一种铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法

1.本发明属于金属材料腐蚀损伤评估技术领域，具体涉及一种铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，尤其涉及一种海洋大气环境与静态弹性应力协同作用下铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法。


背景技术：

2.装备用铝合金结构材料在沿海地区服役期间会全天候地遭受海洋大气环境的腐蚀作用。海洋大气环境具有高盐雾、高湿和干湿交替效应显著等特点，会在铝合金结构材料表面形成一层薄液膜，并且由于腐蚀介质(c l-、so2等)的存在而发生薄液膜腐蚀。此外，铝合金结构材料在实际服役过程中大多会承受弹性范围内的应力作用。由此可见，铝合金结构材料在沿海地区的服役过程中遭受的腐蚀损伤行为实际上是海洋大气环境薄液膜腐蚀和弹性应力协同作用的结果。铝合金材料在上述协同作用下遭受腐蚀损伤，严重影响材料的力学性能，给装备的服役寿命和服役安全带来重大隐患。因此，急需开展海洋大气环境与弹性应力协同作用下铝合金等金属材料的腐蚀损伤评估技术研究。
3.虽然目前航标hb 5455-1990《铝合金剥层腐蚀试验方法》已经给出了关于铝合金材料腐蚀状况的分级标准，但是该标准存在两方面的缺点：第一、对每个腐蚀等级的分级主要是根据合金材料的腐蚀现象进行定性判断，缺乏数据量化标准；第二、该标准判定的腐蚀等级与力学性能参数并不直接相关，进而根据腐蚀等级不能对合金材料力学性能的变化情况做出判断。因此，迫切需要确定协同作用下铝合金结构材料的腐蚀等级，通过分析腐蚀等级与力学性能参数之间的定量关系，建立铝合金结构材料在海洋大气环境和静态弹性应力协同作用下的腐蚀损伤分级量化方法。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.一种铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，包括以下步骤：
7.s1、进行铝合金结构材料的自然环境暴露试验：铝合金试样全天候地放置于海洋大气环境中进行自然环境暴露试验，同时对试样施加静态弹性应力，以实现海洋大气环境与静态弹性应力协同作用的试验条件，试验周期分别为1、3、5、6、9和12个月；
8.s2、将s1中暴露不同周期的试样按照hb 5455-1990给出的腐蚀等级标准进行分级；
9.s3、测量s1中暴露不同周期试样的腐蚀深度；
10.s4、对暴露不同周期的试样进行拉伸性能测试；
11.s5、计算暴露不同周期试样的腐蚀损伤程度d：
[0012][0013]
式(1)中，d为暴露不同周期试样的平均腐蚀深度，h0为试样的初始厚度；
[0014]
s6、计算暴露不同周期试样的抗拉强度损失率ηα、断后伸长率损失率ηβ：
[0015][0016][0017]
式中，n
α
、n
β
分别是暴露不同周期试样的平均抗拉强度和平均断后伸长率，n
α,0
、n
β,0
分别是试样的初始抗拉强度和断后伸长率；
[0018]
s7、确定腐蚀损伤量化分级、腐蚀损伤程度d分别与抗拉强度损失率ηα和断后伸长率损失率ηβ之间的关系。
[0019]
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下的改进：
[0020]
进一步，所述步骤s1中，施加的静态弹性应力水平为0.8σs，其中，σs为试样初始的屈服强度。
[0021]
进一步，所述步骤s3中，利用observer.a1m型金相显微镜测量s1中暴露不同周期试样的腐蚀深度。
[0022]
进一步，所述步骤s3中，将试样镶嵌于环氧树脂中，经过打磨以及抛光后进行观测，每个暴露周期均取3个平行试样测得的腐蚀深度数据取平均值，得到每个暴露周期试样的平均腐蚀深度。
[0023]
进一步，所述步骤s3中，采用砂纸进行打磨。
[0024]
进一步，所述步骤s3中，采用金刚石浆料进行抛光。
[0025]
进一步，所述步骤s4中，每个暴露周期均取3个平行试样进行拉伸性能测试，得到试样的抗拉强度和断后伸长率，并分别对其取平均值，获得每个暴露周期试样的抗拉强度和断后伸长率的平均值。
[0026]
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种海洋大气环境与静态弹性应力协同作用下的铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，能准确地对铝合金材料的腐蚀损伤进行分级，并能根据腐蚀损伤级别对铝合金材料的抗拉强度损失率和断后伸长率损失率的变化情况做出判断，工程适用性较好。
附图说明
[0027]
