镁技术:EV31A和WE43C镁合金U型弯头试样的环境腐蚀开裂行为

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论文概述
EV31A镁合金和WE43C镁合金在300℃高温下具备较高强度主要是由于添加稀土NdGdY元素引起的固溶强化和析出强化。然而,镁合金的耐蚀性较差,极易产生应力腐蚀开裂(SCC)和氢致开裂。通常变形镁合金比铸造镁合金更容易产生应力腐蚀开裂。关于镁稀土合金在慢应变速率测试条件下的应力腐蚀开裂已有较多研究,但由于这种测试条件下试样受到持续的拉伸应力,在试样表面形成的钝化膜可能处于不稳定状态,因此难以探究稳定钝化膜对应力腐蚀开裂的作用。此外,前期研究表明:铁基合金中位错堆积易导致裂纹萌生,位错堆积的形态也会影响合金的应力腐蚀开裂行为。然而,目前关于变形特性对于镁合金表面钝化膜的击穿和应力腐蚀开裂行为的影响尚无充分研究。
近日,来自泰国皇家海军学院的Jakraphan Ninlachart博士等人将轧制态EV31A和WE43C合金经不同热处理后制成U型弯头试样,通过测量U型试样在含不同Cl¯浓度的NaOH溶液中的开路电位,对比了两种合金在不同热处理条件下的应力腐蚀开裂敏感性,并探究了合金的断裂模式和裂纹萌生行为。发现镁稀土合金的应力腐蚀开裂敏感性由其表面钝化膜的稳定性决定,Cl¯浓度增加对合金应力腐蚀开裂敏感性的影响较小。只有在含80 ppm Cl¯的溶液中,试样才出现了应力腐蚀开裂。
论文以轧制态EV31A、WE43C镁合金为研究对象,分别对样品不进行热处理(AR)、进行峰时效(PA)和过时效(OA)处理,再将材料加工成如图1所示的U型弯头试样。U型试样外测产生拉伸残余应力,内侧产生压缩残余应力。同时制备了无应力的平直试样(EV31A-PA unstressed)。将试样浸泡在不同Cl¯浓度的溶液中,浸泡的前48 h利用恒电位仪测量试样的开路电位(OCP),48 h后每天测量试样在非恒电位下的开路电位两次,直至试样开裂失效。

图1 U型弯头试样制备过程:(a)第一阶段形成近似U形;(b)第二阶段形成试验应力
论文对试样在不同热处理条件下的微观组织进行了表征,并对比研究了不同试样在开路条件下的应力腐蚀开裂行为。图2为经不同热处理的EV31A和WE43C试样浸泡在含80 ppm Cl¯的0.1 M NaOH溶液中的开路电位-时间图。对于无应力试样而言,在恒电位条件下浸泡48 h,开路电位呈现先增加后降低最后再增加的规律。这可能与试样的钝化膜形成-破裂-修复过程有关。而对于EV31A-U型弯头试样,其在恒电位条件下浸泡48 h的开路电位也呈现先增加后降低最后又增加的趋势,并出现波动,这可能与试样发生局部腐蚀有关。由图2获得试样开路电位的变化情况以及试样浸泡至完全破裂所花时间见表1。EV31A试样中,过时效态合金的裂纹萌生和裂纹扩展所花时间最长,分别为26天和38天。峰时效处理的EV31A试样裂纹萌生时间比未进行热处理的EV31A试样长,但由于峰时效处理后,合金的硬度更高,故其裂纹扩展速率更快。未进行热处理的WE43C合金的应力腐蚀开裂抗性最好,在浸泡43天后未发现裂纹。结果表明,峰时效处理后的EV31A和WE43C试样在开路条件下对应力腐蚀开裂敏感,其断口表现为晶间断裂和穿晶断裂混合模式;过时效处理后,两种合金的开裂敏感性均降低。

图2 不同热处理条件下的EV31A和WE43C试样在含80 ppm Cl-的0.1 M NaOH溶液中:(a)浸泡48 h,(b)浸泡48 h后,(c)未进行热处理的EV31A试样出现裂纹后的开路电位-时间图
表1 图2中试样的开路电位,以及试样浸泡至完全破裂所花时间

为探究溶液环境对试样应力腐蚀开裂行为的影响,将未进行热处理的U型EV31A和WE43C试样置于含不同Cl¯浓度的0.1 M NaOH溶液中,试样电位变化情况如图3所示。未进行热处理的EV31A试样在含80 ppm Cl¯的NaOH溶液中浸泡13天后断裂失效,而在含100 ppm和200 ppm Cl¯的溶液中,试样未发生断裂,且在试样弯曲区域(应变区域)未发现任何裂纹。未进行热处理的WE43C试样在含80 ppm、100 ppm和200 ppm Cl¯的溶液中电位相近,试样表现出相似的应力腐蚀开裂抗性。当溶液中不含Cl¯时,未进行热处理的U型EV31A和WE43C试样在0.1 M NaOH溶液中浸泡21天后,两种合金的电位相近,表面存在稳定的薄膜,未观察到裂纹。Cl¯浓度增加,但合金对应力腐蚀开裂的敏感性并未发生明显变化。因此,镁稀土合金的环境腐蚀开裂行为由其表面膜层的稳定性决定,在含80 ppm Cl¯的0.1 M NaOH溶液中的裂纹萌生与合金表面膜层的破裂和阳极溶解有关,裂纹的扩展则可能受氢吸附诱导位错发射机制影响。

图3 试样在0.1 M NaOH和不同Cl-浓度的溶液中:EV31A(a)浸泡48 h,(b)浸泡48 h后直至断裂;WE43C(c)浸泡48 h,(d)浸泡48 h后直至断裂的开路电位-时间图
图4(1)标记了试样在极化曲线中的应力腐蚀开裂(SCC)和氢致开裂(HIC)敏感区。其中SCC 1区,钝化膜发生破裂,试样开始出现点蚀;SCC 2区,钝化膜刚形成,处于不稳定状态;HIC区由于发生了析氢反应,材料易发生氢损伤。为探究镁稀土合金的钝化膜处于不稳定状态(SCC 2区)时是否会导致应力腐蚀开裂,对U型弯曲试样施加不同的电位,研究了材料的应力腐蚀开裂行为,结果如图4(2)所示。当在过钝区、活化/钝化区施加阳极电压时,峰时效处理的EV31A试样发生了严重的局部腐蚀。在钝化区施加-0.2 V电压时,峰时效处理的EV31A试样表面腐蚀均匀。而对未进行热处理的EV31A试样施加阴极电流(-10 mA/cm2)时,在试样表面未观察到局部腐蚀和裂纹。在过钝区对峰时效处理的WE43C试样施加1.6 V的阳极电压会加速试样开裂失效。为保证镁稀土合金部件的安全使用,避免事故的发生,对试样的开路电位进行监测以判断试样是否发生应力腐蚀开裂失效十分重要。

图4 (1)极化曲线中的SCC和HIC敏感区;(2)不同热处理试样在施加不同电位后的形貌:(a)过钝区施加1.6 V电压的峰时效处理的EV31A试样,(b)钝化区施加-0.2 V电压的峰时效处理的EV31A试样,(c)活化/钝化区施加-1.0 V电压的未进行热处理的EV31A试样,(d)析氢区施加-10 mA/cm2的未进行热处理的EV31A试样,(e)过钝区施加1.6V电压的峰时效处理的WE43C试样的横截面,(f)峰时效处理的WE43C试样的混合断裂模式,(g)峰时效处理的WE43C试样的穿晶断裂

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本文作者2020-12-2 13:47
镁途
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