颗粒增强ＳｉＣ_ｐ／２０２４铝基复合材料的应力腐蚀断裂行为姚红宇（北京科技大学表面科学与 腐蚀工程系北京１０００８３）花迎春，宋余九（西安公路交通大学）（西安交通大学）涂铭旌（ 四川联合大学）摘要通过双悬臂梁试样试验和慢应变速率拉伸试验，研究了ＳｉＣｐ／２０２４铝 基复合材料在ＮａＣｌ水溶液中的应力腐蚀断裂（ＳＣＣ）行为，并探讨了增强体的存在对材料Ｓ ＣＣ行为的影响。发现增强体的存在并未使材料的ＳＣＣ机理发生本质上的变化，但使复合材料的 ＳＣＣ抗力明显高于普通铝合金的。关键词金属基复合材料，
应力腐蚀断裂，
铝合金１引言近年来 ，非连续增强铝基复合材料的应力腐蚀断裂（ＳＣＣ）行为引起人们的关注。曹利等山采用双悬臂 梁（ＤＣＢ）试样的研究表明，相对于ＬＤＺ铝合金，增强体的存在显著提高了ＳＩＣｗ／ＬＤＺ 复合材料的ＳＣＣ敏感性。清水义明等［＇］采用慢应变速率拉伸（ＳＳＲＴ）方法研究的结果却 与之相反：无论对于发生ｓ＊Ｃ的出＊ｗ／７０７５材料还是对于不发生８＊Ｃ的Ｓ＊ｗ／６０６ １材料，增强体的存在都没有改变材料的ＳＣＣ敏感性。本文试图澄清增强体的存在对复合材料Ｓ ＣＣ行为的影响。２实验方法试材为粉末冶金法制备的ＳＩＣ。（１０Ｐｍ，１５ｖｏｌ％）／２ ０２４挤压棒材。用于ＳＳＲＴ试验的板状拉伸试样标距段为Ｚ－ｃ４ｘ２０ｍｍ，拉伸轴平行于 材料纵向。经５２０＂Ｃｘｌｈ固溶十１６０＂Ｃｘ１６ｈ峰值）时效处理后，ａ６为４７０ＭＰ ａ，ｂ为１．５％。ＤＣＢ试样尺寸为１０ｘｌｏｘ８０ｍｍ；缺口深１４ｒｕｍ，Ｓ－Ｌ取向， 经同样的时效处理。中国科学院腐蚀科学开放研究实验室资助课题试验介质为室温的３．５％Ｎａ ＣＩ水溶液。ＳＳＲＴ试验开始前预加载３０ＭＰａ。在拉伸过程中对试样进行阳极极化，极化装 置由圆筒状Ｐｔ电极、ＳＣＥ电极和ＨＤＶ－７型恒电位仪组成。由于复合材料的少很小，以６和 。ｂ作为ＳＣＣ判拖，每个结果为２～３根试样的平均值。ＤＣＢ试样的试验方法参照文献［３］ ，平行试样为３个。采用Ｓ－２７００型扫描电镜（ＳＥＭ）研究断口形貌。峰值时效后的试村经 磨制，离子减薄后用ＪＥＭ－２００ＣＸ型透射电镜（ＴＥＭ）进行微观分析。作为对照，采用与 复合材料相同的工艺制备了２０２４铝合金，经同样的时效处理后供金相观察和ＳＳＲＴ试验用。 ３实验结果３．１皇徽组织由于增强体的存在，ＳＩＣ。／２０２４复合材料的晶粒度比用相同工 艺制备的２０２４铝合金小很多，增强体倾向于沿晶界分布。ＴＥＭ观察发现复合材料的晶界存在 大量沉淀相（Ｓ相）以及无沉淀区（ＰＦＺ），见图１。３．２ＤＣＢ试样试验ＤＣＢ试样在浸泡 过程中裂纹扩展速率始终小于０．０８６ｍｍ／ｄ，直至３０天结束。按照试验方法［＇］，判作 不扩展。这一结果与２０２４铝合金的ＤＣＢ试验结果截然不同ｌ＇］。由预裂纹长度可算出ＳＩ Ｃ。／２０２４材料的ＫＩｃ为２０Ｎ２４ＭＰａｍ＇／＇，试样满足平面应变条件。３．３开路 条件下的ＳＳＲＴ试验Ｆｉｇ．ＩＭｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆｇｒａｉｎｂｏｕｎｄａｒｇｒｏｆ Ｐｅａｋ－ａｇｅｄＳＩＣ。／２０２４介质中升路条件卜，ＳＩＵｐ／２Ｕ２４材料的６和。。 相对变化量（与在空气中的相比）随应变速率兰的变化见表１。除ｆ一１０－＇／Ｓ时数据异常外 ，力学性能随２降低略微下降，没有最敏感的ｆ。对断口的ＳＥＭ观察发现介质中所有生下的断口 形貌均为韧窝，与空气中的断口形貌相同。以上结果表明，在开路条件下ＳＩＣ。／２０２４材料 不发生ＳＣＣ，与ＤＣＢ试验的结果相符。与此相反，２０２４铝合金在这种条件下ＳＳＲＴ试验 却表现出强烈的ＳＣＣ倾向ｌ＇］。本试验中，力学性能随主降低而缓慢下降的原因在于腐蚀作用 改变了试样的表面状况。复合材料因其ＫＩＣ低而对表面缺陷敏感。