图1为海洋大气环境与静态弹性应力协同作用试验过程图片。
具体实施方式
[0028]
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
[0029]
实施例1
[0030]
本实施例中，采用7a04铝合金基材作为试验材料，铝合金腐蚀损伤分级量化方法参照hb 5455-1990《铝合金剥层腐蚀试验方法》给出的铝合金材料腐蚀损伤分级进行量化，步骤如下：
[0031]
1、进行7a04铝合金结构材料的自然环境暴露试验：7a04铝合金试样全天候地放置于海洋大气环境中进行自然环境暴露试验，同时对试样施加静态弹性应力，以实现海洋大气环境与静态弹性应力协同作用的试验条件，如图1所示。试验周期分别为1、3、5、6、9和12个月，每个试验周期均设置3个或者以上的平行试样；施加的静态弹性应力水平为0.8σs(457mpa)，其中，σs为试样初始的屈服强度，其值为571mpa；
[0032]
2、标准等级划分
[0033]
根据hb 5455-1990的标准等级对海洋大气环境与静态弹性应力协同作用下铝合金结构材料的腐蚀状况进行等级划分。
[0034]
表1 hb 5455-1990铝合金剥层腐蚀试验方法
[0035]
腐蚀状况腐蚀等级试样表面变色或腐蚀，但没有点蚀和剥蚀的迹象n点蚀，不连续的腐蚀点，在点的边缘可能有轻微鼓起p试样表面少量鼓泡裂开，呈薄片或黑色粉末，有轻微的剥层ea试样有明显的分层并扩展到金属内部eb试样剥蚀扩展到较深的金属内部ec试样剥蚀扩展到比ec更深的金属内部，并有大量的金属层剥落ed
[0036]
3、腐蚀深度与腐蚀损伤程度数据及分级处理
[0037]
利用observer.a1m型金相显微镜测量暴露不同周期试样的腐蚀深度：将需要进行腐蚀深度测试的试样镶嵌于环氧树脂中，经过砂纸打磨以及金刚石浆料抛光后对截面进行观测。将每个暴露周期的3个平行试样测得的腐蚀深度数据取平均值，得到每个暴露周期试样的平均腐蚀深度d。
[0038]
3.1测试并计算平均腐蚀深度与腐蚀损伤程度
[0039]
分别对暴露不同周期的7a04铝合金试样进行腐蚀深度测量及平均腐蚀深度和腐蚀损伤程度的计算，结果如表2：
[0040]
表2协同作用下7a04铝合金平均腐蚀深度及腐蚀损伤程度计算结果
[0041][0042]
其中，暴露不同周期试样的腐蚀损伤程度d根据式(1)计算：
[0043][0044]
在式(1)中，d为暴露不同周期试样的平均腐蚀深度，h0为试样的初始厚度。
[0045]
3.2分级处理
[0046]
将7a04铝合金试样按照hb 5455-1990给出的腐蚀等级标准进行分级处理，结果如表3：
[0047]
表3腐蚀损伤程度分级处理
[0048][0049][0050]
4、对暴露不同周期的7a04铝合金试样进行拉伸试验
[0051]
分别测试暴露不同周期3个平行样的抗拉强度和断后伸长率，并计算得到不同周期试样的抗拉强度和断后伸长率的平均值。分别计算这两种力学性能的损失率，结果见表4：
[0052]
表4协同作用下铝合金抗拉强度及断后伸长率损失率
[0053][0054]
其中，暴露不同周期试样的抗拉强度损失率ηα、断后伸长率损失率ηβ分别根据式(2)和式(3)计算：
[0055][0056][0057]
式中，n
α
、n
β
分别是暴露不同周期试样的平均抗拉强度和平均断后伸长率，n
α,0
、n
β,0
分别是试样的初始抗拉强度和断后伸长率
[0058]
5、分级量化关系
[0059]
根据腐蚀等级与腐蚀损伤程度所对应的抗拉强度和断后伸长率损失率，因此本实施例确定的分级量化关系如表5所示：
[0060]
表5分级量化关系
[0061]
暴露时间(月)腐蚀等级腐蚀损伤程度抗拉强度损失率断后伸长率损失率1n0.33％0.52％4.17％3p0.85％1.42％33.33％5ea1.04％3.01％41.67％6eb1.63％3.91％58.33％9ec3.22％14.92％83.33％12ed11.25％17.79％100.00％
[0062]
实施例2
[0063]
在本实施例中，对7a04铝合金材料加载静态弹性应力水平为0.6σs(343mpa)，同时将试样放置于境海洋大气环境中开展暴露试验，试验环境与装置均与实施例1相同。试验时间：3、6、9、12个月。验证上述建立的腐蚀等级与腐蚀损伤程度和抗拉强度损失率、断后伸长率损失率之间的分级量化关系是否合理，步骤如下：
[0064]
1、对7a04铝合金试样进行腐蚀深度测量并计算其腐蚀损伤程度，根据分级量化关系确定其腐蚀等级，见表6。
[0065]
表6试样腐蚀等级确定
[0066]
暴露时间(月)腐蚀深度(μm)腐蚀损伤程度对应腐蚀等级313.330.53％p635.771.43％ea953.502.14％eb1295.503.82％ec
[0067]
