高強鋁合金鹽霧腐蝕研究開題報告

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目：7xxx鋁合金的鹽霧腐蝕研究系 別材料科學(xué)與工程專 業(yè)材料科學(xué)與工程班 級8090226姓 名王冬冬指導(dǎo)教師權(quán)力偉2011年6月 21日1、 選題的背景及研究的目的和意義 鋁合金密度低，但強度比較高，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量僅次于鋼。 隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，鋁合金作為一種有色金屬結(jié)構(gòu)材料在航空、航天領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。各種飛機都以鋁合金作為主要結(jié)構(gòu)材料，占飛機結(jié)構(gòu)重量的60801。飛機上的蒙皮、梁、肋、桁條、隔框和起落架都可以用鋁合金制造。航天飛機的乘員艙、前機身、中機身、后機

2、身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用鋁合金制做的。各種人造地球衛(wèi)星和空間探測器的主要結(jié)構(gòu)材料也都是鋁合金，其中高強度鋁合金的應(yīng)用尤為重要。高強度鋁合金中7xxx系列鋁合金有最高強度，代表型號7b04，主要含有鋅元素。al-zn-mg-cu 系超高強度鋁合金是20世紀60年代以航空航天用材為背景研制并發(fā)展起來的一類高性能鋁合金，具有輕質(zhì)、高強、高韌和低成本等一系列優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、交通運輸、艦艇和兵器等領(lǐng)域，具有極高的應(yīng)用價值，受到世界各國的高度重視。鋁鎂鋅銅合金是可熱處理合金，屬于超硬鋁合金，有良好的耐磨性也有良好的焊接性，但耐腐蝕性較差。適當控制合金中鋅和鎂的比例，可添加銅、錳等元素

3、后，將進一步提高合金強度，改善塑性和耐應(yīng)力腐蝕性能。其中鋅和鎂含量的比值及鋅、鎂、銅含量的總和不同，合金的性能也不同。鋅和鎂含量的比值增加，合金的熱處理效果增大，強度提高，但應(yīng)力腐蝕敏感性增大。當鋅、鎂、銅含量的總和大于9(質(zhì)量)時，合金的拉伸強度最高。 大zj自己修改全文，首行縮進氣腐蝕是指暴露在空氣的材料與空氣中的水和氧氣等發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)的作用所引起的腐蝕，它是腐蝕中最普遍的一種2。金屬的大氣腐蝕造成的經(jīng)濟損失尤為嚴重，據(jù)統(tǒng)計全世界在大氣中使用的鋼材一般超過其生產(chǎn)總量的60，腐蝕損失占總損失量的50以上。我國1995年的統(tǒng)計表明，因腐蝕直接造成的經(jīng)濟損失己高達1500億人民幣，約占國民生

4、產(chǎn)總值的43。高強鋁合金在沿海濕熱、高鹽分的環(huán)境中相當敏感，容易發(fā)生點腐蝕，形成腐蝕損傷。腐蝕損傷造成材料疲勞性能下降，嚴重影響了飛機的疲勞壽命。高強鋁合金的大氣腐蝕不僅使維護和維修的費用大大增加，而且縮短了飛機的壽命，甚至引起災(zāi)難性后果。 大氣腐蝕暴露試驗是一種接近使用環(huán)境的較可靠的腐蝕試驗方法, 標點符號應(yīng)為中文狀態(tài)，自己修改全文！空格去掉。太多了，都需修改。試驗結(jié)果也接近真實使用情況4。但是, 試驗周期長, 尤其對于設(shè)計壽命有幾十年的飛機結(jié)構(gòu)件來說, 為得到全面的腐蝕使用數(shù)據(jù), 可能需數(shù)年或更長時間。幾十年來, 工程設(shè)計和腐蝕與防護界都在期望由實驗室內(nèi)的短期加速腐蝕試驗結(jié)果來推測戶外長期

