高强铝合金慢拉伸应变速率与氢脆敏感性的关系_杨晓.pdf

：高强铝合金慢拉伸应变速率与氢脆敏感性的关系杨晓，刘岩，张先锋，李雪峰，张欣耀，高灵清，（中国船舶重工集团公司第七二五研究所，洛阳 ；河南省船舶及海工装备结构材料技术与应用重点实验室，洛阳 ）摘要：以 高强铝合金材料为研究对象，通过设定不同的慢拉伸应变速率，研究材料的氢致应力开裂，同时对试样断口进行扫描电子显微镜分析，初步探讨了应变速率与氢脆敏感性的关系，为高强铝合金材料氢脆敏感性评价体系的建立提供借鉴。关键词：高强铝合金；应力腐蚀；氢脆；慢拉伸应变速率中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：杨 晓（），男，博士，高级工程师，主要从事金属材料失效分析与评价工作，（，；，）：，：；系高（超）强铝合金为轻量化材料，在国民经济和国防军工各个领域的应用越来越广泛。一方面，装备减重对材料韧性、疲劳性能的要求越来越高；另一方面，复杂的服役环境使构件中氢等有害元素对合金性能的不利影响日益突出。由于铝合金为面心立方结构，且氢在铝合金中的溶解度极小，不易形成氢化物，因此在相当长的时间内，认为铝合金中不存在氢脆现象，但是随着对高强铝合金应力腐蚀开裂（）和腐蚀疲劳（）研究的深入，发现氢对应力腐蚀和腐蚀疲劳都有明显的作用，并且可能是发生 和 的主要原因。国内学者通过研究氢对 高强铝合金材料性能的影响，初步证明了高强铝合金存在氢致应力腐蚀开裂的现象。截至目前，国内外对于高强铝合金材料的氢致应力腐蚀敏感性试验方法和评价工艺的研究相对较少 。笔者以 高强铝合金材料为研究对象，通过设定不同的慢拉伸应变速率来研究氢致应力腐蚀敏感性的问题，同时对试样断口进行扫描电子显微镜（）分析，初步探讨了慢拉伸应变速率与氢脆敏感性之间的关系，为高强铝合金材料氢脆敏感性评价体系的建立提供借鉴。试验过程试验材料试验材料为 高强铝合金铸锭，热处理状态为 态，其化学成分如表所示。高强铝合金的显微组织为（）相弥散相化合物相，晶杨 晓，等：高强铝合金慢拉伸应变速率与氢脆敏感性的关系表 高强铝合金的化学成分项目质量分数 实测值 粒度为级。慢拉伸应变试验方法采用慢拉伸试验机进行试验，所有试样均沿厚度方向截取，试样经过机械加工完成后，用 号砂纸对其进行打磨，然后用丙酮清洗，再用蒸馏水清洗并吹干，用玻璃胶和生胶带对非工作段表面进行封装。分别设定拉伸试验速率为 和 ，将试样放置于 的（质量分数）硫酸铵水溶液中，电流密度为。根据 慢应变速率应力腐蚀试验方法，应力腐蚀敏感性指数 计算公式为 （）（）（）式中：为材料在介质中的断裂强度；为材料在介质中的断后伸长率；为材料在惰性介质中的断裂强度；为材料在惰性介质中的断后伸长率。断口分析方法用 型扫描电子显微镜对试样断口进行观察。试验结果与分析不同拉伸速率下的应力腐蚀敏感性设置拉伸速率为 ，在 的充氢溶液和 的干燥空气下进行试验，结果如表所示。由表可知：两种条件下试样的断裂强度和断裂时间相近，但是在充氢环境下，材料的断后伸长率有所降低。通过计算，在拉伸速率为 时，高强铝合金的 为，相对较低，说明材料没有明显的应力腐蚀开裂倾向。表拉伸速率为 时的 高强铝合金应力腐蚀试验结果条件断裂强度 断裂时间断后伸长率 干燥空气 充氢溶液 设置拉伸速率为 ，高强铝合金在 充氢溶液和 干燥空气下的试验结果如表所示。