高强铝合金盐雾腐蚀研究开题报告
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毕业设计(论文)开题报告
题目:7xxx铝合金的盐雾腐蚀研究
系别材料科学与工程
专业材料科学与工程
班级8090226
姓名王冬冬
指导教师权力伟
2011年6月21日
一、选题的背景及研究的目的和意义
铝合金密度低,但强度比较高,塑性好,可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业上广泛使用,使用量仅次于钢。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展,铝合金作为一种有色金属结构材料在航空、航天领域发挥着越来越重要的作用。各种飞机都以铝合金作为主要结构材料,占飞机结构重量的60%~80%[1]。飞机上的蒙皮、梁、肋、桁条、隔框和起落架都可以用铝合金制造。航天飞机的乘员舱、前机身、中机身、后机身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼都是用铝合金制做的。各种人造地球卫星和空间探测器的主要结构材料也都是铝合金,其中高强度铝合金的应用尤为重要。
高强度铝合金中7xxx系列铝合金有最高强度,代表型号7B04,主要含有锌元素。Al-Zn-Mg-Cu 系超高强度铝合金是20世纪60年代以航空航天用材为背景研制并发展起来的一类高性能铝合金,具有轻质、高强、高韧和低成本等一系列优点,广泛应用于航空、交通运输、舰艇和兵器等领域,具有极高的应用价值,受到世界各国的高度重视。铝镁锌铜合金是可热处理合金,属于超硬铝合金,有良好的耐磨性也有良好的焊接性,但耐腐蚀性较差。适当控制合金中锌和镁的比例,可添加铜、锰等元素后,将进一步提高合金强度,改善塑性和耐应力腐蚀性能。其中锌和镁含量的比值及锌、镁、铜含量的总和不同,合金的性能也不同。锌和镁含量的比值增加,合金的热处理效果增大,强度提高,但应力腐蚀敏感性增大。当锌、镁、铜含量的总和大于9%(质量)时,合金的拉伸强度最高。
大气腐蚀是指暴露在空气的材料与空气中的水和氧气等发生化学和电化学的作用所引起的腐蚀,它是腐蚀中最普遍的一种[2]。金属的大气腐蚀造成的经济损失尤为
严重,据统计全世界在大气中使用的钢材一般超过其生产总量的60%,腐蚀损失占总损失量的50%以上。我国1995年的统计表明,因腐蚀直接造成的经济损失己高达1500亿人民币,约占国民生产总值的4%[3]。高强铝合金在沿海湿热、高盐分的环境中相当敏感,容易发生点腐蚀,形成腐蚀损伤。腐蚀损伤造成材料疲劳性能下降,严重影响了飞机的疲劳寿命。高强铝合金的大气腐蚀不仅使维护和维修的费用大大增加,而且缩短了飞机的寿命,甚至引起灾难性后果。
大气腐蚀暴露试验是一种接近使用环境的较可靠的腐蚀试验方法, 试验结果也接近真实使用情况[4]。但是, 试验周期长, 尤其对于设计寿命有几十年的飞机结构件来说, 为得到全面的腐蚀使用数据, 可能需数年或更长时间。几十年来, 工程设计和腐蚀与防护界都在期望由实验室内的短期加速腐蚀试验结果来推测户外长期暴露试验结果, 为此提出了许多加速试验方法。例如使用酸性盐雾环境对航空常用高强度铝合金材料进行加速腐蚀试验, 并从腐蚀机理、腐蚀产物结构、试样外观表现及腐蚀动力学规律等方面与大气腐蚀试验相比较, 证明该加速方法对铝合金腐蚀试验的可靠性。考虑到真实的结构使用环境是复杂多变的, 如降雨、凝露、光照、大风等多样的天气以及温度、湿度、气压等的变化, 真实环境中还会存在电磁环境因素和生物环境因素的影响; 所以加速腐蚀试验不可避的有一定的模拟偏差[5]。通过对腐蚀试件的力学性能进行测试, 讨论试验条件对试样的力学性能的影响,进而从腐蚀对结构件造成的损伤等效的角度对加速腐蚀进行研究。研究典型高强铝合金试样的腐蚀行为,进而确定点腐蚀损伤对高强铝合金材料疲劳性能的影响,对于老龄飞行器的定寿、延寿和新型飞行器的设计、改进都有较为重要的指导意义[6]。
