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1、第21卷第4期中国腐蚀与防护学报Vol121No142001年8月JournalofChineseSocietyforCorrosionandProtectionAug12001晶须对铝基复合材料应力腐蚀开裂行为的影响胡津罗仁胜姚忠凯(哈尔滨工业大学材料科学与工程学院433信箱哈尔滨150001)摘要:采用双悬臂梁试验,研究了碳化硅晶须增强纯铝基及碳化硅晶须增强2024铝基复合材料和2024铝合金在3.5%NaCl溶液中的应力腐蚀(SCC)开裂行为,探讨了晶须对复合材料应力腐蚀开裂行为的影响.结果表明,晶须的存在改变了材料的应力腐蚀特性,晶须在复合材料应力腐
2、蚀开裂过程中具有促进和阻碍应力腐蚀裂纹扩展的双重作用.关键词:碳化硅晶须铝基复合材料应力腐蚀开裂中图分类号:TG151文献标识码:A文章编号:100524537(2001)04202402051前言铝合金中加入晶须,不仅改善了合金的室温和高温强度、疲劳强度,提高了材料的弹性模量、耐磨性,同时降低了材料的热膨胀系数,因而使得制备的复合材料具有一系列优异性[1][2～5]能.目前,晶须增强铝基复合材料的开发研究已得到了国内外的广泛重视.有关晶须的[6～9]存在对复合材料力学性能、界面结构和基体微观组织等方面的影响已有详细的研究,而有关晶须对复合材料应力腐蚀开裂行
3、为影响却少见报道,为此本工作选择碳化硅晶须增强纯铝(SiCw/p-Al)及2024铝(SiCw/2024)复合材料作为研究对象,探讨晶须的存在对两种复合材料应力腐蚀开裂行为的影响.2实验方法采用挤压铸造方法制备SiC晶须增强纯铝和2024铝基复合材料,晶须的体积分数为[10]20%.利用双悬臂梁(DCB)实验方法进行应力腐蚀试验.作为对比,对采用同样方法制备的2024铝合金也进行了应力腐蚀实验.腐蚀介质为3.5%NaCl溶液,试验过程中定期更换腐蚀介质,并利用读数显微镜测量裂纹长度,扫描电子显微镜观察断口形貌.3试验结果图1是纯铝基复合材料的应力腐蚀裂纹扩展
4、速率da/dt与裂纹尖端应力场强度因子KI的关系曲线,可见,其da/dt～KI曲线具有完整的三个阶段:即Ⅲ阶段的快速扩展期,Ⅱ阶段-11的稳态扩展期及Ⅰ阶段的缓慢扩展期.复合材料稳态扩展期的裂纹扩展速率约为6.7×101/2m/s,应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC约为12.1MPa·m.普遍认为,纯铝在3.5%NaCl[11]溶液中不存在应力腐蚀开裂现象,然而增强体的存在,却显著改变了基体材料的应力腐蚀特性,导致SiCw/p-Al复合材料发生应力腐蚀.图2所示为2024铝合金及相应复合材料的应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与裂纹尖端应力场强度因子KI的关系
5、曲线,表明2024铝合金及相应的复合材料均具有明显的应力腐蚀特征.2024铝合金的da/dt～KI曲线与常用铝合金相同可分为两个阶段,即Ⅱ阶段的稳态扩展收稿日期:2000205228;修订日期:2000208208基金项目“:环境断裂”开放实验室、教育部科学技术研究重点项目资助作者简介:胡津,1963年出生,女,汉族,江苏省人,高级工程师,硕士,主要研究方向为晶须增强铝复合材料的基础研究4期胡津等:晶须对铝基复合材料应力腐蚀开裂行为的影响241-10期及Ⅰ阶段的缓慢扩展期;其稳态扩展期裂纹扩展速率约为19×10m/s,临界应力场强度1/2因子约为5.5MPa
6、·m.而SiCw/2024复合材料的da/dt～KI曲线同纯铝基复合材料相同具-10有完整的三个阶段,其稳态扩展期的裂纹扩展速率约为2.6×10m/s远低于基体合金,其1/2临界应力场强度因子约为9MPa·m,高于相应的基体合金.晶须的存在降低了基体合金的应力腐蚀敏感性,提高了复合材料的应力腐蚀抗力.Fig.1CurveofstresscorrosioncrackpropagationrateFig.2Curveofstresscorrosionpropagationratevs.vs.stressintensityforSiCw/p-Alstressint
7、ensityforSiCw/2024图3、图4分别是两种复合材料应力腐蚀的微观断口形貌.在预制裂纹区(图3a和图4a)腐蚀最为严重,基体铝几乎全部被溶解掉,暴露出大量的晶须,有些晶须表面平直,说明其周围的铝已被完全腐蚀掉,还有一些晶须表面仍然被铝所覆盖,因此其表面凸凹不平.晶须周围的[12]铝被腐蚀程度的差别,可能是由于晶须的位向和应力状态不同造成的.在应力腐蚀断口区(图3b、3c和图4b),断口表面被腐蚀产物所覆盖,表面可见到少量的晶须及显微裂纹.由图3b可见,断口上暴露的晶须均较平直,说明其周围的铝被腐蚀溶解掉了,而在晶须之间的铝则出现韧窝,表明腐蚀是沿
8、着界面进行的.在其机械断裂区(图3d和图4c)可见许
