二氧化硫复合盐雾环境下2024-T351铝合金应力腐蚀开裂

工程科学学报，第39卷，第4期：542549,2017年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.39,No.4:542-549,April 2017 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.009:http://journals.ustb.edu.cn 二氧化硫复合盐雾环境下2024-T351铝合金应力腐蚀 开裂 满成，张欢，董超芳四，余强，肖葵，李晓刚 北京科技大学腐蚀与防护中心，北京100083 区通信作者，E-mail:efdong(@usth.cu.cm 摘要通过S0,复合盐雾试验模拟工业污染海洋大气环境，结合有限元模拟分析、扫描电镜/能谱仪，光电子能谱分析等技 术研究2024-T351铝合金在弹性应力区间的应力腐蚀开裂行为.结果表明：应力腐蚀开裂行为优先发生在2024-T351铝合 金C型环的顶部应力集中区域：疏松的腐蚀产物层的形貌经历了由细棒状、团絮状到板块状的变化：试验6就可以监测到裂 纹，进行到480h的时候有贯穿裂纹形成，720h的时候试样完全断裂：裂纹为穿晶和沿晶混合机制，主裂纹以穿晶机制沿C型 环法线扩展，二次裂纹沿晶界扩展. 关键词铝合金：大气腐蚀：二氧化硫：应力腐蚀开裂 分类号TG172.3 Stress corrosion cracking of 2024-T351 aluminum alloy in SO,mixed salt spray environment MAN Cheng,ZHANG Huan,DONG Chao-fang,YU Qiang,XIAO Kui,LI Xiao-gang Corrosion and Protection Center,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:cfdong@ustb.edu.cn ABSTRACT The stress corrosion cracking of 2024-T351 aluminum alloy was investigated by finite element simulation analysis, scanning electron microscopy/energy dispersive spectrometry,and X-ray photoelectron spectroscopy through SO mixed salt spray test. Results indicate that stress corrosion cracking initiates preferentially at the region of stress concentration of the C-ring top for 2024- T351 aluminum alloy.The morphologies of loose corrosion products change from fine rod-like and flocculent to plate-like.Secondary cracks form in the internal corrosion crack after 6h,when the corrosion time increases to 480 h,and the fractures and cracks in the surface of the C-ring side penetrate the whole sample.The C-ring sample completely breaks after 720h.The opening crack propagation is a mixed mode of transgranular and intergranular,while the main cracks extend along the normal of the C-ring and the secondary cracks extend mainly along the grain boundaries. KEY WORDS aluminum alloy:atmospheric corrosion;sulfur dioxide:stress corrosion cracking 作为结构材料2xx系列铝合金凭借其较高的力表现出良好的耐蚀性.但是在外力和环境中侵蚀性介 学性能以及较低密度在运输、建筑、电力和航空航天领质(C1ˉ和S0,)共同作用时，铝合金的耐蚀性将会大大 域拥有广泛的应用空间-四.A1对0有很好的亲和 降低，发生严重的应力腐蚀开裂(stress corrosion crack- 力，在大气环境中很容易被氧化并且在表面形成一层 ing,SCC).特别是对于存在应力集中的铝合金结构件 保护性的氧化膜四.因而，在自然环境中铝合金能够 (如机翼、机身蒙皮、珩条等)，当这些区域存在部分积 收稿日期：2016-0709

