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7075铝合金抛喷丸机对铝合金抗应力腐蚀性能影响

2018-06-21 17:16:01 青岛鼎铸重工机械有限公司 阅读

 为研究抛喷丸处理对 7075 铝合金的抗应力腐蚀性能影响,选择图 2-1 所示的试样,利用慢应变速率试验进行对比分析。试验初始拉力为 150N 并使位移归零。试验过程中,通过计算拉伸速率与时间的乘积,每隔 0.003mm 记录一次位移、载荷数据,直至试样拉断。从设备自动生成的文档中读取试样的抗拉、断裂载荷及对应的位移,从载荷-位移曲线中得出屈服载荷及对应的位移,再算出材料的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变。试验前试样标距尺寸取 40mm,用于计算材料的延伸率。 

1、表面抛喷丸状态在不同 SSRT 条件下的 SCC 性能:

  选择四面抛喷丸、双面抛喷丸、不抛喷丸三类不同表面状态的试样,在不同的试验条件下进行 SSRT 对比。试验条件变量为:Na Cl 浓度、p H 值、温度、拉伸速率四方面。 

1.1 、三类试样在不同 SSRT 条件下的试验结果:

(1)试验条件 A:3.5%Na Cl、p H6、25℃、1x10-4 mm/s。试验曲线如图 3-1 所示。 

图 3-1  试验条件 A 下的载荷-位移图           图 3-2  试验条件 B 下的载荷-位移图

图 3-1  试验条件 A 下的载荷-位移图           图 3-2  试验条件 B 下的载荷-位移图 

  由图 3-1 可以得出,在试验条件 A 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-1。 

表 3-1  试验条件 A 下三类试样的试验结果

表 3-1  试验条件 A 下三类试样的试验结果

(2)试验条件 B:10.5%Na Cl、p H3、25℃、1x10-4 mm/s。试验曲线如图 3-2 所示。 

  由图 3-2 可以得出,在试验条件 B 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-2。

表 3-2  试验条件 B 下三类试样的试验结果

表 3-2  试验条件 B 下三类试样的试验结果 

(3)试验条件 C:10.5%Na Cl、p H3、55℃、1x10-4 mm/s。试验曲线如图 3-3 所示。 

图 3-3  试验条件 C 下的载荷-位移图             图 3-4  试验条件 D 下的载荷-位移图

图 3-3  试验条件 C 下的载荷-位移图             图 3-4  试验条件 D 下的载荷-位移图 

  由图 3-3 可以得出,在试验条件 C 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-3。 

表 3-3  试验条件 C 下三类试样的试验结果

表 3-3  试验条件 C 下三类试样的试验结果 

(4)试验条件 D:10.5%Na Cl、p H3、25℃、5x10-4 mm/s。试验曲线如图 3-4 所示。 由图 3-4 可以得出,在试验条件 D 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-4。 

(5)试验条件 E:3.5%Na Cl、p H6、55℃、1x10-4 mm/s。试验曲线如图 3-5 所示。 

表 3-4  试验条件 D 下三类试样的试验结果

表 3-4  试验条件 D 下三类试样的试验结果 

图 3-5  试验条件 E 下的载荷-位移图                 图 3-6  试验条件 F 下的载荷-位移图

图 3-5  试验条件 E 下的载荷-位移图                 图 3-6  试验条件 F 下的载荷-位移图 

  由图 3-5 可以得出,在试验条件 E 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-5。 

表 3-5  试验条件 E 下三类试样的试验结果

表 3-5  试验条件 E 下三类试样的试验结果 

(6)试验条件 F:3.5%Na Cl、p H3、25℃、4x10-6 mm/s。试验曲线如图 3-6 所示。 由图 3-6 可以得出,在试验条件 F 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-6。 

表 3-6  试验条件 F 下三类试样的试验结果

表 3-6  试验条件 F 下三类试样的试验结果 

(7)试验条件 G:7.0%Na Cl、p H3、25℃、2x10-5 mm/s。试验曲线如图 3-7 所示。

图 3-7  试验条件 G 下的载荷-位移图           图 3-8  试验条件 H 下的载荷-位移图

图 3-7  试验条件 G 下的载荷-位移图           图 3-8  试验条件 H 下的载荷-位移图

  由图 3-7 可以得出,在试验条件 G 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-7。

表 3-7  试验条件 G 下三类试样的试验结果

表 3-7  试验条件 G 下三类试样的试验结果 

(8)试验条件 H:10.5%Na Cl、p H4.5、40℃、1x10-4mm/s。试验曲线如图 3-8 所示。 由图 3-8 可以得出,在试验条件 H 下,三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-8。 