图２给出了裂纹萌生于腐蚀坑 底部的一个示例。Ｆｉｇ．２ＡｃｒａｃｋｉｎｉｔｉａｔｅｄａｔｂｏｔｔｏｍｏｆａｐｉｔＩ ｎｏＰｅｎｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，兰一１０－＇／ｓＴａｂｌｅＩＶａｒｉａｔｌ ｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｌｃａｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｓｌＣｎ／２０２４ｗｉｔｈｅＩｎ ｏｐｅｎｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎ３．４阳极极化条件下的ＳＳＲＴ试验适度的阴极极 化不损害ＳＩＣ。／２０２４材料的ＳＳＲＴ性能［＇］。阳极极化的影响见表２。小幅度的阳极 极化显著降低ＳＩＣ。／２０２４材料的力学性能。阳极极化并未造成材料的宏观腐蚀，但在平行 于试样表面的金相磨片上发现了网状的沿晶腐蚀以及由此而产生的表面沿晶裂纹，如图３所示。沿 晶腐蚀发生于试样表层。Ｔａｈｉｓ２ＥｆｆｅＣｔＯｆｏｌｌｏｄｌＣＤＯＩＯＯＩＺＺｔｌｏ ｌｌＯｉｌｌｌｌｌＣｈＣｌｌｉＣＣＩＤＤＦｆｏＦＦＦｌｌＣＣＯｆｓｉＣｎ／２０２４（Ｅ ＝１０－６／引ＳＥＭ观察发现断口边缘呈沿晶特征（图４），心部则为沿晶与韧窝的混合形貌。 宏观性能和微观形貌都证实在阳极极化条件下ＳＩＣ。／２０２４材料发生了ＳＣＣ。阳极极化下 复合材料的这些表现与２０２４铝合金的相同［＇］。Ｆｉｇ．３Ｉｎｔｅｒｇｒａｎｕｌａｒａ ｔｔａｃｋｏｎｓｐｅｃｉｍｅｎｓｕｒｆａｃｅａｆｔｅｒＳＳＲＴｕｎｄｅｒａｎｏｄｉｃｐ ｏｌｄｒ－ｌｚａｔｌｏｎａｔｃｕｒｒｅｎｔ５０ｐＡ／ｃｍ＇；ａｓｐｏｌｉｓｈｅｄ，ｆ＝ １０＂／ＳＦｉｇ．４ｎａｃｔｏｇｒａｐｈｏｆｅｄｇｅｚｏｎｅｏｎｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ，ａｎｏｄｉｃａｌｌｙｐｏｌａｒｉｚｅｄａｔ５００ｐＡ／Ｃｍ＇将用相同工 艺制备的２０２４铝合金试样经峰值时效后，在ｄ二１０－＇／ｓ、５０Ｐ／ｃｍ＇的阳极极化条 件下进行ＳＳＲＴ试验，结果２０２４铝合金表现出与复合材料相同的沿晶腐蚀和沿晶ＳＣＣ断口 。值得注意的是相对于空气中，２０２４铝合金的６和。ｂ分别下降５３％和ＺＩ％，远大于相同 条件下ＳＩＣ。／２０２４材料的下降幅度（２１％和６％）。４讨论从实验结果可以看出，ＳＩ ＣＰ／２０２４材料的ＳＣＣ机制为沿晶界的阳极溶解，同时发生沿晶腐蚀。造成这一机制的原因 在于晶界存在阳极性的ＰＦＺ（图豆）。十多年来的研究普遍认为，２０２４铝合金在ＮａＣＩ水 溶液中发生沿晶界的阳极溶解型ＳＣＣ和沿晶腐蚀Ｉ＇］。本工作的实验结果表明ＳＩＣ。
增强体 的存在并未使材料的ＳＣＣ机理发生本质上的变化，复合材料的ＳＣＣ行为主要由基体材料的ＳＣ Ｃ行为所决定，在复合材料的ＳＣＣ过程中，基体／晶界的作用超过增强体／基体界面的作用而占 主导地位。然而，复合材料的Ｓ＊Ｃ行为与铝合金相比仍有不同之处：（１）开路状态下不发生Ｓ ＊Ｑ只在阳极极化条件下才发生。而商业２０２４铝合金，在开路条件下无论是ＤＣＢ试样试验［ ＇］还是ＳＳＲＴ试验ｌ＇］，都发生ＳＣＣ；在最敏感的ｆ一１０－＇／Ｓ处延性损失达４０～ ８０％ｌ＇］。（２）在相同的阳极极化条件下，ＳＩＣ。／２０２４材料的延性损失（２１％） 远小于相同工艺制备的２０２４铝合金（５３％）。这两点表明复合材料的ＳＣＣ抗力比铝合金高 ，有利于工程应用。造成复合材料ｓ＊Ｃ抗力较高的原因在于：山复合材料的晶粒细小，细化组织 总是有利于提高材料ＳＣＣ抗力的［＇］。