工程科学学报，第 39 卷，第 4 期: 542--549，2017 年 4 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 39，No． 4: 542--549，April 2017 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2017． 04． 009; http: / /journals． ustb． edu． cn 二氧化硫复合盐雾环境下 2024--T351 铝合金应力腐蚀 开裂 满 成，张 欢，董超芳，余 强，肖 葵，李晓刚 北京科技大学腐蚀与防护中心，北京 100083 通信作者，E-mail: cfdong@ ustb． edu． cn 摘 要 通过 SO2复合盐雾试验模拟工业污染海洋大气环境，结合有限元模拟分析、扫描电镜/能谱仪、光电子能谱分析等技 术研究 2024--T351 铝合金在弹性应力区间的应力腐蚀开裂行为． 结果表明: 应力腐蚀开裂行为优先发生在 2024--T351 铝合 金 C 型环的顶部应力集中区域; 疏松的腐蚀产物层的形貌经历了由细棒状、团絮状到板块状的变化; 试验 6 h 就可以监测到裂 纹，进行到 480 h 的时候有贯穿裂纹形成，720 h 的时候试样完全断裂; 裂纹为穿晶和沿晶混合机制，主裂纹以穿晶机制沿 C 型 环法线扩展，二次裂纹沿晶界扩展． 关键词 铝合金; 大气腐蚀; 二氧化硫; 应力腐蚀开裂 分类号 TG172. 3 Stress corrosion cracking of 2024--T351 aluminum alloy in SO2 mixed salt spray environment MAN Cheng，ZHANG Huan，DONG Chao-fang ，YU Qiang，XIAO Kui，LI Xiao-gang Corrosion and Protection Center，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: cfdong@ ustb． edu． cn ABSTＲACT The stress corrosion cracking of 2024--T351 aluminum alloy was investigated by finite element simulation analysis， scanning electron microscopy /energy dispersive spectrometry，and X-ray photoelectron spectroscopy through SO2 mixed salt spray test． Ｒesults indicate that stress corrosion cracking initiates preferentially at the region of stress concentration of the C-ring top for 2024-- T351 aluminum alloy． The morphologies of loose corrosion products change from fine rod-like and flocculent to plate-like． Secondary cracks form in the internal corrosion crack after 6 h，when the corrosion time increases to 480 h，and the fractures and cracks in the surface of the C-ring side penetrate the whole sample． The C-ring sample completely breaks after 720 h． The opening crack propagation is a mixed mode of transgranular and intergranular，while the main cracks extend along the normal of the C-ring and the secondary cracks extend mainly along the grain boundaries． KEY WOＲDS aluminum alloy; atmospheric corrosion; sulfur dioxide; stress corrosion cracking 收稿日期: 2016--07--09 作为结构材料 2xxx 系列铝合金凭借其较高的力 学性能以及较低密度在运输、建筑、电力和航空航天领 域拥有广泛的应用空间［1--2］． Al 对 O 有很好的亲和 力，在大气环境中很容易被氧化并且在表面形成一层 保护性的氧化膜［3］． 