5、暴露試驗結(jié)果, 為此提出了許多加速試驗方法。例如使用酸性鹽霧環(huán)境對航空常用高強度鋁合金材料進行加速腐蝕試驗, 并從腐蝕機理、腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、試樣外觀表現(xiàn)及腐蝕動力學(xué)規(guī)律等方面與大氣腐蝕試驗相比較, 證明該加速方法對鋁合金腐蝕試驗的可靠性?？紤]到真實的結(jié)構(gòu)使用環(huán)境是復(fù)雜多變的, 如降雨、凝露、光照、大風(fēng)等多樣的天氣以及溫度、濕度、氣壓等的變化, 真實環(huán)境中還會存在電磁環(huán)境因素和生物環(huán)境因素的影響; 所以加速腐蝕試驗不可避的有一定的模擬偏差5。通過對腐蝕試件的力學(xué)性能進行測試, 討論試驗條件對試樣的力學(xué)性能的影響，進而從腐蝕對結(jié)構(gòu)件造成的損傷等效的角度對加速腐蝕進行研究。研究典型高強鋁合金試樣的腐蝕

6、行為，進而確定點腐蝕損傷對高強鋁合金材料疲勞性能的影響，對于老齡飛行器的定壽、延壽和新型飛行器的設(shè)計、改進都有較為重要的指導(dǎo)意義6。2、 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析 目前，對于高強鋁合金的腐蝕行為研究主要局限于鹽霧試驗。 鹽霧腐蝕試驗方法可分成兩大類: 天然環(huán)境暴露試驗和人工加速模擬鹽霧環(huán)境試驗。天然環(huán)境暴露試驗是將樣品放在某一典型氣候區(qū)域,在貯存環(huán)境下考樣品的耐鹽霧腐蝕性情況。天然環(huán)境暴露試驗的周期一般很長, 需要幾年甚至十幾年,同時, 需要試驗人員長期進行檢查和記錄, 所需人力、財力、物力較大。其試驗結(jié)果也只適用部分地區(qū), 在另一些地區(qū)則可能不適用。人工加速模擬環(huán)境試驗是利用具有一定容

7、積空間的試驗設(shè)備鹽霧試驗箱, 在其容積空間內(nèi)用人工方法造成鹽霧環(huán)境, 對元器件的耐鹽霧腐蝕性能質(zhì)量進行考核。它彌補了天然環(huán)境暴露試驗的不足,通過提高鹽霧環(huán)境中氯化物的濃度, 使腐蝕速度大大提高, 得出結(jié)果的時間也縮短了很多。 人工模擬鹽霧環(huán)境試驗, 使樣品的耐鹽霧腐蝕質(zhì)量不受自然環(huán)境條件的影響, 因此得到了較快的發(fā)展, 從單一的氯化鈉鹽霧試驗發(fā)展成為多種類型試驗7。鹽霧試驗可分為4 類: 中性鹽霧試驗, 醋酸鹽霧試驗, 銅加速醋酸鹽霧試驗, 交變鹽霧試驗。中性鹽霧試驗( nss) 是最早出現(xiàn)的人工模擬鹽霧試驗, 也是目前應(yīng)用最廣的一種試驗方法。國際標準化組織( iso) 、國際電工委員會( i

8、ec) 及工業(yè)發(fā)達國家和我國的產(chǎn)品標準大都規(guī)定中性鹽霧試驗為產(chǎn)品標準鹽霧腐蝕質(zhì)量項目的試驗方法。中性鹽霧試驗?zāi)M的環(huán)境條件相似于沿海地區(qū)的大氣環(huán)境,試驗可以揭示元器件鍍層存在的缺陷, 以及不符合質(zhì)量要求的工藝處理, 對同一種鍍層采用不同方法處理的質(zhì)量評價也可以得出較滿意的效果。 室內(nèi)加速試驗又可分為四類：連續(xù)鹽霧試驗，循環(huán)鹽霧試驗，周期浸潤實驗，室內(nèi)綜合加速實驗。 鋁合金材料構(gòu)件在海洋大氣環(huán)境服役過程中不可避免地會遭受不同程度的腐蝕損傷，主要腐蝕形式有點腐蝕、應(yīng)力腐蝕等。點腐蝕會造成高強鋁合金構(gòu)件的疲勞性能下降，引起斷裂等事故的發(fā)生。這主要是由于腐蝕損傷加速了表面疲勞源的產(chǎn)生和疲勞裂紋的擴展，

