論文翻譯[1]1

1、不同退火條件下7075鋁合金的晶間腐蝕行為 作者Amjad Saleh El-Amoush摘要 用電化學(xué)手段，研究7075鋁合金在不同退火條件下，產(chǎn)生不同尺寸晶粒而對(duì)晶間腐蝕行為的影響。大尺寸晶粒的鋁合金在0.5M NaCl溶液中表現(xiàn)了較低的擊穿電位，擊穿電位隨晶粒尺寸增大而降低。對(duì)裸露試樣恒電位極化測(cè)試的顯微觀察顯示了粗大的晶粒促進(jìn)晶間裂紋擴(kuò)展。關(guān)鍵詞 腐蝕，退火，動(dòng)電位掃描，掃描電鏡。1. 簡(jiǎn)介 高強(qiáng)度鋁合金，例如7075鋁合金，廣泛用作航空航天結(jié)構(gòu)材料。然而，這些合金易在不同氯化物環(huán)境中產(chǎn)生局部腐蝕。例如：點(diǎn)蝕，形成裂紋，晶間腐蝕及脫蝕。該合金常有如下腐蝕原因，1.冶金學(xué)因素：熱處理，化

2、學(xué)成分，材料缺陷（空位，間隙原子，沉淀物，裂紋邊界）等等。2.環(huán)境因素常有溫度，濕度，pH值，電解質(zhì)類型及暴露時(shí)間等等。除此之外，高強(qiáng)度鋁合金通常在軋制和擠壓條件下使用，因此，它的沿加工方向各向異性，從而腐蝕動(dòng)力學(xué)也將各向異性，如果呈晶間裂紋形式。 大量高強(qiáng)度鋁合金【1-8】腐蝕行為，尤其是鋁合金在含氯水溶液中的局部腐蝕已經(jīng)用不同實(shí)驗(yàn)手段研究過【9-13】。眾所周知的是晶粒邊界比晶粒內(nèi)部更容易腐蝕，因?yàn)榫Ы缣庯@微結(jié)構(gòu)的不均勻性。有研究表明【14-16】，脫蝕的嚴(yán)重程度與晶粒的長(zhǎng)寬比有關(guān)。晶粒尺寸及長(zhǎng)寬比已證明是局部腐蝕生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)【17】的重要因素。Ramgopal等人的報(bào)告典型的鋁合金晶界區(qū)域

3、包含沉淀物和晶界旁邊無沉淀物區(qū)域，它們與晶粒內(nèi)部電化學(xué)行為不同。他們認(rèn)為7075鋁合金晶間腐蝕是由于mg的陽(yáng)極溶解【18，19】。Maitra和 English【20】將7075鋁合金晶間腐蝕歸咎于Mg和Zn原子在邊界區(qū)域脫溶富集。Zhijun和Frankl【21】發(fā)現(xiàn)欠時(shí)效與峰時(shí)效之前表現(xiàn)行為一樣。在那些比產(chǎn)生穩(wěn)定局部腐蝕電位低的電位時(shí)，它們表現(xiàn)出表層融解伴有瞬態(tài)電流峰值，并發(fā)現(xiàn)富Zn區(qū)域集中在表面。 晶間腐蝕由沉淀物和晶粒邊界和基體構(gòu)成原電池所引起。這些沉淀物由于成分的影響，其相對(duì)于基體可做陽(yáng)極也可做陰極。一種情況是，惰性元素可能沉淀于晶界，形成一個(gè)電化學(xué)性能活潑的區(qū)域毗連于晶界。相反的，

4、電化學(xué)活潑的合金元素可能沉淀于晶界附近，那么毗連于晶界的金屬必須呈惰性【22】。 此篇研究之目的在于評(píng)估晶粒尺寸對(duì)7075鋁合金腐蝕阻力的影響。 表 1 動(dòng)電位掃描所測(cè)得7075鋁合金成分.元素 Zn Mg Cu Cr Fe Mn Al百分比 5.3 2.4 1.35 0.18 0.23 0.03 Bal2. 實(shí)驗(yàn)過程 本實(shí)驗(yàn)所用材料為T6狀態(tài)擠壓成型的直徑為62mm的棒狀商用7075鋁合金。它的成分如表1所示：（表1）。經(jīng)測(cè)量，該T6狀態(tài)7075鋁合金晶粒尺寸為18um棒是切片厚2mm直徑10mm。試樣在50%硝酸鉀和50%硝酸鈉的電化學(xué)卡包塑料中鹽浴和415度退火2，4，6小時(shí)。所得試樣晶