因而，在自然环境中铝合金能够 表现出良好的耐蚀性． 但是在外力和环境中侵蚀性介 质( Cl － 和 SO2 ) 共同作用时，铝合金的耐蚀性将会大大 降低，发生严重的应力腐蚀开裂( stress corrosion crack￾ing，SCC) ． 特别是对于存在应力集中的铝合金结构件 ( 如机翼、机身蒙皮、珩条等) ，当这些区域存在部分积

满成等：二氧化硫复合盐雾环境下2024-T351铝合金应力腐蚀开裂 543· 水时，具有吸湿性的侵蚀性Cˉ和易溶性S02气体极易 响因素下的应力腐蚀开裂行为研究相对较少 溶解在水溶液之中，造成表面涂层的老化和脱落，进而 本实验通过SO,复合盐雾试验来模拟工业污染海 腐蚀铝合金基体 洋环境，对弹性应力条件下的2024-T351铝合金在模 近年来，学者通过室内加速、实地暴露等方法对铝 拟工业海洋环境中的应力腐蚀开裂行为进行了研究， 合金在大气环境中的应力腐蚀行为进行了大量的研 并对2024-T351铝合金在S0,复合盐雾环境下不同时 究.张晓云等回研究了7A04和2A12两种铝合金 间后的应力腐蚀开裂扩展及行为特征进行了探讨. 在海洋大气环境中的应力腐蚀行为，结果表明高强铝 1试验部分 合金2A12具有较高的应力腐蚀敏感性，并且裂纹沿 晶扩展，伴有少量的二次裂纹.张晓云等网还研究了 1.1试验材料 7B04、B95、2D70和2D12四种铝合金在中国万宁的高 试验材料为2024-T351,其化学成分如表1所示. 温高湿的海洋大气环境中和中国青岛的工业海洋大气 其中2024-T351铝合金C型环应力腐蚀试样按照GB/ 环境中的应力腐蚀行为，结果显示四种铝合金在高温 T15970.5一1998“金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第 高湿的海洋环境中的应力腐蚀敏感性较高，在这两种 5部分：C型环试样的制备和应用”进行加工，如图1 环境中的断裂方式也不一致 所示.将加工后的C型环试样使用丙酮除油，去离子 大气环境因素对铝合金应力腐蚀行为的影响是比 水清洗，吹干，然后使用240至2000号水磨砂纸逐级 较复杂的，为了更好地了解环境因素的作用机制，国内 打磨至光亮，再使用乙醇和去离子水清洗，吹干备用. 学者做了一些工作.李涛等@采用灰关联分析法与 按照GB/T15970.5一1998附录A中给出的C型环试 实际大气腐蚀试验相结合，研究了不同环境因数对 样应力计算公式，计算出施加90%屈服强度的C型环 LY12铝合金大气腐蚀的影响，结果显示S0,和C1~对 沿与通过最大应力点的中心垂直方向施加的水平位 LY12铝合金应力腐蚀有着重要的影响-切，但是，关 移.C型环的取材方向为SL方向，S为施加应力的方 于弹性应力对2024-T351铝合金在S0,和CI1ˉ共同影 向，L为裂纹扩展的方向 表12024-T351铝合金的化学成分（质量分数） Table 1 Composition of 2024-T351 aluminum alloy Cu Mg Mn 》 Fe Zn Ti Cr V 3.8w4.9 1.2w1.8 0.3-0.9 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.25 ≤0.15 ≤0.1 余量 图12024-351铝合金C型环试样 Fig.1 2024-T351 C-ring aluminum alloy specimens 1.2盐雾试验 去除腐蚀产物后的宏观形貌，采用体式显微镜和扫 采用S02复合盐雾试验模拟工业污染海洋大气 描电镜分别对试样表面进行观察，记录试样表面初 环境，试验在ATLAS CCX20O0循环盐雾腐蚀试验 次出现裂纹时的时间以及不同时间后裂纹的扩展 箱中进行.试验过程按照GB/T14292一1998标准 形貌，再采用能谱分析和X射线光电子能谱技术分 进行，试验条件如下：质量分数为5%±0.5%NaCl 析腐蚀产物的组成及含量.其中，除锈液为50mL 溶液连续盐雾，箱体内温度和相对湿度分别控制于 磷酸+20g三氧化铬加蒸馏水配制成1000mL的溶 35±1℃和100%，S02的体积分数为2.25×104. 液.为了得到裂纹的扩展情况，将试样侧面抛光并 试样取样时间设定为6、12、24、96、240、480和720 用Keller试剂侵蚀(1mL氢氟酸+1.5mL盐酸+ h,使用去离子水冲洗试样的表面，吹风机吹干并储 2.5mL硝酸+95mL去离子水)，之后在三维体式 存在干燥密闭容器中.使用相机拍摄腐蚀前后及 显微镜和扫描电镜下观察