9、而縮短了飛機結(jié)構(gòu)部件的疲勞壽命及其剩余強度。已有很多學(xué)者研究了鋁合金材料在海洋大氣環(huán)境中的點腐蝕、應(yīng)力腐蝕特征和規(guī)律，這些為航空等工業(yè)應(yīng)用高強鋁合金材料提供了設(shè)計依據(jù)。在研究鋁合金材料的腐蝕中，大量的工作是針對鋁合金所處的環(huán)境(溫度、濕度、介質(zhì)成分等)與腐蝕規(guī)律、鋁合金的腐蝕類型及機理等，而鋁合金材料的面積因素對點腐蝕的影響規(guī)律研究得較少。飛機在長期使用的過程中防護涂層不同程度的脫落、劃痕及零件接合部位的磨損都會使鋁合金材料產(chǎn)生不同面積的暴露，這會影響鋁合金結(jié)構(gòu)件的腐蝕行為。因此研究高強鋁合金材料在鹽水環(huán)境下的暴露面積對點腐蝕行為的影響以及腐蝕規(guī)律也是現(xiàn)在研究的方向之一。絕大多數(shù)的金屬設(shè)備(

10、設(shè)施) 使用到一定程度其性能都會因腐蝕而受到影響, 出于安全性、經(jīng)濟性考慮, 腐蝕壽命的預(yù)測和評估已逐漸成為研究的重點8。在鋁合金構(gòu)件的服役過程中, 局部腐蝕往往是導(dǎo)致其失效的主要原因, 而其中高強鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂( stress corrosion cracking, scc) 問題尤為突出。60年前, 德國齊柏林飛艇的鋁合金構(gòu)件發(fā)生了應(yīng)力腐蝕, 甚至美國阿波羅登月艙和巨型土星火箭也出現(xiàn)了類似的應(yīng)力腐蝕破裂 。直到如今研制生產(chǎn)的先進噴氣飛機仍然存在這類鋁合金的應(yīng)力腐蝕問題。應(yīng)力腐蝕的特點是材料構(gòu)件在斷裂破壞前沒有明顯的預(yù)兆, 故其破壞性和危害性極大。因此, 鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂一直倍受人們

11、關(guān)注 , 多年來國內(nèi)外研究者在這方面做了大量的工作, 并在鋁合金的scc 機理、影響因素及控制手段等方面已取得了較大進展和成果。鹽霧對金屬材料的腐蝕是以電化學(xué)方式進行的, 主要是導(dǎo)電的鹽溶液滲入金屬內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng), 形成低電位金屬-電解質(zhì)溶液-高電位雜質(zhì)的微電池系統(tǒng), 發(fā)生電子轉(zhuǎn)移, 作為陽極的金屬出現(xiàn)溶解, 形成新的化合物, 即腐蝕物。金屬保護層和有機材料保護層也一樣, 當作為電解質(zhì)的鹽溶液滲入內(nèi)部后, 便會形成以金屬為電極、金屬保護層或有機材料為另一電極的微電池。海水的主要成份是氯化鈉, 大約占77. 8%。鹽霧腐蝕破壞過程中起主要作用的是氯離子cl- , cl-離子半徑很小, 只有1

