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高强度铝合金盐雾加速腐蚀试验研究


Journal of Mechanical Strength 研究简报

机械强度

2006, 28( 1) : 138~ 140

高强度铝合金盐雾加速腐蚀试验研究
ACCELERATED CORROSION TESTS OF HIGH STRENGTH 7075 ALUMINUM ALLOY IN SALT WATER SPRAY
毋 玲 孙 秦 郭英男 ( 西北工业大学 航空学院 , 西安 710072) WU Ling SUN Qin Guo YingNan ( Institute of Aeronautics , Northwestern Polytechnical University , Xi an 710072, China)
摘要 使用 pH 为 3. 0、 浓度为 5% 的酸性 NaCl 溶液 ( 使用冰醋酸调节 pH 值 ) 作为腐蚀加速溶液 , 对高 强度的航空 铝

合金 7075 进行连续盐雾 腐蚀试验。试验结果表明 , 该加速腐蚀试验对大气腐蚀试 验有较好 的加速性和 模拟性。根据 对 腐蚀 试验件的力学性能测试结果 , 提出从腐蚀损伤的角度 对材料进 行腐蚀研究 的方法。讨论 以腐蚀损 伤等效 概念为 基 础 , 建立当量腐蚀加速关系。 关键词 铝合金 盐雾试验 加速腐蚀 腐蚀损伤 中图分类号 TG146. 21 TG172. 3 O346. 21 V250. 3 Abstract High strength Aluminum alloy is often used in aircraft structure; corrosion is a big problem that it must be faced of. Acid salt spray ( fog) test is used here to accelerate the corrosion of 7075 Aluminum alloy. The results obtained from the test show that the acid salt spray test could simulate and accelerate the atmospheric corrosion well. The mechanical properties of the corrosion samples have been tested. And it was found that the mechanical properties of the corrosion samples declined obviously with the corrosion time. Based on the test and the knowledge of damage mechanics, a concept of equivalent corrosion damage was proposed for the accelerated corrosion tests. Key words Aluminum alloy; Salt spray test; Accelerated corrosion; Corrosion damage Corresponding author : WU Ling, E mail : bellwu @ nwpu . edu. cn, Tel : + 86 29 88494684, Fax : + 86 29 88492850 The project supported by the Aeronautic Fund of China( No. CB10003) . Manuscript received 20040514, in revised form 20040628.

1

引言

素和生物环境因素的影响 ; 所以加速腐蚀试验不可避 免的有一定的模拟偏差。本文对腐蚀试件的力学性能 进行测试 , 讨论试验件对腐蚀环境产生的力学性能响 应, 以期从腐蚀对结构件造成的损伤等效的角度对加 速腐蚀进行研究。

大气腐蚀暴露试验是一种接近使用环境的较可靠 的腐蚀试验方法 , 试验结果也接近真实使用情况。但 是, 试验周期长 , 尤其对于设计寿命有几十年的飞机结 构件来说 , 为得到全面的腐蚀使用数据 , 可能需数年或 更长时间。几十年来, 工程设计和腐蚀与防护界都在 期望由实验室内的短期加速腐蚀试验结果来推测户外 长期暴露试验结果, 为此 提出了许多加速试 验方法。 本文使用酸性盐雾环境对航空常用高强度铝合金材料 7075 进行加速腐蚀试验 , 并从腐蚀机理、 腐蚀产物结 构、 试样外观表现及腐蚀动力学规律等方面与大气腐 蚀试验相比较, 证明本文加速方法对铝合金腐蚀试验 的可靠性。考虑 到真实的结构使用环境 是复杂多变 的, 如降雨、 凝露、 光照、 大风等多样的天气以及温度、 湿度、 气压等的变化 , 真实环境中还会存在电磁环境因

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实验方法
实验用材料为 7075 T6( 熔解之后再加上冷却, 材

料在没有任何塑性变形的情况下进行人工时效 ) 高强 度铝合金板材, 厚度为 2. 0 mm 。原始材料表面存在包 铝层 ( 7020) , 使用 NaOH 溶液腐蚀去掉包铝层, 纯 7075 合金的化学成分如表 1 所示。 选用狗骨形试验件如图 1 所示。实验段宽度为 6 mm, 长 20 mm, 而 两边夹 持端的 宽度 为 30 mm, 长 30 mm, 试件全长 104 mm 。 加速腐蚀试验环境使用连续酸性盐雾环境 , 试验

20040514 收到初稿 , 20040628 收到修改稿。本文得到航空支撑基金 ( CB10003) 及校博士创新基金的资助。 毋 玲 , 女, 1976 年 11 月生 , 河南博爱人, 汉族。西北工业大学航空学院讲师 , 博士研究生 , 从事环境断裂方面的研究。

第 28 卷第 1 期
表 1 7075 合金成分表 *


*

玲等 : 高强度铝合金盐雾加速腐蚀试 验研究

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的阴极, 处于受保护状态腐蚀发展缓慢或停止。
其他成分 * Ti