满 成等: 二氧化硫复合盐雾环境下 2024--T351 铝合金应力腐蚀开裂 水时，具有吸湿性的侵蚀性 Cl － 和易溶性 SO2气体极易 溶解在水溶液之中，造成表面涂层的老化和脱落，进而 腐蚀铝合金基体． 近年来，学者通过室内加速、实地暴露等方法对铝 合金在大气环境中的应力腐蚀行为进行了大量的研 究［4--8］． 张晓云等［9］研究了 7A04 和 2A12 两种铝合金 在海洋大气环境中的应力腐蚀行为，结果表明高强铝 合金 2A12 具有较高的应力腐蚀敏感性，并且裂纹沿 晶扩展，伴有少量的二次裂纹． 张晓云等［6］还研究了 7B04、B95、2D70 和 2D12 四种铝合金在中国万宁的高 温高湿的海洋大气环境中和中国青岛的工业海洋大气 环境中的应力腐蚀行为，结果显示四种铝合金在高温 高湿的海洋环境中的应力腐蚀敏感性较高，在这两种 环境中的断裂方式也不一致． 大气环境因素对铝合金应力腐蚀行为的影响是比 较复杂的，为了更好地了解环境因素的作用机制，国内 学者做了一些工作． 李涛等［10］采用灰关联分析法与 实际大气腐蚀试验相结合，研究了不同环境因数对 LY12 铝合金大气腐蚀的影响，结果显示 SO2和 Cl － 对 LY12 铝合金应力腐蚀有着重要的影响［11--13］，但是，关 于弹性应力对 2024--T351 铝合金在 SO2和 Cl － 共同影 响因素下的应力腐蚀开裂行为研究相对较少． 本实验通过 SO2复合盐雾试验来模拟工业污染海 洋环境，对弹性应力条件下的 2024--T351 铝合金在模 拟工业海洋环境中的应力腐蚀开裂行为进行了研究， 并对 2024--T351 铝合金在 SO2复合盐雾环境下不同时 间后的应力腐蚀开裂扩展及行为特征进行了探讨． 1 试验部分 1. 1 试验材料 试验材料为 2024--T351，其化学成分如表 1 所示． 其中 2024--T351 铝合金 C 型环应力腐蚀试样按照 GB / T 15970. 5—1998“金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验第 5 部分: C 型环试样的制备和应用”进行加工，如图 1 所示． 将加工后的 C 型环试样使用丙酮除油，去离子 水清洗，吹干，然后使用 240 至 2000 号水磨砂纸逐级 打磨至光亮，再使用乙醇和去离子水清洗，吹干备用． 按照 GB / T 15970. 5—1998 附录 A 中给出的 C 型环试 样应力计算公式，计算出施加 90% 屈服强度的 C 型环 沿与通过最大应力点的中心垂直方向施加的水平位 移． C 型环的取材方向为 S--L 方向，S 为施加应力的方 向，L 为裂纹扩展的方向． 表 1 2024--T351 铝合金的化学成分( 质量分数) Table 1 Composition of 2024--T351 aluminum alloy % Cu Mg Mn Si Fe Zn Ti Cr Al 3. 8 ～ 4. 9 1. 2 ～ 1. 8 0. 3 ～ 0. 9 ≤0. 5 ≤0. 5 ≤0. 25 ≤0. 15 ≤0. 1 余量 图 1 2024--T351 铝合金 C 型环试样 Fig． 1 2024--T351 C-ring aluminum alloy specimens 1. 2 盐雾试验 采用 SO2复合盐雾试验模拟工业污染海洋大气 环境，试 验 在 ATLAS CCX2000 循 环 盐 雾 腐 蚀 试 验 箱中进行． 试验过程按照 GB / T 14292—1998 标 准 进行，试验条件如下: 质量分数为 5% ± 0. 5% NaCl 溶液连续盐雾，箱体内温度和相对湿度分别控制于 35 ± 1 ℃ 和 100% ，SO2 的体 积 分 数 为 2. 25 × 10 － 4 ． 试样取样时间设定为 6、12、24、96、240、480 和 720 h，使用去离子水冲洗试样的表面，吹风机吹干并储 存在干燥 密 闭 容 器 中． 使用相机拍摄腐蚀前后及 去除腐蚀产物后的宏观形貌，采用体式显微镜和扫 描电镜分别对试样表面进行观察，记录试样表面初 次出现裂纹时的时间以及不同时间后裂纹的扩展 形貌，再采用能谱分析和 X 射线光电子能谱技术分 析腐蚀产物 的 组 成 及 含 量． 其 中，除 锈 液 为 50 mL 磷酸 + 20 g 三氧化铬加蒸馏水配制成 1000 mL 的溶 液． 为了得到裂纹的扩展情况，将试样侧面 抛 光 并 用 Keller 试 剂 侵 蚀( 1 mL 氢 氟 酸 + 1. 5 mL 盐 酸 + 2. 5 mL 硝酸 + 95 mL 去 离 子 水) ，之后 在 三 维 体 式 显微镜和扫描电镜下观察． · 345 ·

