1、本 科 毕 业 设 计（论文）题 目：不同热处理制度对 2024 铝合金剥落腐蚀敏感性的影响规律研究学生姓名：学 号： 专业班级：材料物理 指导教师：年 月 日中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)不同热处理制度对 2024 铝合金剥落腐蚀敏感性的影响规律研究摘 要本 文 测 量 了 2024 铝 合 金 的 时 效 硬 化 曲 线 ， 然 后 选 取 不 同 的处 理 态 对 2024 铝 合 金 试 样进 行 了 热 处 理 。 通 过 金 相 显 微 镜 对 2024 铝 合 金 试 样 的 显 微 组 织 结 构 进 行 了 观 察 。随后利用电化学工作站测量了各热处理制度下 202
2、4 铝合金的极化曲线。利用饱和盐溶液模拟稳定的响度湿度，开展实验室剥蚀加速实验，并跟踪试样的宏观腐蚀形貌并绘制铝合金剥落腐蚀深度随时间变化的曲线。结果表明，该铝合金型材时效时间 0h-12h 之间为欠时效态、15h 为峰值时效态、18h-49h 之间为过时效态。随着人工时效时间的增加，铝合金的析出相也越来越多，且沉淀相尺寸逐渐增大。同时，时效处理会影响 2024 铝合金的剥蚀性能，其中欠时效及固溶态的剥蚀敏感性比较高，峰值时效及过时效态的试样未发生剥蚀。关键词：2024 铝合金；热处理；极化曲线；剥落腐蚀中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)Study on the effect of di
3、fferent heat treatment systems on the corrosion sensitivity of 2024 aluminum alloyAbstractThe aging hardness curve of 2024 aluminum alloy was measured and plotted in this paper. Then 2024 aluminum alloy samples were heat treated with different treatment states. The inner structure of aluminum alloy
4、was analyzed by microstructure observation; The polarization curves of 2024 aluminum alloy under various heat treatment conditions were measured by electrochemical workstation. Laboratory experiments on denudation acceleration were carried out using saturated salt solution to simulate stable humidit
5、y.And the macroscopic corrosion morphology of the sample was recorded and the curve of the peeling corrosion depth of aluminum alloy with time was drawn. The results show that the aging time between 0 and 12 hours is the under-aging state, 15 hours is the peak aging state, and 18-49 hours is the ove
6、r-aging state. With the increase of artificial aging time, the precipitated phase of aluminum alloy is increasing and the size of precipitated phase is increasing. At the same time, aging treatment will affect the denudation performance of 2024 aluminum alloy. Among them, the aluminum alloy with und
7、er aging state and solid solution state has high denudation sensitivity, and the aluminum alloy with peak aging and over aging state has no denudationKeywords：2024 aluminum alloy；heat treatment；polarization curve；exfoliation corrosion中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)目 录第 1 章 绪论.11.1 2024 铝合金的简介.11.2 2024 铝合金腐蚀类型