（２）增强体周围应变集中现象的存在Ｉ＇］，使得基 体实际遭受的兰大于名义Ｚ。在开路状态下，当名义Ｚ落入对ＳＣＣ敏感的范围内（１０－＇／Ｓ 附近［叫时，实际生高出此范围，从而对ＳＣＣ免疫。按照滑移一膜破一溶解一再钝化的ＳＣＣ过 程，只有通过阳极极化将溶解速率提高到与滑移速率相匹配时，才发生ＳＣＣ。（３）沿晶分布的 增强体阻挡了沿晶ＳＣＣ裂纹的扩展。５结论增强体的存在并未使材料的ＳＣＣ行为发生本质上的 变化，但使ＳＩＣ。／２０２４复合材料的ＳＣＣ抗力明显高于２０２４铝合金的。参考文献｜｜ １曹利，李光福，姚忠凯．中国腐蚀与防护学报，１９９０，１０（３）：２６６２清水义明，西 村俊弥，田村学．材料与环境，１９９１，４０（６）：４０６３ 徐福源．金属材料应力腐蚀开 裂测试方法及其数据汇编，北京航空材料研究所，１９８４，ｐ．１２４ＨｏｌｒｏｙｄＮＪＨ， ＳｅａｍａｎｓＧＭ．Ｉｎ：ＤｅａｎＳＷ，ＰｕｇｈＥＮ，ＵｇｉａｎｓｋｙＧＭ．ｅｄ．Ｅｎ ｖｉｒｏｎｍｅｎｔ－ＳｅｎｓｉｔｉｖｅＦｒａｃｔｕｒｅ：ＥｖａｌｕａｔｉｏｎａｎｄＣｏ ｍｐａｒｉｓｏｎｏｆＴｅｓｔＭｅｔｈｏｄｓ，ＡＳＴＭＳＴＰ８２１；Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈ ｉａ：ＡＳＴＭ；１９８４，ｐ．２０２５姚红宇，涂铭旌，马宗跃等．中国复合材料学报，１９ ９６；１３（２），将发表６ＢｕｒｌｅｉｇｎｈＴＤ．ＣＯｒｒｏｓｉｏｎ，１９９１，４７（ ２）：８９７ＴｈｏｍｐｓｏｎＡＷ，ＢｅｒｎｓｔｅｉｎＩＭ．Ｉｎ：ＦｏｎｔａｎａＭＧ，Ｓ ｔａｅｈｌｅＲＷ．ｅｄ．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅ ｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｖ７；ＮｅｗＹｏｒｋ：Ｐｌｅｎｕｍ；１９８０；ｐ．５３８Ａｒｓｅｎａ ｕｌｔＲＪ，ＳｈｉＮ，ＦｅｎｇＣＲｅｔａｌ．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎ ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９１，Ａ１３１：５５ＳＴＲＥＳＳＣＯＲＲＯＳＩＯＮＣＲＡＣＫＩ ＮＧＢＥＨＡＶＩＯＲＯＦＳｉＣ_ｐ／２０２４ＭＥＴＡＬＭＡＴＲＩＸＣＯＭＰＯＳＩＴＥ￥ ＹＡＯＨｏｎｇｙｕ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＳｕｒｆａｎｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＣｏｒｒ ｏｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ）ＨＵＡＹｉｎｇｃｈｕｎ；ＳＯＮＧＹｕｊｉｕ（Ｘｉ＇ａｎＨｉｇｈｗａｙＴｒａｆｆｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）（Ｘｉ＇ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）ＴＵＭｉｎｇｊｉｎｇ（ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｔｅｄＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｋｉｎｅｔｉｃｔｅｓｔｓｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅ
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