·544· 工程科学学报，第39卷，第4期 2试验结果与分析 von-Miscs/MPa AVG 75% 2.1C型环试样应力分布模拟 由于应力集中将会促进服役构件的应力腐蚀开裂 行为，大大降低构件的使用寿命.因此，在研究弹 性应力对铝合金的应力腐蚀开裂行为之前，有必要对 施加弹性应力之后的铝合金C型环试样的应力分布 情况进行模拟.图2为采用有限单元法对C型环试样 图22024-T351铝合金von-Mises应力分布模拟形貌 施加90%屈服强度后应力应变场的数值分布模拟图， Fig.2 Distribution of von-Mises stress on 2024-T351 aluminum al- 使用的有限元分析软件为ABAQUS6.10,各项力学参 loy 数如表2所示.从图中可看出，C型环试样顶部存在 一个较大的von-Mises应力均匀分布区域(Mises应力 度)的C型环试样不同时间后的宏观形貌.从图中可 是当某一点应力应变状态的等效应力应变达到某一与 以看出，C型环试样表面有白色腐蚀产物出现，并且白 应力应变状态无关的定值时，材料就屈服).因此，本 色腐蚀产物覆盖的区域面积也是随着盐雾时间地增加 而逐渐增多的.此外，在240h的时候，C型环试样露 试验也将着重对试样顶部均匀受力的区域进行详细地 出面积的整个区域基本已经被腐蚀产物覆盖.从图中 研究，以研究弹性应力对2024-T351铝合金应力腐蚀 可以看出覆盖在试样表面的腐蚀产物层呈疏松破裂 开裂的影响. 状，这样的产物层对基体的保护作用是十分有限的，环 表2 数值分析中2024-351铝合金各项力学参数日 境中的侵蚀性离子(C1~和SO,)可以通过产物层中的 Table 2 Mechanical parameters of 2024-T351 aluminums 空隙到达并腐蚀基体 弹性模量/GPa泊松比屈展强度/MPa硬化系数硬化指数 图3(a,)~(g)分别是在S02复合盐雾环境下暴 73.1 0.33 325 0.45 15 露相等时间并去除腐蚀产物的宏观形貌.S0,复合盐 雾环境下连续暴露6h后（图3(a,),C型环试样顶部 2.22024-T351铝合金C型环试样宏观形貌实验材料 应力集中区域出现部分的点蚀，在其他区域的腐蚀并 图3为S0,复合盐雾环境中施加0.9σ，（屈服强 不明显.当连续暴露延长至12h时（图3(b,)),在试 g (a) b) 图3在S0,复合盐雾环境中经历不同周期试验之后的C型环试样宏观形貌.(a)~()分别为6、12、24、96、240、480和720h试验之后的原 始形貌：(a1)~(g1)分别为6、12、24、96、240、480和720h除锈之后的形貌 Fig.3 Macroscopic morphologies of C-ing specimens after testing for different periods in SO2 mixed salt spray environment:(a)-(g)original mor- phologies after 6,12,24,96,240,480,and 720 h tests:(a)-(g)derusting morphologies after 6,12,24,96,240,480,and 720 h tests

工程科学学报，第 39 卷，第 4 期 2 试验结果与分析 2. 1 C 型环试样应力分布模拟 由于应力集中将会促进服役构件的应力腐蚀开裂 行为，大大降低构件的使用寿命［14］． 因此，在研究弹 性应力对铝合金的应力腐蚀开裂行为之前，有必要对 施加弹性应力之后的铝合金 C 型环试样的应力分布 情况进行模拟． 图 2 为采用有限单元法对 C 型环试样 施加 90% 屈服强度后应力应变场的数值分布模拟图， 使用的有限元分析软件为 ABAQUS 6. 10，各项力学参 数如表 2 所示． 从图中可看出，C 型环试样顶部存在 一个较大的 von--Mises 应力均匀分布区域( Mises 应力 是当某一点应力应变状态的等效应力应变达到某一与 应力应变状态无关的定值时，材料就屈服) ． 因此，本 试验也将着重对试样顶部均匀受力的区域进行详细地 研究，以研究弹性应力对 2024--T351 铝合金应力腐蚀 开裂的影响． 