表 3-8  试验条件 H 下三类试样的试验结果

表 3-8  试验条件 H 下三类试样的试验结果 

1.2 、三类试样的试验结果分析:

  上述 8 种不同试验条件下,将四面抛喷丸、双面抛喷丸、不抛喷丸三类试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率数据进行几何平均值计算,得到的结果见表 3-9。 

  相对于表面不抛喷丸试样而言,四面、双面两类抛喷丸试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率的变化率,结果见表 3-10。 

表 3-9  不同试验条件下三类试样的试验数据均值

表 3-9  不同试验条件下三类试样的试验数据均值 

表 3-10  喷丸试样与不喷丸试样各参数的比较表

表 3-10  抛喷丸试样与不抛喷丸试样各参数的比较表 

一、屈服强度、屈服应变  

  由表 3-10 可得,综合不同的试验条件,与不抛喷丸试样相比,四面、双面抛喷丸试样的屈服强度分别提高了 5.88%、3.32%,屈服应变分别提高了 2.58%、1.34%,其原因为: 

 屈服强度是反映材料由弹性变形向塑性变形的内应力转折点,金属材料的塑性变形通过材料内部的位错滑移或孪晶,以及原子的扩散等途径实现。铝合金试样经过抛喷丸处理后,当材料内部的位错滑移至金属表面时,抛喷丸区域材料表层形成的残余压应力层将有效抑制位错的移动,另外抛喷丸表面层的晶粒会抑制原子的扩散,从而提高了试样的屈服强度。当试样由双面抛喷丸变为四面抛喷丸时,试样表面的残余压应力层覆盖整个材料表面,试样表面抑制位错移动的面积更大、也更均匀,因此四面抛喷丸对屈服强度的强化效果更明显。 

 铝合金进行 SSRT 时,抛喷丸形成的压应力可以抵消或补偿表层材料变形的部分拉应力,由于抛喷丸强化效果仅限于试样的表层材料,对材料内部原子的影响很小。因此,抛喷丸试样的屈服应变,会随着材料屈服强度的提高而增加,但屈服应变的提升率会小于屈服强度的提升率。 

二、抗拉强度 :

  由表 3-10 可得,与表面不抛喷丸试样比较,四面、双面抛喷丸试样的抗拉强度分别提高了 5.49%、2.77%。其原因为,在弹丸的高速冲击作用下,抛喷丸表面层的晶粒会产生形变或细化,材料内部的亚晶界及位错密度会增加,降低了 SSRT 时的应力集中敏感效应;另外,试样抛喷丸时表面残余的压应力也会抵消 SSRT 的部分拉应力。由于四面抛喷丸试样晶粒细化及残余的总压应力要大一些,从而更能提高试样的最大承载拉力。

三、抗拉应变、断裂位移及延伸率 :

  由表 3-10 可得,综合各种不同试验条件下的应力腐蚀性能,与表面不抛喷丸试样比较,四面、双面抛喷丸试样的抗拉应变分别降低了 3.58%、2.51%,断裂位移分别降低了3.66%、3.13%,延伸率分别降低了 3.49%、2.37%。其原因为: 

  抛喷丸处理提高了试样的承载能力,因此会提高试样的整体抗拉刚度;在未达到试样最大拉应力之前的相同应变下,抛喷丸试样承受的拉伸载荷要高于未抛喷丸试样。因此,抛喷丸试样在 SSRT 时会提前达到其最大的抗拉载荷,导致抗拉应变的降低。 

 受抛喷丸处理时高速弹丸的冲击作用,试样的表面粗糙度会有所加大,当抛喷丸试样承受相同的塑性形变时,容易在轮廓凹坑处形成应力集中并转化为微裂纹,受 SSRT 的拉应力作用下,微裂纹得到延伸。因此,抛喷丸试样的断裂位移、延伸率均会降低。

  与双面抛喷丸试样相比,四面抛喷丸试样的承载拉应力更高、表面缺口效应更明显,因此其抗拉应变、断裂位移及延伸率的下降率更大一些。 

四、断裂载荷 :