5、粒尺寸分別為40um,130um,290um 。它的結(jié)構(gòu)變化對(duì)于7075鋁合金再結(jié)晶左右和腐蝕行為的影響在此研究中并未涉及。 試樣用1200號(hào)砂紙打磨，在室溫下，用40%磷酸60%水溶液的不銹鋼陰極將之電位提高到1.5V。為獲得可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，這些步驟至關(guān)重要。 陽(yáng)極動(dòng)電位極化實(shí)驗(yàn)用恒電位儀在0.5M NaCl蒸餾水溶液中進(jìn)行。溶液ph值用0.0001鹽酸溶液調(diào)至3.56.樣品動(dòng)電位極化從低于開路電位-300mv到高于擊穿電位0.2mv。在起初的300秒內(nèi)，晶粒尺寸分別為18um,40um,130um,290um.分別對(duì)應(yīng)的開路電位為-885mv,-898mv,-940mv.在將擊穿電位與開路

6、電位分開，并獲得清晰活性區(qū)域觀察圖的極化實(shí)驗(yàn)之前，溶液需經(jīng)24小時(shí)除Ar。用Pt或飽和氯化亞汞做參比電極，該實(shí)驗(yàn)應(yīng)在30度進(jìn)行以確保不同晶粒尺寸的擊穿電位。 擊穿電位為陽(yáng)極極化曲線的關(guān)鍵點(diǎn)，該處電流急劇上升。恒定電位極化也在不同的電位相對(duì)于擊穿電位進(jìn)行了測(cè)試。 合金的顯微結(jié)構(gòu)可由120kv電壓下工作的透射電鏡，用選區(qū)電子衍射法分析沉淀相。極化測(cè)試之后，用光學(xué)顯微鏡觀察裸露的試樣表面，確定損傷的類型。TEM是通過電解拋光機(jī)拋光裝置中采用高氯酸進(jìn)行制備箔。硬度測(cè)試用維氏硬度法以300g20s測(cè)量，每種試樣均取三次測(cè)量平均值，且所有測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。3. 結(jié)果與討論3.1. 顯微結(jié)構(gòu) T6狀態(tài)下退

7、火7075鋁合金光學(xué)顯微組織如圖1所示：粗糙，密集的金屬間粒子在樣品表面清晰可見（圖1.a）。相反，大晶粒試樣表面觀察的金屬間粒子更纖細(xì)，且隨晶粒尺寸增大而減?。▓D1b-d）。透射電鏡測(cè)試也顯示了原狀態(tài)樣品基體中直徑約60nm，粗糙而密集的沉淀相（圖2a），而晶粒尺寸為40um的試樣晶界處顯示了更為細(xì)密的沉淀物(圖2b)。大尺寸晶粒中，沉淀物沿晶界長(zhǎng)大在表面是顯而易見的選區(qū)電子衍射顯示大多數(shù)沉淀物與之相反(圖2c和d)。選區(qū)電子衍射分析顯示大多數(shù)沉淀相為n'相而不是n相（圖3）。區(qū)也如基體中預(yù)期的一樣，沒有明顯的沉淀相【23】。然而，退火材料中，選區(qū)電子衍射分析的一個(gè)輕微的裂紋反射沉淀

8、相在晶界偏析，從而產(chǎn)生一個(gè)無沉淀相的毗連區(qū)域。這一過程由鋁合金緩慢冷卻所致，緩慢冷卻導(dǎo)致合金元素充分?jǐn)U散至晶界【24】。 晶粒尺寸大小對(duì)T6狀態(tài)7075鋁合金硬度作用如圖4所示：圖中，退火熱處理用于粗化晶粒尺寸但并沒有顯著減少硬度。報(bào)道說【25】，晶粒強(qiáng)化并不是主要提高Al-Zn-Mg-Cu合金強(qiáng)度，硬度的主要因素，而是位錯(cuò)網(wǎng)的纏結(jié)，晶?；騺喚Ы绺浇奈诲e(cuò)更難滑移所致。 圖1 7075鋁合金不同尺寸晶粒的光學(xué)顯微鏡組織圖像（a原狀態(tài)試樣，b40um,c130um,d290um） 圖2 7075鋁合金原狀態(tài)試樣的沉淀相a和尺寸分別為b40um,c130um,d290um試樣的沉淀相透射電鏡顯微組