Tab. 1 Chemical composi tion ( in wt%) of 7075 Al umi num alloy 成分 Element 含量/ % Weight Cu Mg Mn Si Fe Cr Zn

4) 从试件加工端面观察腐蚀情况, 长期的腐蚀试 件腐蚀沿纵向和横向发展 ( 扁平晶粒晶界方向) , 腐蚀 痕迹狭长。 从上述观察结果中可以看出, 此种高强度铝合金 材料的加速腐蚀是从点蚀开始的, 随腐蚀时间的延长, 发展成为晶间腐蚀。该试验中腐蚀发展的过程与大气 腐蚀[ 2] 及其他加速腐蚀试验腐蚀发展过程基本一致, 由此可说明该加速方法的可靠性。 3. 2 加速腐蚀试件的定量分析 3. 2. 1 腐蚀失重的测定 图 2 给出 7075 T6 合金腐蚀失重随时间的变化规 律, 并与国产高强度铝合金的盐雾加速试验[ 3] 腐蚀失 重相比较, 图中实线为失重趋势线。国产高强度铝合 金 LC4 在化学成分及力学性能方面都与 7075 合金非 常相近。参考文献中使用的加速环境为酸性盐雾间歇 式喷雾 , 本文使用了酸性盐雾连续喷雾方式。从图中 可以看出 , 两种加速方式的平均失重在腐蚀起始的短 期内差别较大, 腐蚀一段时间后, 腐蚀失重量在大小与 发展趋势上都趋于一致。究其原因 , 可能在于 , % 在盐 雾腐蚀刚开始的短期内 , 因连续喷雾与间歇喷雾这两 种加速方法的差别, 造成试验件所处腐蚀环境的差异, 使腐蚀速度有所不同。 & 经过较长的一 段时间喷雾 后, 试件表面形成了一层盐雾沉积。当喷雾间歇停止 时, 试验箱仍保持不变的箱内温度及较高的相对湿度, 由于试件表面的盐雾沉积 , 使得紧贴试件表面的小环 境与喷雾时相比变化不大 , 进而两种加速方法规律趋 于一致。

Other elements* 每种最高含 量为 0. 05

1. 2 ~ 2. 0

2. 1 ~ 2. 9

max

max

max

0. 18 5. 1 ~ ~ 0. 28 6. 1

max

0. 30 0. 40 0. 50

0. 20 No more than 0. 05 for each element

* 其他成分最大总含量为 0. 15 The total wt% of other elements is no more than 0. 15 * * 其余成分为 Al The rest is Al

图1

试验件尺寸

Fig. 1 Test specimen configuration

按照 ASTM G85 ! 94 标准 [ 1] 执行。试验条件如下, 盐溶 液, 质量百分浓度为 5% 的 NaCl 溶液, 加冰醋酸将 pH 值调节到 3. 1~ 3. 3( 冰醋酸的含量在 0. 1% ~ 0. 3% ) ; 试验箱箱内温度保持在( 35+ 1) ? , 试件与垂直方向成 45#夹角摆放; 喷雾量控制在 1. 0~ 2. 0 mL / ( 80 cm2 ?h) 范围以内。加速腐蚀试验结束后, 对试件进行分析评 定。采用测量失重的方法对腐蚀程度评定 , 并对力学 性能进行测定比较。

3
3. 1

试验结果与分析
加速腐蚀试验件的定性观察及现象分析 刚从试验箱中取出的试件表面有一层盐雾沉积, 除

干净表层的沉积盐雾, 观察试件表面腐蚀形态 , 与文献 [ 2] 沿海湿热地区铝合金大气腐蚀形态完全吻合。将腐 蚀产物冲洗干净, 并对试件进行干燥后再观察发现 : 1) 短时间的腐蚀试件表面分布有较均匀的细小点 蚀坑 , 随着腐蚀时间的增长, 点蚀坑的深度及直径都有 增大。 2) 对中间时间段的腐蚀试件观察发现 , 点蚀坑周 围小区域内的金属仍然光亮。大一些的点蚀坑周围未 腐蚀的区域也相对大一些 , 由此也可说明铝合金的腐 蚀为阳极溶解型 , 蚀坑周围区域为阴极受到保护, 蚀坑 内部为阳极加速腐蚀。腐蚀时间再延长后 , 点蚀坑继 续增大, 周围光亮区消失 , 取而代之的是停止发展的小 点蚀坑。 3) 与短时间的腐蚀试件相比, 长期腐蚀试件上一些 微小的点蚀坑发展缓慢或停止, 腐蚀过程集中在一些大 点蚀坑上, 点蚀坑的分布密度相对较小 , 即蚀坑数量减 小, 但是坑半径及深度都有大幅增加。分析原因为原有 的较多邻近的小蚀坑发展连通, 最后汇聚成为大的点蚀 坑快速腐蚀 , 而个别小点蚀坑位于大点蚀坑电化学过程

