应力腐蚀开裂 应力腐蚀开裂 （一）应力腐蚀开裂形成的条件和机理 应力腐蚀开裂往往没有预兆，所以是一种潜在的、最危险的腐蚀形式。铝合金中应力腐蚀现象比较突出，除纯铝，Al-Mn,AL-Mg(＜3%） 和AL-Mg-Si合金还没有发现应力腐蚀开裂现象外，其它铝合金都有不同程度的应力腐蚀敏感性，以中强和高强铝合金最为敏感。产生应力腐蚀开裂的条件之一是金属内部必须有拉应力。这种拉应力可以是外加的，也可以是金属内部的残余应力。对于结构件来说这种应力可能来自热处理和加工过程中的残余应力，如大锻件上的残余应力；也可能来自装配不当的安装应力；甚至是设计和使用不当而造成的应力集中。另外是金属和腐蚀性介质必须相接触。对于应力腐蚀特别敏感的那些铝合金，潮湿的大气和水蒸汽就是它的腐蚀介质。当然酸、碱、海水和氯化物水溶液更是铝合金典型的应力腐蚀介质。关于铝合金的应力腐蚀开裂的机理，目前尚无统一的理论。其假说很多，比较有 代
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性的是阳极溶解说和氢脆理论。按照阳极溶解理论，材料中存在着电化学腐蚀的阳极通路，依此进一步产生选择性的腐蚀并生成显微裂纹，拉应力在微裂纹的基础上产生应力集中，于是裂纹扩展，造成材料开裂。铝合金的阳极通路是晶间析出相或晶界边缘区与晶粒内部的电化学不均一性引起的，所以铝合金的应力腐蚀开裂一般是沿晶的。氢脆理论认为电化学腐蚀反应中的阴极过程产生了氢，氢原子沿着晶间的析出质点向金属内部扩散。所以和阳极理论一样，析出质点愈连续，固溶氢愈多，应力愈大，材料的脆性愈大，应力腐蚀开裂越敏感。 应力腐蚀开裂和氢脆是两种概念，也是两种机理，但是却有相同的结果，即析出相质点分布越连续，应力腐蚀越敏感，同时氢脆也越严重。析出质点间距增大，抗应力腐蚀性能改善，氢脆也得以减轻。 （二）合金元素的影响 铝合金的应力腐蚀开裂敏感性随合金成分而变化。所以合金不同，应力腐蚀开 裂敏感性不同。业已指出Al-Mn,AL-Mg(＜3%） 和AL-Mg-Si尚未发现应力腐蚀开裂现象。而合金化程度高的、或成分复杂的合金往往都有不同程度的应力腐蚀开裂敏感性。在铝合金中应力腐蚀开裂最敏感的合金是,AL-Mg(＞3-5%)、AL-Zn-Mg、AL-Zn-Mg-Cu 等合金。在AL-Mg 合金中，合金的应力腐蚀开裂敏感性随合金元素Mg 含量的增加而增加，当Mg含量3%时，合金没有应力腐蚀倾向，当3%时，应力腐蚀开裂敏感性明显增加。这是Mg2Al3相在晶界上沉淀的结果. 对AL-Zn-Mg、AL-Zn-Mg-Cu合金而言，应力腐蚀开裂取决于Zn 和Mg的总含量及Zn 和Mg含量的比值。众所周知，最佳的Zn 和Mg 含量比应约为3:1，而Zn 和Mg总量应.＜5%，此时，合金有良好的耐蚀性能。当Zn 和Mg总量提高到6-7%时，应力腐蚀开裂敏感性明显增加 试验研究和生产实践表明在铝合金中添加少量过渡元素（如Mn、Cr、Ti、Zr、V等）是改善铝合金抗应力腐蚀开裂性能最有效的方法之一，其中以Cr、Zr 的效果最好。 晶粒形貌对抗应力腐蚀开裂性能起着重要的影响。通常纤维状组织对抗应力腐蚀开裂性能起着改善的作用，而再结晶组织愈完善，抗应力腐蚀开裂性能则愈差。 