12、. 81- 10-10 m。它具有很強的穿透能力, 容易穿透金屬氧化層和防護層進入金屬內(nèi)部, 破壞金屬的鈍態(tài)。同時, 氯離子具有一定的水合能, 容易吸附在金屬表面的孔隙、裂縫等部位, 取代保護金屬的氧化層中的氧, 使金屬受到破壞。鹽溶液的電化學(xué)腐蝕過程如下。陽極: 金屬以水化離子的形式進入溶液, 并把當量的電子留在金屬中me me+ + + 2eme+ + + nh2o me+ + . 2h2o或 me + nh2o me+ + . nh2o + 2e電子從陽極流到陰極。這部分有點亂，再調(diào)整下，下同。陰極: 留在金屬中的剩余電子被氧去極化, 氯通過擴散或?qū)α? 到達陰極表面, 吸收電子而成為氫

13、氧根離子 1/2o2+ h2o + 2e 2oh-溶液中, 氯化鈉溶液離解, 同時生成腐蝕物nacl na+ + cl-2me+ + + 2cl- + 2oh- mecl2 . me( oh) 2除了氯離子外, 鹽霧腐蝕機理還受溶解于鹽溶液里( 實質(zhì)上是溶解在試樣表面的鹽液膜) 氧的影響。氧能夠引起金屬表面的去極化過程, 加速陽極金屬溶解, 由于鹽霧試驗過程中持續(xù)噴霧, 不斷沉降在試樣表面上的鹽液膜使含氧量始終保持在接近飽和狀態(tài)。腐蝕產(chǎn)物的形成使?jié)B入金屬缺陷里的鹽溶液的體積膨脹, 因此增強了金屬的內(nèi)部應(yīng)力, 引起應(yīng)力腐蝕, 導(dǎo)致保護層鼓起。經(jīng)過近80 年的研究,人們對scc 的機理已逐漸明了,

14、 但有些理論仍然存在一定爭議, 比如影響7xxx 系鋁合金scc 的因素9。 綜合上述的文獻分析，大多數(shù)實驗只是單純的就某一方面對高強鋁合金的大氣腐蝕進行研究，因此本實驗將從鹽霧腐蝕的實驗條件，7xxx系高強鋁合金的腐蝕行為，及對腐蝕行為進行分析和研究探討，全面的研究7xxx系鋁合金在大氣環(huán)境中的鹽霧腐蝕。三、主要研究內(nèi)容1.鹽霧加速試驗條件對實驗結(jié)果的影響2.7xxx系高強鋁合金的鹽霧腐蝕研究3.7xxx系高強鋁合金鹽霧條件下的腐蝕行為三者有什么區(qū)別嗎？4.7xxx系高強鋁合金鹽霧加速腐蝕機理研究4、 實驗方案、實驗方法及進度安排、預(yù)期達到的目標4.1實驗方案4.1.1實驗過程主要包括試樣切

15、割、試樣預(yù)處理、鹽霧加速腐蝕、試樣后處理四個部分。（1） 切割過程：本實驗用材料為7b04和2124兩種高強度鋁合金板材,表面無包鋁層尺寸為120 mm30 mm x 3mm（若原始材料表面存在包鋁層, 則需用氫氧化鈉溶液腐蝕去除試樣表面的包鋁層）刪10表一 7b04 合金的化學(xué)成分( 質(zhì)量分數(shù)) 三線表格合金元素雜 質(zhì)znmgcumncrfesi5. 882. 241. 680. 380. 170. 090. 04表二 2124合金的化學(xué)成分表（質(zhì)量分數(shù)）7b04鋁合金用線切割機切割制成初級樣品，2124鋁合金用鋸條手工完成制樣過程。由于本實驗設(shè)計多組對比試驗，因此需要的試樣數(shù)目較多，所以切