图3 在 SO2复合盐雾环境中经历不同周期试验之后的 C 型环试样宏观形貌. ( a) ～ ( g) 分别为6、12、24、96、240、480 和720 h 试验之后的原 始形貌; ( a1 ) ～ ( g1 ) 分别为 6、12、24、96、240、480 和 720 h 除锈之后的形貌 Fig． 3 Macroscopic morphologies of C-ring specimens after testing for different periods in SO2 mixed salt spray environment: ( a) --( g) original mor￾phologies after 6，12，24，96，240，480，and 720 h tests; ( a1 ) --( g1 ) de-rusting morphologies after 6，12，24，96，240，480，and 720 h tests 表 2 数值分析中 2024--T351 铝合金各项力学参数［15］ Table 2 Mechanical parameters of 2024--T351 aluminum［15］ 弹性模量/GPa 泊松比 屈服强度/MPa 硬化系数 硬化指数 73. 1 0. 33 325 0. 45 15 2. 2 2024--T351 铝合金 C 型环试样宏观形貌实验材料 图 3 为 SO2 复合盐雾环境中施加 0. 9σs ( 屈服强 图 2 2024--T351 铝合金 von--Mises 应力分布模拟形貌 Fig． 2 Distribution of von--Mises stress on 2024--T351 aluminum al￾loy 度) 的 C 型环试样不同时间后的宏观形貌． 从图中可 以看出，C 型环试样表面有白色腐蚀产物出现，并且白 色腐蚀产物覆盖的区域面积也是随着盐雾时间地增加 而逐渐增多的． 此外，在 240 h 的时候，C 型环试样露 出面积的整个区域基本已经被腐蚀产物覆盖． 从图中 可以看出覆盖在试样表面的腐蚀产物层呈疏松破裂 状，这样的产物层对基体的保护作用是十分有限的，环 境中的侵蚀性离子( Cl － 和 SO2 ) 可以通过产物层中的 空隙到达并腐蚀基体． 图 3( a1 ) ～ ( g1 ) 分别是在 SO2复合盐雾环境下暴 露相等时间并去除腐蚀产物的宏观形貌． SO2复合盐 雾环境下连续暴露 6 h 后( 图 3( a1 ) ) ，C 型环试样顶部 应力集中区域出现部分的点蚀，在其他区域的腐蚀并 不明显． 当连续暴露延长至 12 h 时( 图 3( b1 ) ) ，在试 · 445 ·

满成等：二氧化硫复合盐雾环境下2024-T351铝合金应力腐蚀开裂 545· 样顶部可肉眼观察到细微的裂纹.随连续暴露时间的 随后细棒状的腐蚀产物逐渐消失（图4(b).当盐雾 延长，试样顶部由点蚀引发的裂纹逐渐增多，并且裂纹 试验进行到24h的时候，C型环试样表面的团絮状腐 的长度和深度都有所增加（图3(c,)~(e,)).在盐雾 蚀产物凝结成块，并产生裂缝（图4(）).当盐雾试验 时间达到480h的时候（图3([，）)，C型环顶部出现了 时间达到96h,团絮状的腐蚀产物逐渐减少，并且腐蚀 贯穿裂纹，在试样的表面还观察到了脱落现象.在盐 产物层裂缝的密度是逐渐增加的（图4(d)).从720h 雾试验达到720h的时候（图3(g,)),除了在试样顶部 盐雾试验之后的腐蚀产物层的形貌可以看出，产物层 应力集中区域能够观察到大量的裂纹和严重的溃败现 的裂纹宽度和深度都在变大.综上所述，随着盐雾试 象外，在与顶部相邻的区域也出现了明显的裂纹和脱 验的进行，腐蚀产物经历了由细棒状、团絮状到板块状 落现象.通过以上对不同周期试样腐蚀情况的观察， 的转变过程.2024-T351铝合金C型环试样在S02复 可以得出结论：在S0,复合盐雾环境中腐蚀优先发生 合盐雾环境中生成的腐蚀产物层对基体的保护作用是 2024-T351铝合金C型环试样的应力集中区域，并且 有限的，环境中的Cˉ、S0,等侵蚀性离子可以通过板 随着盐雾试验时间的延长向其他区域扩展. 块间的裂缝到达并腐蚀铝合金基体， 2.32024-T351铝合金C型环试样微观形貌 为了分析2024-T351铝合金的应力腐蚀开裂行为 图4为连续暴露于S02复合盐雾环境中不同时间 特征，对同等腐蚀时间后的C型环试样进行了除锈处 后加载0.9σ.的2024-T351铝合金表面微观腐蚀产物 理，其微观形貌如图5所示.C型环顶部区域可以观 形貌.在初期的盐雾试验中C型环试样的表面散落着 察到点蚀坑和应力腐蚀开裂裂纹，且裂纹沿与水平加 白色稀疏的团絮状和细棒状的腐蚀产物（图4(a). 