2、根据已经建立的分级量化关系，利用7a04铝合金试样在表6中对应的腐蚀损伤等级预测试样的抗拉强度损失率和断后伸长率损失率，见表7。
[0068]
表7抗拉强度及断后伸长率数据预测
[0069][0070]
3、对7a04铝合金试样进行拉伸试验，测定其实际抗拉强度损失率和断后伸长率并计算二者的损失率试验值，测试结果见表8。
[0071]
表8抗拉强度及断后伸长率试验数据
[0072]
暴露时间(月)抗拉强度损失率(试验值)断后伸长率损失率(试验值)31.15％25.00％62.69％33.33％94.71％50.00％1214.82％83.33％
[0073]
4、将预测理论值与试验所得数据进行对比验证分级量化方法的合理性，结果见表9。
[0074]
表9实验值与理论值的对比分析
[0075][0076]
对比分析抗拉强度损失率和断后伸长率损失率的预测值与试验值，可以发现，总体来说试验值相对于预测值差别较小。本发明所提供的一种海洋大气环境与静态弹性应力协同作用下铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法是合理、准确的，能根据腐蚀损伤级别对铝合金材料的抗拉强度损失率和断后伸长率损失率的变化情况做出预测和判断，工程适用性较好。
[0077]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、进行铝合金结构材料的自然环境暴露试验：铝合金试样全天候地放置于海洋大气环境中进行自然环境暴露试验，同时对试样施加静态弹性应力，试验周期分别为1、3、5、6、9和12个月；s2、将s1中暴露不同周期的试样按照hb 5455-1990给出的腐蚀等级标准进行分级；s3、测量s1中暴露不同周期试样的腐蚀深度；s4、对暴露不同周期的试样进行拉伸性能测试；s5、根据下式(1)计算暴露不同周期试样的腐蚀损伤程度d：式(1)中，d为暴露不同周期试样的平均腐蚀深度，h0为试样的初始厚度；s6、根据下式(2)和式(3)计算暴露不同周期试样的抗拉强度损失率η
α
、断后伸长率损失率η
β
：：式中，n
α
、n
β
分别是暴露不同周期试样的平均抗拉强度和平均断后伸长率，n
α,0
、n
β,0
分别是试样的初始抗拉强度和断后伸长率；s7、确定腐蚀损伤量化分级、腐蚀损伤程度d分别与抗拉强度损失率η
α
和断后伸长率损失率η
β
之间的关系。2.根据权利要求1所述的铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，其特征在于，所述步骤s1中，施加的静态弹性应力水平为0.8σ
s
，其中，σ
s
为试样初始的屈服强度。3.根据权利要求1所述的铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，其特征在于，所述步骤s3中，利用observer.a1m型金相显微镜测量s1中暴露不同周期试样的腐蚀深度。4.根据权利要求3所述的铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，其特征在于，所述步骤s3中，将试样镶嵌于环氧树脂中，经过打磨以及抛光后进行观测，每个暴露周期均取3个平行试样测得的腐蚀深度数据取平均值，得到每个暴露周期试样的平均腐蚀深度。5.根据权利要求4所述的铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，其特征在于，所述步骤s3中，采用砂纸进行打磨。6.根据权利要求4所述的铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，其特征在于，所述步骤s3中，采用金刚石浆料进行抛光。7.根据权利要求1所述的铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，其特征在于，所述步骤s4中，每个暴露周期均取3个平行试样进行拉伸性能测试，得到试样的抗拉强度和断后伸长率，并分别对其取平均值，获得每个暴露周期试样的抗拉强度和断后伸长率的平均值。

技术总结
本发明属于金属材料腐蚀损伤评估技术领域，涉及一种铝合金结构材料的腐蚀损伤分级量化方法，包括以下步骤：S1、进行铝合金结构材料的自然环境暴露试验；S2、将暴露不同周期的试样按照HB 5455-1990给出的腐蚀等级标准进行分级；S3、测量暴露不同周期试样的腐蚀深度；S4、对暴露不同周期的试样进行拉伸性能测试；S5、计算暴露不同周期试样的腐蚀损伤程度D；S6、计算暴露不同周期试样的抗拉强度损失率η


技术研发人员：王彬 周洁 刘杰 刘春苗
受保护的技术使用者：鲁东大学
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/8