图2

试件腐蚀失重随时间的变化

Fig. 2 The weight loss varies with t ime

从图中还可看出 , 连续喷雾加速腐蚀试验 , 失重变 化趋势接近直线关系, 即腐蚀速率较间歇式喷雾能更 快达到稳定值, 所以能使加速腐蚀试验的加速关系更 简单。 3. 2. 2 腐蚀试件力学性能的测定 与以往一些预腐蚀试件的力学性能试验[ 4] 不同,

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2006 年

本文的力学性能试验试验件的尺寸使用盐雾腐蚀前的 测量值, 并与未腐蚀试件的力学性能参数相比较, 以确 定腐蚀对试件力学性能参数的影响。力学性能下降如 图 3 所示 , 可以看出腐蚀试件的屈服极限和强度极限 均有明显下降, 图中直线为力学性能下降趋势线。

量 D 能很好地反映材料性能的恶化情况 , 在加速腐蚀 的研究中可以使用损伤变量 D 作为加速指标, 建立当 量加速关系, 即要求短期的加速腐蚀试验与长期的大 气环境腐蚀试验对构件造成的腐蚀损伤量等效。 试验 加速系数 ( acc) 可表示为 D 加速试验 acc = D 大气试验 D 表示损伤发展速率 , 它和金属的腐蚀速率具有一定 的对应关系。

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结论
1) 用 5% 的 NaCl 溶液( 冰醋酸调节 pH 值到 3. 0)

对高强度铝合金 7075 进行连续盐雾腐蚀试验。 测量该 试验的腐蚀失重 , 并与相关加速试验进行比较 , 本加速
图3 Fig. 3 试件力学性能随腐蚀时间的变化 The decline of the samples? mechanical propert ies with corrosion time

试验表现出较好的腐蚀速率稳定性。 对外厂大气腐蚀 试验有很好的加速模拟。 2) 对腐蚀试件进行力学性能试验。 试验件经过腐 蚀后, 屈服强度以及强度极限都有明显下降。 腐蚀失 重、 强度下降以及损伤发展都呈现出线性变化 , 说明腐 蚀量与强度下降之间有对应的比例关系。 从损伤等效 的角度建立当量加速关系, 将有利于腐蚀对构件力学 性能 ( 静强度、 疲劳强度
Ref erences
1 ASTM G 85 ! 94 Standard pract ice for modif ied salt spray( fog) t esting. 1994. 2 YIN XueYuan. The atmospheric corrosion test of common met al mat erial s at hot region Q ionghai in t he province Hainan. Environment Technology, 1997, ( 2) : 5 ~ 11( In Chinese) ( 尹雪渊 . 常用金属材料在海南琼海湿 热地区大气腐蚀试验 . 环境技术 , 1997, ( 2) : 5 ~ 11) . 3 ZHANG Q i, CHENG JiWei. St udy of the accelerated corrosion test s of high st rength A luminum alloys. A cta Aeronaut ica et Astronauti ca S inica, 2000, 21( 4) : 39 ~ 42( In Ch inese) ( 张 4 ZHANG Q iangY ing. 琦 , 程基伟 . 铝合金加速腐蚀 方法的研究 . 航空学报 , 2000, 21( 增刊 ) : 39 ~ 42) . Test result s of non ferrous met al Aluminum, Copper, Titanium and it s al loys during an atmospheric corrosion t est last ing for ten years in damp and hot area of Guangzhou. Environment Technology, 1997, ( 4) : 1 ~ 5( In Chinese) ( 章蔷英 . 有色金属铝 , 铜 , 钛 及其合金在湿热地区广州十年大 气腐蚀试验结果 . 环境技术 , 1997, ( 4) : 1 ~ 5) . 5 Gruenberg K M, Craig B A , Hillberry B M, Bucci R J, Hinkl e A J. Predict ing fatigue lif e of pre corroded 2024 T3 A luminum from breaking load t ests. Internat ional Journal of Fatigue, 2004, ( Electronic) : 1 ~ 13.
[ 5]

借用损伤力学中反映缺陷的损伤变量 D, 它反映 结构件因力学或化学等因素造成的承 载能力的下降 ( 有效承载面积减小 ) , 损伤变量 D 可表达为 A D = 1A0 A 为损伤材料的有效承载面积 , A 0 为无损材料的有效 承载面积。 由强度的下降反推承载面积的下降 , 从而得 到盐雾加速腐蚀试件的损伤发展如图 4 所示, 图中直 线为损伤发展趋势线。

) 影响的研究。

图4

试件损伤量腐蚀时间的变化

Fig. 4 The evolut ion of damage with time

损伤力学已有二、 三十年的研究历史, 近年来在静 力学及疲劳工程问题等方面得到了广泛应用。 损伤变


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