载应力垂直方向萌生和扩展，如图5(a)所示.另外， (a) 20m 20m d 2004m 00m (e) (e) 2m 5 um 图4在S02复合盐雾环境中经历不同周期试验之后的C型环试样腐蚀产物微观形貌.(a)~(©)分别是试验周期为6、12、24、96和720h 的产物形貌：(c1)为图（©）的局部放大 Fig.4 Microscopic morphologies of C-ing specimens after testing for different periods in SO mixed salt spray environment:(a)(e)obtained at the test periods of 6,12,24,96,and 720h:(e)high-magnification of the area marked in Fig.(e)

满 成等: 二氧化硫复合盐雾环境下 2024--T351 铝合金应力腐蚀开裂 样顶部可肉眼观察到细微的裂纹． 随连续暴露时间的 延长，试样顶部由点蚀引发的裂纹逐渐增多，并且裂纹 的长度和深度都有所增加( 图 3( c1 ) ～ ( e1 ) ) ． 在盐雾 时间达到 480 h 的时候( 图 3( f1 ) ) ，C 型环顶部出现了 贯穿裂纹，在试样的表面还观察到了脱落现象． 在盐 雾试验达到 720 h 的时候( 图 3( g1 ) ) ，除了在试样顶部 应力集中区域能够观察到大量的裂纹和严重的溃败现 象外，在与顶部相邻的区域也出现了明显的裂纹和脱 落现象． 通过以上对不同周期试样腐蚀情况的观察， 可以得出结论: 在 SO2 复合盐雾环境中腐蚀优先发生 2024--T351 铝合金 C 型环试样的应力集中区域，并且 随着盐雾试验时间的延长向其他区域扩展． 2. 3 2024--T351 铝合金 C 型环试样微观形貌 图 4 在 SO2复合盐雾环境中经历不同周期试验之后的 C 型环试样腐蚀产物微观形貌． ( a) ～ ( e) 分别是试验周期为 6、12、24、96 和 720 h 的产物形貌; ( e1 ) 为图( e) 的局部放大 Fig． 4 Microscopic morphologies of C-ring specimens after testing for different periods in SO2 mixed salt spray environment: ( a) --( e) obtained at the test periods of 6，12，24，96，and 720 h; ( e1 ) high-magnification of the area marked in Fig． ( e) 图 4 为连续暴露于 SO2复合盐雾环境中不同时间 后加载 0. 9σs的 2024--T351 铝合金表面微观腐蚀产物 形貌． 在初期的盐雾试验中 C 型环试样的表面散落着 白色稀疏的团絮状和细棒状的腐蚀产物( 图 4( a) ) ． 随后细棒状的腐蚀产物逐渐消失( 图 4( b) ) ． 当盐雾 试验进行到 24 h 的时候，C 型环试样表面的团絮状腐 蚀产物凝结成块，并产生裂缝( 图 4( c) ) ． 当盐雾试验 时间达到 96 h，团絮状的腐蚀产物逐渐减少，并且腐蚀 产物层裂缝的密度是逐渐增加的( 图 4( d) ) ． 从 720 h 盐雾试验之后的腐蚀产物层的形貌可以看出，产物层 的裂纹宽度和深度都在变大． 综上所述，随着盐雾试 验的进行，腐蚀产物经历了由细棒状、团絮状到板块状 的转变过程． 2024--T351 铝合金 C 型环试样在 SO2复 合盐雾环境中生成的腐蚀产物层对基体的保护作用是 有限的，环境中的 Cl － 、SO2等侵蚀性离子可以通过板 块间的裂缝到达并腐蚀铝合金基体． 为了分析 2024--T351 铝合金的应力腐蚀开裂行为 特征，对同等腐蚀时间后的 C 型环试样进行了除锈处 理，其微观形貌如图 5 所示． C 型环顶部区域可以观 察到点蚀坑和应力腐蚀开裂裂纹，且裂纹沿与水平加 载应力垂直方向萌生和扩展，如图 5( a) 所示． 另外， · 545 ·