上述添加元素（Mn、Cr、Ti、Zr等）都是难熔金属，在铝合金中，它们都可提高再结 晶温度，其金属间化合物的质点都非常细小而且弥散，有利于合金形成纤维状组织。如AL-Zn-Mg-Cu合金中加入微量的Cr，在合金中含Cr 的金属间化合物（三元的或四元的）相阻碍晶界和亚晶界移动。这些含Cr金属间化合物相可以作为稳定相MgZn2产生的核心，由于含Cr相非常细小且分布弥散，因而促使MgZn2的弥散分布，结果增加了位错切割质点的密度，降低在晶界的应力集中，从而改善合金的抗应力腐蚀开裂性能。随Cr 含量增加，抗应力腐蚀开裂的效果也增加。但由于Cr 添加量过高（如＞0.4Cr%）合金的时效能力明显降低，而且淬火敏感性增大，所以铬添加量通常控制在0.3-0.1%之间。 AL-Zn-Mg合金中添加Cu，Cu 溶解于固溶体中，以固溶体形式存在于晶粒边 界，可明显提高合金的抗应力腐蚀开裂性能。 如果联合添加Cr和Cu，它们的有益作用叠加在一起，因此改善合金应力腐蚀开 裂的效果更好。因此对AL-Zn-Mg-Cu 合金来说，Cr 几乎是一种不可缺少的添加 剂。 添加Mn 的作用与Cr 大致相似。Mn主要是提高合金的再结晶温度。 在高纯铝合金中，现在广泛应用Zr来代替Cr，Zr 在铝合金中的最大作用是显著提高合金的再结晶温度，Zr 促进MgZn2相的均匀析出，改变晶界状态，从而改善抗应力腐蚀性能。为了改善AL-Zn-Mg-Cu 合金的抗应力腐蚀性能，一般添加0.2%左右的Zr 最合适。此外，zr对淬火敏感性影响很小，这是它的最大优点。 （三）工艺因素的影响 热处理是影响合金应力腐蚀性能的关键因素。因为它决定了合金的相组成，析出质点的分布、大小和密度，以及合金的内应力大小等等。一般在固溶状态下，合金具有较高的抗应力腐蚀开裂性能。在随后的时效过程中，强度增加，应力腐蚀敏感性也增加。达到峰值强度时，合金的抗应力腐蚀性能最低。进入过时效阶段后，抗蚀性能重新提高。图1-3-5示意地表达了这种沉淀硬化过程与应力腐蚀敏感性之间的关系。 根据这个特点，对应力腐蚀敏感性最高的AL-Zn-Mg-Cu合金，工业上现广泛采用双级时效
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，以牺牲10-15%.强度，来提高合金的抗应力腐蚀性能。这种热处理制度（如T73）的 特点是，先在较低温度下进行短时间的一级人工时效，使之成核，然后再在较高温度下，用较长的时间进行二级人工时效，在形核上长大，形成了间距较大的亚稳定相，从而提高合金的抗应力腐蚀性能。 最近还提出用三级时效处理来改善高强合金的应力腐蚀敏感性。这种热处理方 法分为三个阶段：低温时效硬化一较高温度的回归处理一低温下再时效。但这种方 法我国目前工业上还难以采用。它的目的是想使析出质点更粗大，析出质点间的距 离更大。 四、剥蚀 剥蚀又叫层状腐蚀。它的特征是沿着平行于金属表面的晶间向横向扩展，使金属产生各种形式的层状分离。轻微的剥落只产生一些不连续小裂片、碎末、甚至仅形成泡疤，严重的剥蚀会使大块大块的、完全连续的金属片脱离金属本体。最严重时，腐蚀穿透金属整体，以层状分离形式使金属解体。
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