9、織圖像 圖3 7075鋁合金112晶向族電子衍射圖3.2.極化曲線及損傷 如圖5所示，由已制得不同晶粒尺寸的7075鋁合金試樣的陽(yáng)極極化曲線比較得：曲線顯示，所有試樣均顯示兩個(gè)擊穿電位。所有試樣兩個(gè)擊穿電位如表2所示。研究發(fā)現(xiàn)電流在第一個(gè)擊穿電位處急劇上升，顯示出一個(gè)峰值后然后下降。然而，第二個(gè)擊穿電位處（更高的擊穿電位），電流又一次增大。這表明，試樣在電位E1和E2之間顯示了不穩(wěn)定的溶解狀態(tài)，而只要電位高于E2后，溶解才會(huì)穩(wěn)定。更進(jìn)一步的是，晶粒尺寸大的電流密度大。除此之外，晶粒尺寸大的擊穿電位更低，這意味著大尺寸晶粒試樣更容易在含氯酸中產(chǎn)生局部腐蝕。大晶粒試樣擊穿電位下降可由基體參與退火不

10、足解釋，而那些尺寸再40um（圖5b）左右的試樣與已知試樣相比（圖5a），陽(yáng)極極化行為差異很小，而大尺寸晶粒試樣陽(yáng)極極化行為則顯示了很大的不同（圖5c和d）。 表 2不同晶粒尺寸7075鋁合金試樣在PH為3.56，濃度為0.5M NaCl溶液中擊穿電位晶粒尺寸 (um) E1 (mVSCE) E2 (mVSCE) E2 E1 (mV)As-received 782 737 4540 795 749 46130 870 810 60290 937 865 72圖4 7075鋁合金維氏硬度值與晶粒尺寸的關(guān)系 再者，增大晶粒尺寸導(dǎo)致?lián)舸╇娢幌蚋?fù)的方向轉(zhuǎn)變（如 更不穩(wěn)定），這已由第一個(gè)已知試樣擊穿電

11、位變化到-782mv（甘汞參比電極），而相對(duì)晶粒尺寸為130um和190um對(duì)于的參比電位為-850mv和-899mv。第二個(gè)擊穿電位又各自變化到-793mv，-817mv，-882mv。大晶粒試樣極化過程中擊穿電位正移可歸因于更多陽(yáng)極相的出現(xiàn)。例如，晶界含有較多n'相，而n;相富含Zn和Mg，從而易導(dǎo)致陽(yáng)極損傷，導(dǎo)致晶間腐蝕。n'相更不穩(wěn)定更易溶解，且基體比例小，因此，它是陰極保護(hù)。除此之外，大尺寸晶粒試樣極化過程中增加的擊穿電位的差異更顯而易見(圖6和表2)。如晶粒尺寸分別為130um和290um對(duì)應(yīng)的擊穿電位為60mv和72mv.因此，它們擊穿電位比已知試樣擊穿電位更高。

12、這說明晶界處易先腐蝕，這由于Zn和Mg原子從固溶體中脫溶【20】，使晶界顯陽(yáng)性。進(jìn)一步講，大尺寸晶粒試樣擊穿電位增加的不同導(dǎo)致了更活潑區(qū)域的優(yōu)先溶解（例如晶界區(qū)域）。 這也要注意的是大尺寸晶粒試樣（圖5c和d）的鈍化電位比40um小晶粒尺寸試樣（圖5a和b）鈍化電位范圍小的多。這說明了小尺寸晶粒試樣更好的抗蝕性。圖5 7075鋁合金在ph值為3.56濃度為0.5M NaCl溶液中以0.2mv/s的速度掃描所得的動(dòng)電位極化曲a對(duì)應(yīng)原狀態(tài)試樣bcd分別對(duì)應(yīng)晶粒尺寸為40um,130um,290um試樣曲線 圖6 7075鋁合金晶粒尺寸與其擊穿電位的關(guān)系 第二個(gè)更低的擊穿電位說明了大尺寸晶粒增加裂紋

