2024铝合金耐腐蚀性能与力学性能研究

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由于强度高、密度低、塑性好等优质的材料特性,2024铝合金已逐渐成为航空航天领域首选的结构用材。然而在海洋大气环境下服役时易受盐水环境的腐蚀,会导致铝合金结构承载性能退化,从而显著降低其使用寿命。因此,研究局部腐蚀对2024铝合金力学性能的影响具有重要意义,对于航空铝合金的防腐设计和安全服役具有理论指导作用。通过电化学噪声(EN)、电化学阻抗谱(EIS)及动电位极化曲线(Tafel)等测试,分析了表面粗糙度对2024铝合金耐腐蚀性能的影响,并结合Mott-Schottky曲线和Point Defect Model探讨了 2024铝合金表面钝化膜的半导体特性。研究表明:随着表面粗糙度的增大,电流噪声与电位噪声增大、极化电阻逐渐减小、自腐蚀电流逐渐增大、自腐蚀电位逐渐负移,表明较大的表面粗糙度具有更高的腐蚀倾向。Mott-Schottky曲线分析结果显示2024铝合金表面钝化膜呈现N-P型半导体特征。表面越粗糙,钝化膜中的点缺陷数量越多,均匀性越差。使得钝化膜的导通能力增强,耐腐蚀性能削弱。研究了腐蚀时间对2024铝合金力学性能的影响。通过单轴拉伸试验、疲劳试验、电化学试验及SEM分析等,探讨了腐蚀时间对2024铝合金硬度、抗拉强度、延伸率及疲劳寿命的影响,并结合微观腐蚀形貌解释了导致力学性能变化的原因。研究表明:腐蚀时间对腐蚀形貌有显著影响。随着腐蚀时间的推移,腐蚀速率加快,腐蚀坑的尺寸显著增大。蚀坑在宽度方向的扩展快于深度方向,并通过拟合得到了蚀坑尺寸的扩展模型。腐蚀时间对2024铝合金的力学性能有较大影响。腐蚀在1h内,蚀坑导致的应力集中使试样的硬度、抗拉强度和延伸率迅速下降,蚀坑萌生的裂纹源诱发疲劳寿命显著下降69%;腐蚀时间超过1h,蚀坑在深度方向的缓慢扩展削弱了应力集中的影响,硬度、抗拉强度、延伸率及疲劳寿命下降趋势减缓。2024铝合金在EXCO溶液中的腐蚀产物主要以Al(OH)3和AlCl3为主,Cl-作为侵蚀性离子造成了局部腐蚀现象的发生。腐蚀后的单轴拉伸断口表现为韧性断裂。腐蚀后的疲劳断口表现为沿晶断裂、解理断裂和韧性断裂的混合断裂模式。研究了腐蚀温度对2024铝合金力学性能的影响。通过单轴拉伸试验、电化学试验及SEM分析等,探讨了腐蚀温度(-18℃、0℃、25℃、50℃)对2024铝合金抗拉强度、屈服强度及延伸率的影响。研究表明:2024铝合金在EXCO溶液中存在临界腐蚀温度T0(0℃)。温度低于T0(-18℃~0℃)时,2024铝合金表面发生轻微的点蚀,点蚀损伤对材料的拉伸性能影响很小。温度高于T0(0℃~50℃)时,发生较为严重的点蚀。腐蚀温度为50℃时,腐蚀产物Al(OH)3的堆积引起“楔入效应”,造成片层腐蚀的发生,使得抗拉强度、屈服强度及延伸率显著降低。腐蚀温度对腐蚀速率的影响较大。温度低于T0(-18℃~0℃)时,溶液中的粒子活性很差,抑制了腐蚀反应的进行。温度高于T0(0℃~50℃)时,粒子活性很强,参与扩散和传质的速率较高,加速了腐蚀反应。
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