8、.11.2.1 点腐蚀.11.2.2 缝隙腐蚀.11.2.3 电偶腐蚀.11.2.4 应力腐蚀开裂.11.2.5 晶间腐蚀.21.3 2024 铝合金的热处理工艺.21.3.1 均匀化处理.21.3.2 固溶处理.21.3.3 时效处理.31.4 2024 铝合金的剥蚀加速实验类型.41.4.1 周浸试验.41.4.2 全浸试验.41.4.3 盐雾试验.41.4.4 挠度技术.41.5 本课题研究内容.5第 2 章 实验材料、设备及实验方法.62.1 实验材料.62.2 实验设备.62.3 实验方法.72.3.1 2024 铝合金的热处理.72.3.2 显微硬度及时效硬化曲线.72.3.3 显
9、微组织结构观察.82.3.4 X 射线衍射 .82.3.5 极化曲线的测量.8中国石油大学（华东）本科毕业设计(论文)2.3.6 剥蚀加速试验.9第 3 章 2024 铝合金的热处理.113.1 时效硬化曲线与 2024 铝合金的热处理.113.2 显微组织结构分析.123.2.1 金相显微结构.123.2.2 XRD 物相分析 .163.3 本章小结.16第 4 章 2024 铝合金抗剥落腐蚀性能研究.184.1 腐蚀电化学实验.184.1.1 腐蚀电化学曲线.184.2 模拟海洋大气因素作用下的剥蚀加速试验.194.2.1 恒电流极化对铝合金试样的影响.194.2.2 稳定湿度下剥蚀加速试
10、验.204.2.3 剥蚀表面腐蚀形貌.214.2.4 剥蚀深度随时间变化曲线.25第 5 章 结论.27致 谢.28参考文献.29第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 2024 铝合金的简介铝在地球储存量很大，且分布较为广泛，是日常接触的金属之一。但由于纯铝强度很低，不能完全满足我们对材料的需求，因此需要在纯铝中加入一定量的其他金属元素来提高铝的各种性能。2024 铝合金属于 2XXX 系列合金的一类，并且属于可热处理的硬铝合金，其比重低、耐蚀性好且高强度，是典型的性能结构优良的高强铝合金，在飞机制造和民用商品中的应用都及其广泛 1-2。2024 铝 合 金 的 耐 热 性 优 良 ， 可
11、 以 在 高 温 环 境 中 进 行 工 作 。 值 得 一 提 的 是 热 处 理 状 态 下 其 成形 性 能 优 良 ， 然 而 热 处 理 过 程 中 其 要 求 也 比 一 般 金 属 加 工 要 苛 刻 一 些 3-6。1.2 2024 铝合金腐蚀类型1.2.1 点腐蚀点腐蚀又叫做孔蚀，是金属表面上发生的腐蚀然后从表面向金属内部扩展，经过腐蚀后造成孔状蚀坑的一种局部腐蚀状态，同时也是阳极反应的一种形式 7-8。1.2.2 缝隙腐蚀当金属部件浸入电解质溶液内时，在金属与其他物质之间会产生一些缝隙，并且在缝隙之中有时会存在一些腐蚀介质促进金属与其他物质产生反应，从而使得内部腐蚀更加严重
12、的现象统称为缝隙腐蚀，在人们日常用的部件中经常会出现缝隙，因此这种腐蚀也比较常见，其中如果缝隙中有溶液中带 Cl-则发生缝隙腐蚀的概率更大 5-7。1.2.3 电偶腐蚀电偶腐蚀是指不同种类金属部件形成电接触会在内部产生腐蚀回路，使电位低的金属氧化并加速腐蚀破坏，也就是比金属单独存在时腐蚀速率更大 9-11。1.2.4 应力腐蚀开裂金属在各种应力与腐蚀介质的共同作用下所产生的一种破坏，人们通常称其为SCC，它所造成的损伤很严重，有时会造成灾难性的事故。应力腐蚀会造成金属材料工作时的应力远小于许用的应力，在外观无明显预兆情下会发生断裂，严重减小了材第 1 章 绪论2料构件的安全性 12-14。1.
13、2.5 晶间腐蚀晶间腐蚀也属于金属局部腐蚀的范畴，是腐蚀沿着金属晶粒的边界，从外向内发展和扩张的一种腐蚀现象。主要是由于晶界处的颗粒与内部的成分有差异，在两者之间形成了化学反应引发了型材的小区域腐蚀。由于其发生在晶界上，因此会使晶粒之间的作用力一定程度上减弱，力学性能遭到损坏，使得金属变得很脆，对金属材料造成严重的影响 15-16。晶间腐蚀产生是由以下两个因素造成的：首先是内部因素，即金属或者合金的晶粒与晶界之间成分组成不同并且晶界中的结构也不同、合金元素固溶析出的特点、沉淀析出的过程等问题，使得电化学分布不均，从而让金属产生晶间腐蚀的倾向。然后是外部因素，由于腐蚀介质的存在使得金属内晶界与晶
14、粒的电化学环境不同。目前晶间腐蚀机制的解释很多主要有以下几个理论被广泛接受：1.沿着晶粒边界处的沉淀相会比其他位置的沉淀相先溶解，之后在沿着晶界的位置留下了腐蚀孔；2.晶间溶质较少的地方比晶粒本身的击穿电位高一些的，从而造成了选择性腐蚀；3.由于选择性腐蚀会在晶体内形成一个与外界隔离的环境，使得晶间腐蚀连续不断的发展 32。铝合金的剥落腐蚀为特殊的晶间腐蚀，腐蚀沿着平行于铝合金轧制面的晶界横向发展，引起金属表面产生剥落和鼓泡，使得铝合金的力学性能很大程度降低，实用性减弱，对材料的危害非常大。由于热处理能改变其抗剥落腐蚀能力，因此试验中通过不同热处理工艺对铝合金剥落腐蚀的敏感性规律进行了研究。1