13、傾向，為評(píng)估晶粒尺寸對(duì)腐蝕破壞的影響，在不同電位下恒電位極化處理之。不同晶粒大小的鋁合金試樣在-745mv極化，其中-745mv在兩個(gè)擊穿電位之間。在濃度0.5M的 ph值=3.56的NaCl溶液中極化50秒，然后迅速?gòu)娜芤褐腥〕觯▓D7），電流密度在極化期間一開始是上升，達(dá)到更高極限值，并在這極限值保持不變，然后劇烈下降。大尺寸晶粒試樣峰值電流密度更高，但溶解時(shí)間相對(duì)更短。 圖7 7075鋁合金在ph值為3.56濃度為0.5M NaCl溶液中以在-745mv電位極化500秒的瞬態(tài)電流曲線。a對(duì)應(yīng)原狀態(tài)試樣，bcd分別對(duì)應(yīng)晶粒尺寸為40um,130um,290um試樣曲線圖8 7075鋁合金在-

14、745mv暴露于0.5M NaCl溶液中的光學(xué)顯微圖像。 a對(duì)應(yīng)原狀態(tài)試樣，bcd分別對(duì)應(yīng)晶粒尺寸為40um,130um,290um試樣 大尺寸晶粒試樣極化過程中更高的電流密度表面更嚴(yán)重的晶間腐蝕損害。因?yàn)殡娏髦苯优c金屬晶間腐蝕有關(guān)。裸露試樣在-745mv恒電位極化的光學(xué)顯微組織觀察證實(shí)了這一點(diǎn)（圖8），它解釋了晶間損傷起源于大晶粒。相對(duì)的，大尺寸晶粒試樣晶界裂紋起源于表面且更密集，更長(zhǎng)。這清楚的證明了，隨著晶粒增大（圖8b-d），晶間腐蝕增加。大尺寸晶粒試樣極化過程中晶間腐蝕增長(zhǎng)促使了更多晶界沉淀相的析出，如n'相和n相，它們比基體更活潑【26.27】。人們相信，與大尺寸晶粒相關(guān)的大

15、角度晶界提供了便捷的晶間腐蝕路徑。為進(jìn)一步評(píng)估大尺寸晶粒7075鋁合金晶間腐蝕敏感性，應(yīng)在高于第二個(gè)極化電位即-690mv恒電位極化500秒。由數(shù)據(jù)顯示，瞬態(tài)電流與圖7所示曲線相似除了所有試樣一段短期電流增長(zhǎng)不同，電流密度也比大尺寸晶粒試樣電流密度高。則表明破損是由于晶界相優(yōu)先溶解。光學(xué)顯微鏡對(duì)裸露試樣表面觀察揭示裂紋表面晶間腐蝕擴(kuò)展。然而，大尺寸晶粒試樣再一次顯示出晶間腐蝕嚴(yán)重性。除此之外，晶間腐蝕發(fā)生在晶界，因?yàn)樵搮^(qū)域是有最有利的局部腐蝕環(huán)境。隨著晶粒尺寸的增大，不斷增大的晶間腐蝕顯示了溶質(zhì)富集區(qū)域的變大和增多。這種現(xiàn)象是由于粗化材料的熱處理制度使更多溶質(zhì)從晶界區(qū)域脫離，進(jìn)一步講，眾所周知

16、的已知極化試樣擊穿電位的不同，顯示了邊界沉淀物溶解形成了一種閉合的，侵蝕性的環(huán)境導(dǎo)致了持續(xù)的晶界損傷。圖9 7075鋁合金在ph值為3.56濃度為0.5M NaCl溶液中以在-690mv電位極化500秒的瞬態(tài)電流曲線。a對(duì)應(yīng)原狀態(tài)試樣，bcd分別對(duì)應(yīng)晶粒尺寸為40um,130um,290um試樣曲線圖10 7075鋁合金在-685mv暴露于0.5M NaCl溶液中的光學(xué)顯微圖像。 a對(duì)應(yīng)原狀態(tài)試樣，bcd分別對(duì)應(yīng)晶粒尺寸為40um,130um,290um試樣 4. 結(jié)論 1 在0.5M NaCl 溶液中粗化7075鋁合金導(dǎo)致?lián)舸╇娢幌陆怠?2 最嚴(yán)重的晶間破壞可在大尺寸晶粒表面觀察到，破壞程度

17、與晶粒尺寸有關(guān)。 3 因此，7075鋁合金晶粒粗化導(dǎo)致抗腐蝕能力下降。References1 F. Mansfeld, J.C.S. Fernandes, J. Corros. Sci. 34 (12) (1993) 2105.2 F. Mansfeld, S. Lin, H. Shih, ASTM Special Technical Publication: STP-1134,ASTM, Philadelphia, PA, 1992, p. 141.3 A. Conde, J. De Damborenea, J. Corros. Sci. 39 (2) (1997) 295.4 F. Man

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