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高强铝合金氢致开裂研究进展

2020-09-18

铝及铝合金


作为环保型轻量化材料,具有高的比强度、断裂韧性、疲劳强度以及良好的成型工艺性等优点,被誉为是最有前途的轻质结构材料之一。其在航空航天、船舶、汽车、高铁、轨道交通以及核工业中占据了不可替代的地位。

由于铝合金为面心立方结构且氢在铝中的溶解度极低,并且氢化物的形成较难,因此,相当长的时期内研究者普遍认为铝合金中不存在氢致开裂现象。但是随着人们对高强铝合金应力腐蚀和腐蚀疲劳现象的深入研究,发现氢对应力腐蚀(SCC)和腐蚀疲劳(CF)都有明显的作用,并且可能是导致SCC和CF的主要原因。同时,在1969年GRUB等首次发现,高强铝合金在试验过程中会出现氢致塑性损失的现象。随后一系列的工作也表明,7XXX系列的铝合金在浸蚀性环境下存在明显的氢脆。因此,在一定条件下,高强铝合金是具有明显氢脆现象的,对高强铝合金的氢致开裂行为进行系统和全面的研究是十分必要的。


铝合金的氢致开裂特点


氢的来源

一般来说,氢的来源分为两个部分,一个是熔炼过程中从潮湿环境、未完全烘干的炉体处吸收来的,另外一个是后期使用环境中引入的。其来源的核心是水气,其化学反应式为:

3H2O+2Al=Al2O3+6H


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从反应关系分析来看,只要熔炼过程中或者后期使用环境中存在湿度增加或者较大湿度的环境,就会导致上述化学反应式的进行,引发铝合金的吸氢。与其他类金属相比,氢在铝合金中的溶解度极低。同时,对于铝合金来说,熔点附近的固态和液态的吸氢能力有较大的差别,因此液态的溶氢在凝固时很难完全析出。而在铝合金中过饱和的气体有两个途径分布,一个是通过气孔或疏松等缺陷逸出,另一个是继续以不稳定的过饱和状态留在铝合金中,继而在加热或施加压力等条件下向裂纹尖端或者夹杂物、微孔等缺陷位置聚集,形成氢分子而导致氢脆的发生。

氢致开裂特点

高强铝合金氢致开裂最明显的特点是具有不易观察性、延迟性、不确定性以及突发性等特点,即便是在高温、高压极端环境下的高强铝合金也不会显现出明显的氢致损伤特点。预制裂纹的高强铝合金试样在干燥的高压氢环境中也不会反映出明显的滞后开裂,但在湿空气中则显示明显的脆性。


高强铝合金氢致开裂的独特特点是具有可逆性的,如果对充氢后的试样进行除氢处理,则其塑性和未充氢试样的基本相同。因此,在一定程度上可以认为,高强铝合金的氢致开裂行为与材料中的原子态氢具有一定的相关性。同时,高强铝合金的氢致开裂断口具有差异性。据文献调研发现,高强铝合金的氢致开裂断口形貌报道结果差异很大。这主要可以归结为试验条件和试样处理方法的不同所导致的。但是总体上来说,铝合金的氢致开裂断口主要为沿晶和穿晶两种类型,其断口特征与断面上氢浓度的高低有着直接的对应关系。


氢脆理论

近几十年来,尽管国内外学者对高强铝合金的氢致开裂行为进行了大量的研究,并且取得了一系列的成就,但是由于铝合金和钢、钛等金属的不同,使得铝合金的氢致开裂行为还是一个全新的研究领域,关于其作用机理尚未达成一致。较为熟知的理论有弱键理论、Mg-H复合体理论、晶界吸附理论、应力诱发氢化物致脆理论、氢致滞后塑性变形理论。


弱键理论 

弱键理论是TROIANO等在研究钢中的氢行为基础上提出的,ORINAI等进行了修正。该理论的研究者认为,在试样的裂纹尖端会存在3向应力区,试样裂纹的应力梯度分布会导致试样中的氢向裂尖扩散,使裂尖区域产生局部的富氢区,从而引发铁原子间的结合力下降。当氢的偏聚达到一定程度,材料就会在较低的应力下发生氢致开裂现象。但是就目前来看,该理论的物理机制并没有达成一致意见,并且氢致原子间结合力下降也未得到试验的验证。


晶界吸附理论

晶界吸附理论是在TROIANO提出的弱键理论基础上进行补充得到的理论,该理论认为与铝合金表面相接处的晶界会与表面的水分子发生化学反应,造成较多的原子氢分布在铝合金表面。随后氢原子扩散至晶格,发生晶界偏聚,导致晶界弱化,从而引发氢致开裂现象。


应力诱发氢化物致脆理论

应力诱发氢化物致脆理论主要机理是铝氢化合物致脆,该铝氢化合物并不是材料本身的析出相或者自身反应的化合物,而是在缓慢的拉应力作用下诱发导致的。该理论者认为,铝合金在缓慢拉伸力作用下,试样中的铝氢化合物相本身会发生脆性断裂,也会沿着铝合金基体的取向界面优先发生断裂,从而导致铝合金的氢致开裂现象。


Mg-H复合体理论

Mg-H复合体理论最早是由VISWANADHAM等提出的,该理论的研究者认为高强铝合金特别是7XXX系铝合金的晶界上会存在一定量的自由镁,晶界上的自由镁会与附近的氢形成Mg-H复合体相,从而导致晶界上氢的偏聚,降低晶界附近的结合能,进而引发晶界脆化。该理论能够很好地解释诸如晶界鼓泡,氢气泡等现象产生的原因。


近年来国内东北大学的曾梅光教授团队从试验上发现7XXX系高强铝合金在晶界上存在着明显的Mg-H相互作用。而常州大学的宋仁国教授团队通过试验也发现在高强铝合金的阴极渗氢过程中存在有晶界上的Mg-H相互作用,并且证明了晶界固溶镁偏析浓度愈高,合金吸氢能力愈强,因而渗氢量也就愈大,即氢脆敏感性越大。


氢致滞后塑性变形理论

氢致滞后塑性变形理论是由我国的褚武扬、肖纪美等人最早提出的。该理论的研究者认为当合金的强度和应力强度因子大于临界值时,如果将合金试样放置于氢环境中,随着时间的延长,合金试样裂纹尖端的塑性区尺寸和变形量都会随之增加,也即是发生了氢致滞后变形,当该变形达到一定程度后,就会导致氢致开裂现象的发生。


对于高强铝合金与氢相互作用的研究,积累了较多的氢致性能改变的试验数据,并形成了较多的理论解释。但是,迄今为止对于高强铝合金的氢致开裂行为的研究工作仅局限于对试验现象和数据的初步定性解释,还没有形成一个系统和全面的理论体系。


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