  由表 3-10 可得,与表面不抛喷丸试样比较,四面、双面抛喷丸试样的断裂载荷分别提高了 4.10%、2.57%。其原因为,试样抛喷丸后,抗拉强度会有所增加,提高了材料的承载能力;另外,由于抛喷丸试样的韧性降低,截面收缩率也随之降低,导致试样提前断裂。

2、四面抛喷丸试样受 SSRT 条件的影响:

2.1、溶液 Na Cl 浓度:

  选择四面抛喷丸试样,试验条件为:腐蚀溶液 p H6、温度 25℃、拉伸速率 1x10-4mm/s。溶液 Na Cl 浓度分别取 3.5%、7.0%、10.5%、14.0%。试验结果如图 3-9 所示。 

图 3-9  试样在不同 Na Cl 浓度下的载荷-位移图

图 3-9  试样在不同 Na Cl 浓度下的载荷-位移图 

  由图 3-9 可以得出,四种 Na Cl 浓度下试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-11。 

表 3-11  试样在不同 Na Cl 浓度下的试验结果

表 3-11  试样在不同 Na Cl 浓度下的试验结果

  由表 3-11 可得,随着腐蚀液 Na Cl 浓度的增加,铝合金试样在进行 SSRT 对比时,其屈服强度、屈服应变、抗拉强度、延伸率都呈下降的趋势。其原因为: 

  随着 Cl- 浓度的升高,铝合金试样表面的致密氧化膜更易于吸附液膜中 Cl-;吸附的 Cl-离子与氧化膜会发生化学反应,形成 Al(OH)(3-n)Cln;经过进一步的氯化后,最终形成的腐蚀产物 Al Cl3会逐渐分层剥落;在 SSRT 的单向拉应力作用下,会加剧试样表层氯化产物的生成及剥离,导致铝合金材料的 SCC 性能下降。 

2.2、溶液 p H 值 :

  选择四面抛喷丸试样,试验条件为:3.5%Na Cl 溶液、温度 25℃、拉伸速率 1x10-4mm/s。溶液 p H 值分别取 p H6、p H4.5、p H3、p H1.5 四种。试验结果如图 3-10 所示。 

图 3-10  试样在不同 p H 值下的载荷-位移图

图 3-10  试样在不同 p H 值下的载荷-位移图

  由图 3-10 可以得出,四种 Na Cl 浓度下试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-12。

表 3-12  试样在不同 p H 值下的试验结果

  由表 3-12 可得,随着溶液 p H 值的降低,铝合金试样在进行 SSRT 对比时,材料的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂位移、延伸率都会下降,而断裂载荷会增加。其原因为: 

  随着 p H 值的下降,溶液 H+ 浓度会增加,容易在试样表面析出 H2,在 SSRT 的拉应力作用下,腐蚀过程中产生的 H2 进入晶界后降低了晶间结合力,导致材料屈服强度、屈服应变、抗拉强度的下降。H2易在材料裂纹尖端引起氢脆,加速了应力腐蚀裂纹的扩展,导致材料抗拉应变、断裂位移、延伸率的下降;由于试样断裂时间的提前从而导致断裂载荷的变大。 随着 p H 值的进一步下降,溶液酸性增强,H+会直接与表面氧化膜和内部基材发生化学反应,导致材料 SCC 性能下降的趋势更明显。 

2.3、溶液温度:

  选择四面抛喷丸试样,试验条件为:10.5%Na Cl 溶液、p H3、拉伸速率 1x10-4mm/s。溶液温度分别取 25℃、40℃、55℃、70℃。试验结果如图 3-11 所示。

图 3-11  试样在不同温度下的载荷-位移图

图 3-11  试样在不同温度下的载荷-位移图 

  由图 3-11 可以得出,四种腐蚀温度下试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-13。 

表 3-13  试样在不同温度下的试验结果

表 3-13  试样在不同温度下的试验结果 

  由表 3-13 可得,随着溶液温度的增加,铝合金试样在进行 SSRT 对比时,材料的屈服强度、抗拉强度、断裂载荷都会下降,而屈服应变、延伸率却有不同程度的上升。其原因为: 

  随着溶液温度的上升,会加快铝合金表层材料的腐蚀速度,导致强度降低。另外,由于试样本身的温度变高,材料变软,导致铝合金的韧性提高,因此延伸率变大。

2.4、拉伸速率:

  选择四面抛喷丸试样,试验条件为:10.5%Na Cl 溶液、p H3、温度 25℃。拉伸速率分别取 5x10-4、1x10-4、2x10-5、4x10-6mm/s。试验结果如图 3-12 所示。 