由表可以看出：在 充氢溶液中，试样的断裂强度、断裂时间以及断后伸长率与 空气中试样相比均有较大的降低。通过计算，在拉伸速率为 时，高 强 铝 合 金 的 为，相对较高，有明显的应力腐蚀开裂倾向。表拉伸速率为 时的 高强铝合金应力腐蚀试验结果条件断裂强度 断裂时间断后伸长率 干燥空气 充氢溶液 断口分析结果设置拉伸速率为 ，高强铝合金在不同环境下的拉伸断口 形貌如图所示。由图可知：两种环境中的 高强铝合金拉伸试样断口的 形貌相同，均表现为韧窝沿晶脆性相断裂特征。该材料在 拉伸速率下没有表现出明显的应力腐蚀敏感性。设置拉伸速率为 ，高强铝合金在不同环境下的拉伸断口 形貌如图所示。由图可知：两种环境中的对应试样断口 形貌有所不同，充氢环境下的拉伸断口主要呈沿晶穿晶断裂特征，未发现明显的韧窝特征，个别位置晶界有宽化形态，且晶面上有明显的钝化特征；在空气环境中，试样断口 形貌主要呈韧窝沿晶脆性相断裂特征。高强铝合金在 拉伸速率下存在明显的应力腐蚀敏感性。由不同拉伸速率下材料应力腐蚀敏感性的计算结果和断口特征可知：随着拉伸速率的降低，在试验过程中会有更多的氢在试样表面聚集，根据扩散原理，表面氢逐步向试样内部渗入，并分布在晶界位置，从而引起晶界的弱化。后续在力与氢的共同作用下发生沿晶断裂。结论（）高强铝合金材料在充氢溶液中存在氢致应力腐蚀开裂的现象。断口主要呈沿晶断裂特征，且晶界有一定程度的宽化形态。（）高强铝合金材料在充氢溶液中的氢致应力腐蚀开裂现象的发生与拉伸速率有直接关系，较大的拉伸速率使聚集的氢含量未达到发生断裂的 临 界 值，故 不 会 发 生 氢 致 应 力 腐 蚀 断 裂行为。（）通过开展不同拉伸速率下的应力腐蚀试验，可以为高强铝合金的氢致应力腐蚀开裂试验方法和评价技术的研究提供技术支撑。杨 晓，等：高强铝合金慢拉伸应变速率与氢脆敏感性的关系图拉伸速率为 时 高强铝合金在不同环境下的拉伸断口 形貌图拉伸速率为 时 高强铝合金在不同环境下的拉伸断口 形貌参考文献：曾渝，尹志民，潘青林，等超高强铝合金的研究现状及发展趋势 中南工业大学学报（自然科学版），（）：霍望图，孙涛 涛，雷 诚 心，等 高 强 （）系铝合金成形性研究 进 展 中国材 料进展，（）：张新明，邓运来，张勇高强铝合金的发展及其材料的制备加工技术金属学报，（）：宋仁国，张宝金，曾梅光氢对 铝合金屈服行为影响的研究轻金属，（）：马少华，回丽，许良，等空气环境对预腐蚀 系铝合金疲劳性能的影响机械工程材料，（）：张宇，宋仁国，唐普洪 铝合金氢脆敏感性与 相互作用 中国腐蚀与防护学报，（）：（下转第 页）陈盛广,等:1 0 0 0 MW机组高温再热器入口集箱刚性吊架断裂原因图7 螺纹根部应力分布宏观观察结果表明:螺纹吊杆断裂于光杆附近的牙根部位,试样断面起伏较大,较为粗糙;断口裂纹源位于螺纹根部表面,终断区位于断口源区对侧。断面附近存在明显的颈缩,最大颈缩量为1 1%,说明存在超载现象。断面附近均存在蠕变孔洞;断面上未见弧线或条带等疲劳特征。在运行过程中,螺纹吊杆在高应力和高温作用下,螺纹根部应力超标,形成蠕变孔洞,孔洞聚集、长大直至产生裂纹,甚至发生断裂。此外,现场检查发现,集箱支吊架存在受力不均现象,部分支吊架超载。