16、割工作量較大。（2）試樣的預(yù)處理11a熱處理預(yù)處理這部分你不需做什么多吧？7b04的預(yù)處理：固溶+淬火+人工時效（18只試樣分成9組，每組兩只）固溶時間和溫度2h4h6h470485500這個表格沒必要畫，可以直接文字交代清楚。將每組實驗后試樣的硬度值填入上表中，比較得到最佳的固溶溫度和時間，然后再縮進，自己修改全文。將18只試樣全部按最佳固溶條件處理一遍。接下來按下表進行時效實驗同樣將固溶處理后的18只試樣分成9組，每組兩只試樣。時效時間和溫度14h16h18h120130140將每組實驗后試樣的硬度值填入表中，比較得到最佳的時效時間和溫度，然后將18只試樣全部按照最佳時效時間處理一遍，這樣

17、得到的18只試樣全部都是硬度值最大的，這是什么意思？沒看懂。將狀態(tài)的試樣作為腐蝕預(yù)處理的試樣。2124的預(yù)處理：固溶+淬火+自然時效最佳固溶處理溫度：495，嚴格控制溫度防止過燒自然時效時間：6天經(jīng)過上述預(yù)處理得到的2124鋁合金硬度值最大最符合實驗要求。b腐蝕預(yù)處理試樣分組并標號；清洗試樣一用脫脂棉蘸無水乙醇將試片表面擦洗兩遍去掉油污，再用無水乙醇漂洗一遍：測量試樣的表面積：稱量試樣的原始重量一用dt-100型精密天平有嗎？測量試樣初始重量，精確至小數(shù)點后4位；在加速腐蝕試驗前試樣應(yīng)放入干燥器中24小時以上。（3） 鹽霧加速腐蝕試驗 中性連續(xù)鹽霧試驗試驗方法12試驗方法采用gjb548b-2

18、005 方法1009. 2 中性鹽霧試驗的相關(guān)規(guī)定， 試驗時間為24 h， 基本技術(shù)參數(shù)范圍: 溫度3050，氯化鈉溶液的濃度0. 5%5% ，鹽溶液ph 值6. 57. 2， 沉降率( 12) /(mlx80cm-2xh-1)。試驗分組：選取16只試樣，平均分成4 組，每組1只；每組均采用4 種不同的試驗條件。各分組試驗條件見表1 表4：表1 溫度變化與鹽霧試驗結(jié)果的關(guān)系溫度/濃度/ph值沉降率/mlx80cm-2xh-1不標準！擺放角度/度3016.57.21.5303516.57.21.5304016.57.21.5305016.57.21.530表2 濃度變化與鹽霧試驗結(jié)果的關(guān)系濃度/

19、溫度/ph值沉降率/mlx80cm-2xh-1擺放角度/度0.5356.57.21.5301356.57.21.5303356.57.21.5305356.57.21.530表3 沉降率變化與鹽霧試驗結(jié)果的關(guān)系沉降率/mlx80cm-2xh-1濃度/ph值溫度/擺放角度/度116.57.235301.516.57.235301.716.57.23530216.57.23530表4 擺放角度變化與鹽霧試驗結(jié)果的關(guān)系擺放角度/度濃度/ph值沉降率/mlx80cm-2xh-1溫度/1516.57.21.5352016.57.21.5353016.57.21.5354516.57.21.535中性間歇

20、鹽霧試驗試驗方法經(jīng)過第組實驗后，得到腐蝕最嚴重的實驗條件即最適合的擺放角度、濃度、溫度、沉降率，然后將其作為間歇鹽霧試驗的唯一實驗條件。此實驗中選取2xxx系合金的典型代表2124作為對比試驗。此次間歇鹽霧試驗與連續(xù)鹽霧試驗的不同之處在于噴霧方式，即1 h 間歇噴霧( 噴1 h, 停1 h)13。準備7b04試樣和2124試樣各16只，各分成九組ah，每組兩只試樣，分別進行不同時間的間歇鹽霧腐蝕，分組如下表：腐蝕時間/h2480120240360480600720試樣編號7b047a7b7c7d7e7f7g7h21242a2b2c2d2e2f2g2h（4）試樣的后處理11清洗試樣一用去離子水漂

