铝合金应力腐蚀试验

一、试验核心目的

1. 评估铝合金在特定服役环境（如海洋、大气、工业介质）中的抗应力腐蚀能力，筛选适用于该环境的合金牌号、热处理状态；

2. 研究铝合金成分、微观组织、加工工艺（如轧制、焊接、热处理）对 SCC 敏感性的影响，优化材料制备工艺；

3. 验证铝合金结构件在设计应力下的长期服役安全性，避免因 SCC 导致的突发失效；

4. 建立铝合金 SCC 敏感性的量化指标（如断裂时间、裂纹扩展速率），为结构设计提供数据支撑。

二、试验基本原理

铝合金 SCC 的本质是 “腐蚀介质破坏钝化膜 + 拉应力促进裂纹扩展” 的协同效应：

1. 腐蚀介质作用：铝合金表面天然形成的氧化膜（Al₂O₃）在特定介质中（如含 Cl⁻、OH⁻的环境）会被破坏，露出活性金属表面，发生局部腐蚀（如点蚀、晶间腐蚀），成为裂纹萌生的核心；

2. 拉应力作用：外部拉应力（包括工作应力、残余应力）使腐蚀产生的微小缺陷（如点蚀坑底部）形成应力集中，促进裂纹沿特定路径（如晶界、第二相粒子与基体界面）快速扩展；

3. 断裂机制：裂纹扩展过程中，腐蚀介质持续向裂纹尖端渗透，不断破坏尖端钝化膜，应力则驱动裂纹进一步延伸，最终导致材料在远低于屈服强度的应力下脆性断裂。

三、常用试验方法（按标准分类）

铝合金 SCC 试验方法需模拟实际服役的 “应力状态 + 腐蚀环境”，国内外主流标准（如 ASTM、ISO、GB/T）规定了以下经典方法，各有适用场景：

1. 恒载荷拉伸试验（Constant Load Test）

核心原理

将标准试样施加恒定拉应力（通常为屈服强度的 30%~80%），浸泡在目标腐蚀介质中，记录试样断裂时间（SCC 寿命）或规定时间内是否发生裂纹，以此评定抗 SCC 性能。

关键细节

• 试样类型：采用光滑拉伸试样（如 GB/T 228.1 标准尺寸）或带缺口试样（缺口用于加速裂纹萌生）；

• 应力施加：通过万能试验机、砝码或弹簧加载，保证应力恒定（避免因试样腐蚀减薄导致应力变化）；

• 腐蚀介质：常用 3.5% NaCl 溶液（模拟海洋环境）、工业大气模拟液（含 SO₂、CO₂）、航空液压油等；

• 评定指标：断裂时间（越长抗 SCC 性能越好）、断裂应力、裂纹萌生时间。

适用场景

评估材料在 “长期稳定拉应力 + 腐蚀环境” 下的服役安全性，如船舶甲板、桥梁结构件。

2. 慢应变速率拉伸试验（Slow Strain Rate Tensile Test, SSRT）

核心原理

以极低的应变速率（10⁻⁶~10⁻⁸ s⁻¹）拉伸试样，同时浸泡在腐蚀介质中，通过对比 “腐蚀环境” 与 “空气环境” 下的力学性能（如伸长率、断面收缩率、断裂强度），量化 SCC 敏感性。

关键细节

• 应变速率：低速拉伸使腐蚀介质有足够时间渗透到裂纹尖端，加速 SCC 发生（缩短试验周期，通常 1~7 天）；

• 对比试验：必须设置空气环境下的空白试验，计算 “SCC 敏感性系数”（如伸长率损失率、断面收缩率损失率）；

• 断口分析：通过扫描电镜（SEM）观察断口形貌，SCC 断口通常为沿晶断裂（晶界腐蚀导致）或准解理断裂，与空气环境下的韧窝断裂形成明显区别。

评定指标

• 敏感性系数：\(I_{\delta} = \frac{\delta_{air} - \delta_{corr}}{\delta_{air}} \times 100\%\)（\(\delta_{air}\)为空气环境伸长率，\(\delta_{corr}\)为腐蚀环境伸长率，\(I_{\delta}\)越大敏感性越强）；

• 断裂能损失率、裂纹扩展速率。

适用场景

快速筛选材料、优化热处理工艺（如时效温度、时间），尤其适用于航空航天用高强度铝合金（如 7xxx 系、2xxx 系）。

3. 预裂纹试样试验（Pre-Cracked Specimen Test）

核心原理

采用带预制裂纹的试样（如双悬臂梁 DCB、紧凑拉伸 CT 试样），在腐蚀介质中施加恒定应力或应力强度因子（K），监测裂纹扩展速率（da/dt），直接反映材料的 SCC 裂纹扩展阻力。

关键细节

• 预制裂纹：通过疲劳加载制备尖锐裂纹（裂纹长度通常 0.5~2mm），保证裂纹尖端应力状态可控；

• 应力强度因子（K）：通过试样尺寸和加载力计算 K 值，可设置恒定 K（K₁ SCC 试验）或递增 K，研究不同应力水平下的裂纹扩展规律；

• 裂纹监测：采用显微镜观察、电位法或声发射技术实时监测裂纹长度变化。

评定指标

裂纹扩展速率（da/dt）、临界应力强度因子（K₁ SCC，即裂纹不扩展的最大 K 值，越大抗 SCC 性能越好）。

适用场景

精准评估材料的 SCC 裂纹扩展阻力，为结构件的裂纹容限设计提供数据（如航空发动机叶片、机身框架）。

4. 交替浸泡试验（Alternate Immersion Test）

核心原理

模拟海洋潮汐、大气干湿交替环境，将试样交替浸泡在腐蚀介质中（如 3.5% NaCl 溶液）和暴露在空气中，同时施加恒定拉应力，加速 SCC 过程，适用于评估户外、海洋环境下铝合金的抗 SCC 性能。