15、.3 2024 铝合金的热处理工艺1.3.1 均匀化处理铝合金在加热铸造后,为使金属间化合物减少，晶内的析出相偏聚及过饱和固溶体凝聚产生的内应力，将合金铸锭加热至指定的温度，然后使样品在一定温度下保存后降至室温。这种处理方法能够有效的减少合金内部的不均匀物质分布，进而减少了晶内偏析与产生较大的化合物等对于合金性能有影响的现象 17-18。1.3.2 固溶处理2024 铝合金内部有多种合金金属元素共同组成，在铝材中温度的改变能引起元素固溶度改变。室温下，在合金中会存在两个相即 相与 第二相。固溶处理需要加热第 1 章 绪论3到一定温度，目的是让 相尽可能地溶入铝材中，保持温度一定量的时间，会得到
16、单相的 固溶体。当温度降低时 相的溶解度会降低，使得 相从铝基体中析出，使剩下的合金成为过饱和 固溶体 17。如果温度的降低速率很快，溶质分开扩散时所受的外界阻力会突然变大，此时 相还没有形成核，表示留下的溶质不能与 相同一时间内析出合金，所以此时所获得的固溶体只有一个相，这称为淬火处理。在这个过程中铝基体内部形成大量的空穴和过饱和溶质，会阻碍铝基体内部原子的位错从而加强了铝合金的强度 31。1.3.3 时效处理通常时效处理分两种：一为人工时效二是自然时效。经过淬火处理后，在铝合金中有溶质会自主的向四周分散并发生分解，称之为脱溶倾向，文中所有研究的铝合金在室温下便可以产生这种倾向。通常情况下，
17、自然时效会发生在淬火之后，但也存在一些合金会经过一定时间才能开始其自然时效 3-6。本文对合金采取了人工时效热处理的方法。人工时效处理，即将合金置于某温度下对其进行恒温加热，其目的是为了促进过饱和固溶体中发生脱溶的速度，同时能够提高金属工艺处理效率并且减少了热处理需时。对 2024 铝合金来说，在人工时效之前会对铝合金进行固溶与淬火处理，这样铝合金的强度能一定程度上增强。上文提到固溶处理的作用是让合金元素尽可能融入到铝基体当中，使合金成为过饱和固溶体。而人工时效可以让合金中的过饱和的溶质原子扩散与脱溶同时也能让合金中的空位产生扩散，因而产生析出相，而析出相的生成会形成应力阻止铝基体的内部原子发
18、生位错与迁移，最终会在宏观上使铝合金拥有更好的硬度与强度 17。常见的铝合金人工时效有以下所示：1. 单级时效最常见的人工时效为单级时效，单级时效中实验通常使合金在较长时间下保持在一定的高温，单级时效一般可以得到抗拉性能较好的合金，且处理时间至峰值时效时，会产生两个强化相，即 GP 区以及 T1相。虽然 T1相会使铝合金硬度增加，但同时也损失了合金的可塑性能，其耐腐蚀性能也随之降低 33。2. 双级时效是指铝合金首先在一个温度下进行时效热处理然后再改变温度再进行时效热处理，第 1 章 绪论4通常有一个低温区为与析出阶段还有一个高温区称为稳定化阶段。通常合金先经历低温的预时效，形成一个 GP 区
19、，再置于高温下二次人工时效，在两次时效后合金内大多数强化相是 ri相,此时合金强度虽然不如之前，但合金比单级时效更加耐蚀 33。3. 三级时效三级时效的处理包括两次的预析出的处理，也就是说拥有两次的成核长大的处理过程,能够得到细微且比较均匀的析出相组织 20。1.4 2024 铝合金的剥蚀加速实验类型1.4.1 周浸试验周浸试验：利用干湿交替，让金属片接受风吹日晒的交替腐蚀环境，使得金属的干湿交替不是一个连续的过程。可用来研究温度、PH、表面斜度对铝合金表面腐蚀的影响。这种加速试验还原性比较强但腐蚀周期比较长 21。1.4.2 全浸试验全浸试验室近几年来比较广泛使用的腐蚀方法，主要将铝合金浸泡
20、在 EXCO 溶液中，经过一段时间后将合金从腐蚀溶液中取出观察，对比标准照片进行腐蚀评级，这样的方法优点是步骤简单易于操作与实现，并且还原自然时效的程度较高但主观性太多用眼睛来评估，没有定量的评价剥蚀现象 22。1.4.3 盐雾试验盐雾试验：利用试验室里的盐雾试验仪，模拟了在不同浓度的 NaCl 溶液下，在设定温度，PH 腐蚀环境中铝合金剥落腐蚀的情况。但是循环盐雾试验的设备比较复杂，试验周期也更长，且不能很好的预测剥蚀 22。1.4.4 挠度技术Liddiard 和 Robinson 等人利用一种挠度技术无破坏地对剥蚀进行了定量测量。在这一技术中，试样在四点加载条件下的挠度与试样厚度的关系式
21、为：/W = K/d3 (3-1)其中， 是挠度，W 是加载量， d 是厚度，可以通过试样最初的尺寸决定 K 值，因而，单位负载下的挠度变化决定着试样有效截面的变化。此外，假定只有腐蚀能引起尺寸的变小。在 Liddiard 等人的研究中，试样是在无应力情况下发生腐蚀，而且厚度的变化是由剥落腐蚀造成的，因而可以测量厚度随时间的变化。Robinsion 等人也用第 1 章 绪论5四点弯曲的方法，测量了 2024 在盐雾试验和现场暴露试验之后的平均腐蚀深度。然而，这一挠度技术需要一套复杂的试验装置。而且，假设了经过长时间的表面剥蚀试验之后，在进行挠度腐蚀过程中，试样要满足统一的厚度。如果长时间的暴露试验之后，试样表面没有发生剥落腐蚀或者只有局部的点蚀，接下来进行的挠度试验将是无效的23-24。1.5 本课题研究内容（1） 首先对 2024 铝合金试样进行固溶处理，再对试样进行不同时间恒温下的时效处理，并测出时效硬化曲线，根据时效硬化曲线所测量的结果对样品进行欠时效、峰值时效、过时效处理。（2） 观察 2024 铝合金的显微组织结构并进行 XRD 物相分析。（3） 对不同时效态的试样进行电化学处理，估计其击穿点位，并进行恒电流预极化处理。然后使样品在稳定湿度环境下进行剥蚀加速试验，观察剥蚀表面形貌，并测量腐蚀深度，绘制出剥蚀深度随时间的变化曲线。