21、洗試樣表面，并干燥；留出用于其它分析用途的試樣一為電化學(xué)分析、物理方法分析留樣；照相一記錄腐蝕宏觀形貌；去腐蝕產(chǎn)物一根據(jù)hb 525783標準進行腐蝕產(chǎn)物的清除；稱量去腐蝕產(chǎn)物后的重量一用dt一100型精密天平測量試樣試驗后重量，精確至小數(shù)點后4位。4.2 實驗方法本實驗研究使用的是7b04超高強鋁合金，試樣在鹽浴爐中進行固溶處理，在鹽霧腐蝕試驗箱中進行腐蝕處理，然后用維氏硬度計測量腐蝕后試樣的硬度值，對其經(jīng)行失重分析，在萬能試驗機上進行拉伸力學(xué)性能測試，在金相顯微鏡上進行斷面顯微分析，在掃描電子顯微鏡上對部分加速腐蝕試驗不同時間的試樣進行微觀形貌的觀察與記錄，利用x射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進行成

22、分分析。4.3進度安排及預(yù)期達到的目標2012.6.15-2012.7.15 查閱文獻，完成開題報告，熟悉相關(guān)儀器操作；2012.7.16-2012.8.16 切割試樣，進行熱處理實驗，得到最符合要求的預(yù)處理腐蝕試樣；2012.8.16-2012.9.16 進行腐蝕試驗的前期工作，研究腐蝕試驗條件對腐蝕結(jié)果的影響，得到加速性最好的腐蝕試驗條件；2012.9.16-2012.11.30 在加速性最好的實驗條件下進行間歇鹽霧試驗，并對比連續(xù)鹽霧試驗討論二者的模擬性；2012.12.1-2012.12.31 完成論文初稿；2013.3.1-2013.4.30 在前期工作的基礎(chǔ)上對實驗進行進一步的補充

23、；2013.5.1-2013.6.1 完成畢業(yè)論文，準備最終答辯。五、完成課題所需的條件、主要困難及解決辦法5.1實驗材料及設(shè)備7b04鋁合金、2124鋁合金、試樣切割機、鹽霧腐蝕試驗箱、萬能電子拉伸機、鹽浴爐、失重分析儀、硬度計、電子顯微鏡、x射線衍射儀、掃描顯微鏡。5.2 主要困難及解決方法（1）本實驗設(shè)計多組對比試驗和分組試驗需要試樣數(shù)目較多因此切割工作量較大，所以要再保證實驗準確性的前提下盡量減少每組實驗所需試樣數(shù)目，既較少切割工作量又能節(jié)省原材料。 （2）對鹽浴爐鹽液爆炸飛濺的防護措施工件、掛具、新鹽必須按工藝規(guī)程進行預(yù)熱。保證預(yù)熱溫度，保證預(yù)熱時間，保證將淬火液、切削液、普通水、結(jié)晶水徹底除凈。嚴禁易分解的nano2、na2co3等混入中溫鹽nacl中。在實驗室嚴禁在硝鹽槽中用過未經(jīng)清洗的掛具、爐鉤等進入熔鹽。在鹽爐啟動過程中，當爐膛底部的鹽熔化到一定程度時，要用專用工具將表面層殼蓋砸裂，以成形減壓通道。爐面上設(shè)置爐罩。萬一發(fā)生鹽液爆炸飛濺，亦可將它控制在一定范圍，從而大幅度地減少不必要的人員的傷亡及設(shè)備的損壞。參考文獻按照畢業(yè)論文要求寫1張琦，李荻，丁學(xué)誼等，lc4鋁合金晶間腐蝕電化學(xué)機理，材料保護2楊德鈞，沈卓身，金屬腐蝕學(xué)，北京冶金工業(yè)出版社，1999：2082093王