如此,加速試驗(yàn)仍是能準(zhǔn)確地判斷材料是否有晶界腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)方法。

    汽車工業(yè)常按ISO 11846 Method B標(biāo)準(zhǔn)判斷6000系鋁合金是否有晶間腐蝕。按此標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)時(shí),首先將小試樣(表面積<20cm2)全浸于室溫酸性氯化鈉溶液(pH=1)中24小時(shí),然后進(jìn)行金相檢驗(yàn),以確定腐蝕類型(點(diǎn)蝕還是晶間腐蝕),另外還需確定腐蝕破壞表面百分?jǐn)?shù)和較大腐蝕深度。

    較近的研究顯示,允許對(duì)試驗(yàn)條件做一些較大的變動(dòng),不會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果再現(xiàn)性有大的影響。特別是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電解質(zhì)體積對(duì)試樣表面積之比不得小于5mL/cm 2,否則對(duì)晶間腐蝕速度的影響很大。

    試樣表面發(fā)生腐蝕的條件是必須存在陰極反應(yīng)(析出氫,氧減少),試驗(yàn)溶液的pH值隨著時(shí)間延長(zhǎng)而上升,使電解質(zhì)腐蝕下降。

    在8系列變形鋁合金中,6000系合金是一類Al-Mg-Si(Cu,Zn)系合金,是較易發(fā)生晶間腐蝕的合金之一,也就是說(shuō)該系合金有相當(dāng)強(qiáng)的晶間腐蝕敏感性。

    為了檢驗(yàn)6000系合金晶間腐蝕傾向,一個(gè)較有效的方法是在ISO 11846標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)后進(jìn)行堿液浸蝕再進(jìn)行除污處理,除污處理用濃硝酸液。不過(guò)在溫度50~60℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%~10%的NaOH溶液中浸蝕2~5min,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有所影響。

    一種有效的替代堿浸蝕的工藝是用硝酸/氫氟酸溶液,能有效地清除表面上富鐵原生質(zhì)點(diǎn)上的鋁。大家知道,鋁質(zhì)點(diǎn)能加速鋁合金在氯化物溶液的腐蝕,因?yàn)樗鼈兪蔷植康娘@微陰極,同時(shí)這些質(zhì)點(diǎn)還是晶間腐蝕的發(fā)源地。與在堿液中的腐蝕相比,合金在硝酸/氟化物液中的腐蝕要緩慢一些。

    在當(dāng)今應(yīng)用的變形鋁合金中,應(yīng)用較廣的是熱處理可強(qiáng)化的6000系合金,它們是一類Al-Mg-Si系與Al-Mg-Si-Cu系合金。2018年在美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)(The Aluminum Association,Inc.)公司注冊(cè)的常用及非常用合金共706個(gè),其中6000系合金較多,有126個(gè),占18%,在建筑工業(yè)、結(jié)構(gòu)領(lǐng)域與交通運(yùn)輸裝備方面獲得了廣泛的應(yīng)用,因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫募庸こ尚涡阅堋⑦m中的強(qiáng)度與優(yōu)秀的抗腐蝕性能。但如果合金成分配比不恰當(dāng),或熱處理參數(shù)選擇不合適,或加工成形欠妥,那么在含氯的環(huán)境中就會(huì)出現(xiàn)晶間腐蝕。

    在多數(shù)情況下,晶間腐蝕出現(xiàn)于含少量銅和Si/Mg高的合金中,通常大多數(shù)含銅合金的銅含量都不大于0.4%,只有6013、6113、6056、6156等4個(gè)合金的銅含量高達(dá)1.1%,向Al-Mg-Si合金加銅是為提高合金的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn),凡是有晶間腐蝕敏感性的合金,用高分辨率掃描透射電鏡觀察時(shí),往往發(fā)現(xiàn)有富銅的偏析層和陰極性Q相沉淀物。Q相是一種四元金屬間相,分子式為Cu2Mg8Si5Al4,沿著晶界析出,使鄰近的固溶體發(fā)生陽(yáng)極溶解,形成無(wú)析出物帶(spancipitate free zone)。

    6000系合金既是一類應(yīng)用廣、產(chǎn)量大、品種(牌號(hào))多的變形鋁合金,也是晶間腐蝕敏感性大的變形合金之一,但是只要生產(chǎn)中嚴(yán)格遵守工藝規(guī)范,特別是熱處理工藝,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,制造精良,這種腐蝕完全可以避免。6000系鋁合金結(jié)構(gòu)、零部件的晶間腐蝕敏感性還與其工作環(huán)境密切相關(guān),在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí),宜給予充分注意。

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