图 3-12  试样在不同拉伸速率下的载荷-位移图


图 3-12  试样在不同拉伸速率下的载荷-位移图 

由图 3-12 可以得出,四种拉伸速率下试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率见表 3-14。 由表 3-14 可得,随着拉伸速率的降低,铝合金试样在进行 SSRT 对比时,试样的屈服强度、抗拉强度会降低,而延伸率则会上升。其原因为: 

表 3-14  试样在不同拉伸速率下的试样结果

表 3-14  试样在不同拉伸速率下的试样结果

  随着加载速率的变缓,金属内部原子的扩散、位错的滑移将会得到更充分的释放,导致铝合金材料的塑性形变提前出现。抛喷丸表面形成的残余压应力,在 SSRT 拉应力作用下会逐渐消退;另外,材料内部的晶面转动、晶粒重组会使塑性形变的抗力减弱,从而材料的抗拉强度会有下降。由于铝合金内部晶粒变形后会进行动态再结晶,导致材料塑性变好、延伸率提升。 

2.5、四种 SSRT 变量的影响对比 :

  由表 3-11 至表 3-14 可得,SRT 试验时溶液 Na Cl 浓度由 3.5%提高至 14%、溶液p H 值由 p H6 降低至 p H1.5 时、溶液温度由 25℃提高至 70℃、拉伸速率由 5x10-4 mm/s降低至 4x10-6 mm/s,四面抛喷丸试样的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、抗拉应变、断裂载荷及对应的位移、以及延伸率变化率见表 3-15。 

表 3-15  试样在单一试验条件下的变化率

表 3-15  试样在单一试验条件下的变化率 

  由上述数据可见,在 Na Cl 浓度、p H 值、温度、拉伸速率四种 SSRT 试验条件变量中,评价铝合金 SCC 性能时屈服强度、抗拉强度、延伸率三种参数变化的影响程度为: 

(1)屈服强度下降率:拉伸速率<p H 值<温度<Na Cl 浓度。

 (2)抗拉强度下降率:p H 值<拉伸速率<温度<Na Cl 浓度。

 (3)延伸率下降率:Na Cl 浓度<p H 值;延伸率上升率:拉伸速率<温度。 

3 、本章小结:

  本章采用四面抛喷丸、双面抛喷丸、不抛喷丸三类不同表面状态的拉伸试样,在不同的溶液 Na Cl 浓度、溶液 p H 值、溶液温度、拉伸速率下进行 SSRT 对比,得出铝合金如下的抗应力腐蚀性能结论: 

(1)与表面不抛喷丸试样相比,试样抛喷丸后的屈服强度、屈服应变、抗拉强度、断裂载荷都会有一定程度的提高,而抗拉应变、断裂位移、延伸率则会降低。对于抛喷丸试样,若抛喷丸表面由双面变为四面,则各项指标的提升或降低率会更大一些。

 (2)采用四面抛喷丸试样,SSRT 试验时溶液 Na Cl 浓度由 3.5%提高至 14%、溶液p H 值由 p H6 降低至 p H1.5 时、溶液温度由 25℃提高至 70℃、拉伸速度由 5x10-4 mm/s降低至 4x10-6 mm/s,在 Na Cl 浓度、p H 值、温度、拉伸速度四种条件变量中,对铝合金屈服强度、抗拉强度、延伸率三种 SCC 性能变化的影响程度为,屈服强度下降率:拉伸速率<p H 值<温度<Na Cl 浓度;抗拉强度下降率:p H 值<拉伸速率<温度<Na Cl浓度;延伸率下降率:Na Cl 浓度<p H 值,延伸率上升率:拉伸速率<温度。

  飞机铝合金构件在服役前通常都会对表面进行抛喷丸处理。民用航空器受使用年限、外界环境等多方面的影响,机体结构件出现的损伤程度会有很大的差别。抛喷丸构件会受表面腐蚀缺陷的影响,导致抛喷丸强化效果的衰减、消退。腐蚀构件经维护处理后,表面的腐蚀缺陷难以完全清除,因此会降低构件本身的结构强度和抗腐蚀能力。 本章通过改变 Na Cl 浓度、温度、时间、p H 值等腐蚀条件,以获得不同程度的预腐蚀试样。腐蚀试样表面处理后,分析是否需要再进行抛喷丸处理,以恢复构件原有的抗应力腐蚀性能。 


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