关键参数

• 浸泡周期：通常 “浸泡 1 小时 + 干燥 1 小时” 或 “浸泡 4 小时 + 干燥 2 小时”；

• 试验周期：根据材料敏感性，通常为 1000~5000 小时；

• 评定指标：断裂时间、表面裂纹密度。

四、试验核心流程

无论采用哪种方法，铝合金 SCC 试验的核心流程均包括以下步骤，需严格控制变量以保证结果准确性：

1. 试样制备

• 材质要求：试样需与实际服役材料的成分、热处理状态（如 T6、T73 时效）、加工工艺完全一致；

• 尺寸精度：按标准加工（如 GB/T 15970.6、ASTM G44），保证试样平行段尺寸均匀，表面粗糙度 Ra≤0.8μm（避免表面划痕成为裂纹源）；

• 表面处理：试验前用砂纸打磨（去除氧化膜），超声清洗（去除油污），吹干后立即放入腐蚀介质（避免重新形成氧化膜）。

2. 腐蚀环境模拟

• 介质选择：根据服役环境确定（如海洋环境用 3.5% NaCl 溶液，工业环境用含 0.5% H₂SO₄的 NaCl 溶液）；

• 环境参数控制：温度（通常 25℃±2℃，或模拟服役温度如 50℃）、pH 值（如海洋环境 pH=7.0~8.0）、介质更新频率（避免介质老化）；

• 特殊环境：如需模拟高温高压环境，需使用高压反应釜。

3. 应力施加与控制

• 应力计算：根据试样截面积和目标应力（如屈服强度的 50%）确定加载力；

• 加载方式：恒载荷试验用砝码 / 弹簧加载（保证应力恒定），SSRT 用万能试验机控制应变速率，预裂纹试验用专用夹具加载；

• 残余应力消除：若试样存在加工残余应力，需先进行去应力退火（如 200℃保温 2 小时），避免残余应力干扰试验结果。

4. 试验过程监测

• 定期观察：记录试样表面腐蚀情况（如点蚀、裂纹）、断裂时间；

• 裂纹监测：预裂纹试验用显微镜测量裂纹长度，SSRT 实时记录应力 - 应变曲线；

• 数据记录：记录环境参数（温度、pH）、加载力 / 应变速率、试样状态变化。

5. 结果评定与分析

• 宏观评定：断裂时间、伸长率、断面收缩率、断裂应力；

• 微观分析：通过 SEM 观察断口形貌（判断是否为 SCC 断裂）、金相显微镜观察裂纹扩展路径（沿晶 / 穿晶）；

• 量化指标：SCC 敏感性系数、裂纹扩展速率（da/dt）、临界应力强度因子（K₁ SCC）。

五、影响试验结果的关键因素

铝合金 SCC 敏感性受材料本身、环境、应力三大因素影响，试验中需重点控制：

1. 材料因素

• 合金成分：7xxx 系（Al-Zn-Mg-Cu）、2xxx 系（Al-Cu-Mg）铝合金 SCC 敏感性较高（高强铝合金易发生晶间腐蚀引发 SCC），5xxx 系（Al-Mg）、6xxx 系（Al-Mg-Si）敏感性较低；

• 热处理状态：同一合金，T6 时效（高强度、低抗 SCC）比 T73 时效（中等强度、高抗 SCC）更易发生 SCC（T73 时效可减少晶界析出相的连续分布，抑制晶间腐蚀）；

• 微观组织：晶界析出相的类型、分布（连续 / 不连续）、晶粒尺寸（晶粒越细，抗 SCC 性能越好）。

2. 环境因素

• 介质类型：Cl⁻是诱发铝合金 SCC 的关键离子（破坏氧化膜），浓度越高敏感性越强；OH⁻、SO₄²⁻会加速腐蚀；

• 温度：温度升高（如超过 50℃）会加快腐蚀反应和裂纹扩展速率；

• 湿度：大气环境中，湿度越高（如相对湿度 > 80%），SCC 敏感性越强。

3. 应力因素

• 应力大小：拉应力越大，SCC 寿命越短（应力超过屈服强度时，敏感性显著提升）；

• 应力类型：拉应力是 SCC 的必要条件，压应力可抑制 SCC；

• 加载速率：SSRT 中，应变速率越低，腐蚀介质作用时间越长，SCC 敏感性越明显（但速率过低会导致试验周期过长）。

六、应用场景

铝合金 SCC 试验广泛应用于以下领域：

1. 航空航天：评估飞机机身、机翼、起落架用高强铝合金（如 7075-T6、2024-T3）的抗 SCC 性能，避免飞行中突发断裂；

2. 海洋工程：筛选船舶甲板、海洋平台用铝合金（如 5083-H116），抵抗海水环境中的 SCC；

3. 汽车工业：验证新能源汽车车身、电池托盘用铝合金的长期服役安全性；

4. 电子设备：评估铝合金外壳在潮湿、含盐雾环境中的抗 SCC 能力（如户外通信设备）；

5. 材料研发：优化铝合金成分（如添加 Zr、Sc 细化晶粒）、热处理工艺（如 T73 时效），提升抗 SCC 性能。