强度校核计算结果表明,螺纹吊杆牙根轴向拉应力计算结果为7 2.4 M P a,大于实测最高工作温度时的许用应力4 0.1 M P a;有限元计算结果表明,螺纹吊杆最大应力位于牙根表面,且超过了其屈服强度,计算结果与颈缩现象及断口金相检验结果一致,因此裂纹起源于牙根表面并向中部扩展。综上所述,在高温和高应力作用下,螺纹吊杆应力集中部位的螺纹牙根表面产生蠕变裂纹,并向中部扩展直至断裂。4 结论(1)螺纹吊杆的化学成分、硬度、室温拉伸性能、非金属夹杂物含量、晶粒度及显微组织均符合相关规定;断面源区未见机械损伤等缺陷;在高温及大拉力作用下,在牙根截面产生蠕变孔洞,随着蠕变孔洞的长大与聚集,最终形成蠕变裂纹。(2)螺纹吊杆实测温度大幅超过了原设计温度,因牙根表面应力超过其屈服强度,产生蠕变裂纹,裂纹逐渐向中部扩展直至断裂。(3)建议根据实测温度,对炉顶各集箱支吊架进行强度校核计算,将超标的部件材料等级提升或规格增大;改善燃烧方式,避免结焦;按照相关规程要求,定期对集箱支吊架进行检验与优化调整,使支吊架正常承载。参考文献:1 王海帅,张鹏,胡锋.某恒力吊架弹簧连杆断裂原因分析J.理化检验(物理分册),2 0 2 0,5 6(4):4 6-4 8,6 4.2 王昊,宋利,袁宝子,等.某电厂三通焊接接头开裂原因分析J.理化检验(物理分册),2 0 1 9,5 5(7):5 0 1-5 0 5.3 陈盛广,王军民,邓玲惠,等.高温再热蒸汽管道异常位移产生原因及防治研究与应用J.热力发电,2 0 2 2,5 1(5):1 6 9-1 7 4.4 刘佳伟,尤莎,李永学,等.1 2 C r 1 M o V高温集箱接管座角焊缝裂纹原因分析及处理建议J.焊接技术,2 0 2 1,5 0(2):6 8-7 0.5 纳日苏.某电厂低温再热器出口集箱焊缝裂纹原因分析及焊接修复J.焊接技术,2 0 2 0,4 9(1 2):7 2-7 4.6 刘胜明.6 0 0 MW超临界机组锅炉高温再热器出口管道恒力支吊架吊杆断裂失效分析J.发电设备,2 0 1 6,3 0(5):3 3 3-3 3 7.(上接第1 1页)7 宋仁国,曾梅光,张宝金.氢致7 1 7 5铝合金韧脆断裂转变行为J.东北大学学报(自然科学版),1 9 9 6(3):2 8 7-2 9 0.8 宫波,赖祖涵.7 0 5 0高强铝合金晶界偏析和氢致应力腐蚀开裂J.材料科学进展,1 9 8 8,2(6):5 1-5 5.9 祁星,宋仁国,王超,等.阴极极化对7 0 5 0铝合金应力腐蚀行为的影响J.中国有色金属学报,2 0 1 4,2 4(3):6 3 1-6 3 6.1 0 郑传波,益帼,高延敏.高强铝合金应力腐蚀及氢渗透行为研究进展J.腐蚀与防护,2 0 1 3,3 4(7):6 0 0-6 0 4.1 1 陈小明,宋仁国.7 0 0 0系铝合金应力腐蚀开裂的研究进展J.腐蚀科学与防护技术,2 0 1 0,2 2(2):1 2 0-1 2 3.1 2 滕奎,罗先甫,李红萍,等.7 0 5 5铝合金T型型材的应力腐蚀行为研究J.材料开发与应用,2 0 2 1,3 6(4):4 4-5 0.1 3 杨晓,罗先甫,陈洁明,等.高强铝合金氢致开裂研究进展J.理化检验(物理分册),2 0 2 0,5 6(8):2 3-2 6,4 2.53