·546· 工程科学学报，第39卷，第4期 (a) (b) 200m 200m (c) m 200Hm d 500m 500um 图5在S02复合盐雾环境中经历不同周期试验之后的C型环试样除锈后的微观形貌.()~(c)分别是试验周期为6、12、24、96和720h 的形貌：(a)为图(a)的局部放大 Fig.5 Microscopic morphologies of de-rusting C-ring specimens after testing for different periods in SO mixed salt spray environment:(a)-(e) obtained at the test periods of 6,12,24,96,and 720 h:(a)high-magnification of the area marked in Fig.(a) 从点蚀坑的局部放大图中（图5(a,))可以看到大量的 表3不同周期盐雾试验之后C型试样表面各点（图4）成分的能谱 小裂纹.这主要是因为侵蚀性离子在点蚀坑内聚集， 分析结果 致使局部应力腐蚀敏感性降低，在外加应力的作用下 Table 3 EDS results of points shown in Fig.4 after different salt spray 形成由点蚀诱发二次裂纹的萌生及发展.Pidaparti和 test periods Patel结合有限元技术研究了2024-T3铝合金的应 化学组成（质量分数/%） 力腐蚀行为，也得到在应力集中区点蚀诱发裂纹产生 0 Al Mg Cu 的结论.此外，对比经过不同时间盐雾试验试样的表 45.00 45.58 9.42 面状况能够发现随着时间的延长，基体表面的点蚀坑 37.00 59.76 1.15 2.09 和应力腐蚀开裂裂纹的数量逐渐增多，并且应力腐蚀 40.21 59.79 开裂裂纹长度和深度也在逐渐变大. 4 37.91 46.22 一 一 2.4腐蚀产物分析 5 44.50 41.15 5.91 为了更好地了解2024-T351铝合金C型环试样 6 44.32 55.68 一 在S02复合环境下腐蚀产物的组成，对图4中标出的 > 46.88 53.12 各点进行能谱分析，分析结果如表3所示.从表中可 40.84 46.24 9.53 3.39 以看出，腐蚀产物的主要成分是1、0和C1元素，局部 还有Mg和Cu元素.CI元素在腐蚀产物层的出现表 9 14.50 21.30 7.71 62.49

工程科学学报，第 39 卷，第 4 期 图 5 在 SO2复合盐雾环境中经历不同周期试验之后的 C 型环试样除锈后的微观形貌． ( a) ～ ( e) 分别是试验周期为 6、12、24、96 和 720 h 的形貌; ( a1 ) 为图( a) 的局部放大 Fig． 5 Microscopic morphologies of de-rusting C-ring specimens after testing for different periods in SO2 mixed salt spray environment: ( a) --( e) obtained at the test periods of 6，12，24，96，and 720 h; ( a1 ) high-magnification of the area marked in Fig． ( a) 从点蚀坑的局部放大图中( 图 5( a1 ) ) 可以看到大量的 小裂纹． 这主要是因为侵蚀性离子在点蚀坑内聚集， 致使局部应力腐蚀敏感性降低，在外加应力的作用下 形成由点蚀诱发二次裂纹的萌生及发展． Pidaparti 和 Patel［16］结合有限元技术研究了 2024--T3 铝合金的应 力腐蚀行为，也得到在应力集中区点蚀诱发裂纹产生 的结论． 此外，对比经过不同时间盐雾试验试样的表 面状况能够发现随着时间的延长，基体表面的点蚀坑 和应力腐蚀开裂裂纹的数量逐渐增多，并且应力腐蚀 开裂裂纹长度和深度也在逐渐变大． 2. 4 腐蚀产物分析 为了更好地了解 2024--T351 铝合金 C 型环试样 在 SO2复合环境下腐蚀产物的组成，对图 4 中标出的 各点进行能谱分析，分析结果如表 3 所示． 从表中可 以看出，腐蚀产物的主要成分是 Al、O 和 Cl 元素，局部 还 有Mg和Cu元 素． Cl元素在腐蚀产物层的出现表 表 3 不同周期盐雾试验之后 C 型试样表面各点( 图 4) 成分的能谱 分析结果 Table 3 EDS results of points shown in Fig． 4 after different salt spray test periods 点 化学组成( 质量分数/% ) O Al Mg Cl Cu 1 45. 00 45. 58 — 9. 42 — 2 37. 00 59. 76 1. 15 2. 09 — 3 40. 21 59. 79 — — — 4 37. 91 46. 22 — — — 5 44. 50 41. 15 — 5. 91 — 6 44. 32 55. 68 — — — 7 46. 88 53. 12 — — — 8 40. 84 46. 24 — 9. 53 3. 39 9 14. 50 21. 30 — 7. 71 62. 49 · 645 ·