二、国内外在该方向的研究现状及分析
目前,对于高强铝合金的腐蚀行为研究主要局限于盐雾试验。
盐雾腐蚀试验方法可分成两大类: 天然环境暴露试验和人工加速模拟盐雾环境试验。天然环境暴露试验是将样品放在某一典型气候区域,在贮存环境下考样品的耐盐雾腐蚀性情况。天然环境暴露试验的周期一般很长, 需要几年甚至十几年,同时, 需要试验人员长期进行检查和记录, 所需人力、财力、物力较大。其试验结果也只适用部分地区, 在另一些地区则可能不适用。人工加速模拟环境试验是利用具有一定容积空间的试验设备盐雾试验箱, 在其容积空间内用人工方法造成盐雾环境, 对元器件的耐盐雾腐蚀性能质量进行考核。它弥补了天然环境暴露试验的不足,通过提高盐雾环境中氯化物的浓度, 使腐蚀速度大大提高, 得出结果的时间也缩短了很多。
人工模拟盐雾环境试验, 使样品的耐盐雾腐蚀质量不受自然环境条件的影响, 因此得到了较快的发展, 从单一的氯化钠盐雾试验发展成为多种类型试验[7]。盐雾试验可分为4 类: 中性盐雾试验, 醋酸盐雾试验, 铜加速醋酸盐雾试验, 交变盐雾试验。中性盐雾试验( NSS) 是最早出现的人工模拟盐雾试验, 也是目前应用最广的一种试验方法。国际标准化组织( ISO) 、国际电工委员会( IEC) 及工业发达国家和我国的产品标准大都规定中性盐雾试验为产品标准盐雾腐蚀质量项目的试验方法。中性盐雾试验模拟的环境条件相似于沿海地区的大气环境,试验可以揭示元器件镀层存在的缺陷, 以及不符合质量要求的工艺处理, 对同一种镀层采用不同方法处理的质量评价也可以得出较满意的效果。
室内加速试验又可分为四类:连续盐雾试验,循环盐雾试验,周期浸润实验,室内综合加速实验。
铝合金材料构件在海洋大气环境服役过程中不可避免地会遭受不同程度的腐蚀损伤,主要腐蚀形式有点腐蚀、应力腐蚀等。点腐蚀会造成高强铝合金构件的疲劳性能下降,引起断裂等事故的发生。这主要是由于腐蚀损伤加速了表面疲劳源的产
生和疲劳裂纹的扩展,而缩短了飞机结构部件的疲劳寿命及其剩余强度。已有很多学者研究了铝合金材料在海洋大气环境中的点腐蚀、应力腐蚀特征和规律,这些为航空等工业应用高强铝合金材料提供了设计依据。在研究铝合金材料的腐蚀中,大量的工作是针对铝合金所处的环境(温度、湿度、介质成分等)与腐蚀规律、铝合金的腐蚀类型及机理等,而铝合金材料的面积因素对点腐蚀的影响规律研究得较少。飞机在长期使用的过程中防护涂层不同程度的脱落、划痕及零件接合部位的磨损都会使铝合金材料产生不同面积的暴露,这会影响铝合金结构件的腐蚀行为。因此研究高强铝合金材料在盐水环境下的暴露面积对点腐蚀行为的影响以及腐蚀规律也是现在研究的方向之一。
绝大多数的金属设备( 设施) 使用到一定程度其性能都会因腐蚀而受到影响, 出于安全性、经济性考虑, 腐蚀寿命的预测和评估已逐渐成为研究的重点[8]。在铝合金构件的服役过程中, 局部腐蚀往往是导致其失效的主要原因, 而其中高强铝合金的应力腐蚀开裂( stress corrosion cracking, SCC) 问题尤为突出。60年前, 德国齐柏林飞艇的铝合金构件发生了应力腐蚀, 甚至美国阿波罗登月舱和巨型土星火箭也出现了类似的应力腐蚀破裂。直到如今研制生产的先进喷气飞机仍然存在这类铝合金的应力腐蚀问题。应力腐蚀的特点是材料构件在断裂破坏前没有明显的预兆, 故其破坏性和危害性极大。因此, 铝合金应力腐蚀开裂一直倍受人们关注, 多年来国内外研究者在这方面做了大量的工作, 并在铝合金的SCC 机理、影响因素及控制手段等方面已取得了较大进展和成果。
盐雾对金属材料的腐蚀是以电化学方式进行的, 主要是导电的盐溶液渗入金属内部发生电化学反应, 形成低电位金属-电解质溶液-高电位杂质的微电池系统, 发生电子转移, 作为阳极的金属出现溶解, 形成新的化合物, 即腐蚀物。金属保护层和