高压氢气对6061铝合金力学性能的影响

高压氢气对6061铝合金力学性能的影响郑津洋;崔天成;顾超华;张鑫;付海龙【摘要】6061铝合金是铝内胆、碳纤维、全缠绕气瓶的重要原材料，其氢气相容性直接影响气瓶的安全可靠性，但目前缺少国产6061铝合金的氢气相容性数据.为研究高压氢气对国产6061铝合金力学性能的影响，选取2种热处理工艺的国产6061铝合金在高压氢气环境下进行慢应变速率拉伸试验和疲劳裂纹扩展试验.试验结果表明，国产6061铝合金具有良好的氢气相容性，氢气对慢应变速率拉伸性能和疲劳裂纹扩展性能的影响均较小.同时，热处理工艺对6061铝合金氢脆敏感性无明显影响.％The6061aluminumalloyisanimportantrawmaterialforaluminumlinercarbonfiberfull-wrappedcompositegascylinders,whosehydrogencompatibilitydeterminestoagreatdegreethesafetyandreliabilityofgascylinders.However,thedataislackinginChinaconcerningitshydrogencompatibility.Inordertoinvestigatetheeffectsofhighpressurehydrogenonthemechanicalpropertiesofthedomesticallyfabricated6061aluminumalloy,theslowstrainratetestsandfatiguecrackgrowthratetestsforitwerecarriedoutundertwoheattreatmentconditions.Thetestresultsshowthatthe6061aluminumalloyhasgoodcompatibilitywithhydrogen,andhydrogenhaslittleeffectonitsslowstrainratetensilepropertiesandfatiguecrackgrowthproperties.Meanwhile,itwasalsofoundthatheattreatmenthaslittleinfluenceonitshydrogenembrittlementsensitivity.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷)，期】2017(031)005【总页数】6页(P505-510)【关键词】6061铝合金;力学性能;高压氢气;热处理工艺【作者】郑津洋;崔天成;顾超华涨鑫;付海龙【作者单位】浙江大学化工机械研究所，浙江杭州310027;浙江大学化工机械研究所，浙江杭州310027;浙江大学化工机械研究所，浙江杭州I310027;浙江大学化工机械研究所，浙江杭州I310027;浙江大学化工机械研究所，浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TG146.21引言由于能源危机的日益加剧，氢作为可再生新能源，因其燃烧热值高、产物无污染等诸多优点而受到广泛的重视。随着氢能汽车的发展，氢气的储存问题成为制约氢燃料电池汽车发展的重要因素。我国目前车载高压储氢气瓶使用的是铝内胆、碳纤维、全缠绕气瓶，其内胆材料为6061铝合金。6061铝合金是一种在国际上被广泛认为具有良好氢气相容性的材料［1-2］,但由于各国标准对6061铝合金化学成分的限制和材料生产工艺与热处理工艺均存在一定差异，使6061铝合金的材料性能与氢气相容性会产生一定变化。关于6061铝合金的氢气相容性，国外尤其是日本对6061铝合金进行了较为系统的研究。DouRuiz等［3］对3种时效温度的6061铝合金进行电化学充氢处理，通过拉伸试验发现，长时间(96h)充氢的6061铝合金不仅有氢脆产生，同时其断口形貌也发生了略微转变。Yamada等［4］通过充氢6061铝合金试样的慢应变速率拉伸试验发现，6061铝合金在充氢后会出现韧性下降，这是由试样表面晶间断裂率上升导致的。Osaki等［5］在70MPa氢气环境下对6061铝合金进行拉伸试验，6061铝合金在高压氢环境下未见明显氢脆。Hagihara［6］、Oda［7］等均运用原位测试方法对1.0MPa和0.18MPa氢气环境下6061铝合金进行疲劳裂纹扩展试验，发现随着加载频率下降6061铝合金在氢气环境下的疲劳裂纹扩展速率有小幅上涨。Tamura等［8］在45MPa氢气环境下对6061铝合金进行了拉伸试验、疲劳试验等，发现6061铝合金在氢气环境下的各项力学性能均与空气中的数据相似。Ohmiya等［9］在45MPa氢气环境下对6061铝合金进行了轴向S-N疲劳测试，发现6061铝合金在氢气与空气中的疲劳寿命接近。综上可以发现，6061铝合金的氢气相容性随试验条件改变会产生一定变化。同时，国外尚未针对不同热处理工艺的6061铝合金在70MPa以上氢气环境下进行研究，并且国内目前暂无国产6061铝合金在氢气环境下的力学性能数据。因此，为确保国产铝内胆、碳纤维、全缠绕气瓶的安全可靠，对高压氢环境下不同热处理工艺的国产6061铝合金力学性能进行研究显得尤为重要。本研究参照ANSI/CSACHMC1［10］对2种热处理工艺的国产6061铝合金在87.5MPa高纯氢气环境下进行慢应变速率拉伸试验和疲劳裂纹扩展试验，获得了2种热处理工艺的6061铝合金在高压氢气环境下的抗拉强度、断后伸长率、疲劳裂纹扩展速率等力学性能参数，并通过扫描电子显微镜(SEM)分析光滑圆棒试样断口微观形貌，最后通过对比分析得到高压氢气对国产6061铝合金力学性能的影响。本研究对国产铝内胆、碳纤维、全缠绕气瓶的安全使用具有重要意义。2试验2.1试样制备试验选取的6061铝合金棒材和板材分别符合YS/T67［11］和GB/T3880［12］的要求，其化学成分见表1和表2。表16061铝合金棒材化学成分Table1Chemicalcompositionof6061aluminiumalloybar(%)SiFeCuMnMgCrZnTiPbBiOthersAl0.690.220.290.0701.050.230.0130.0300.001<0.0003<0.1597.4表26061铝合金板材化学成分Table2Chemicalcompositionof6061aluminumalloysheet(%)SiFeCuMnMgCrTiAl0.650.360.300.004097.4表36061铝合金热处理工艺Table3Heattreatmentof6061aluminumalloyTeamSolutiontemperature/(°C)Solutiontime/(h)Agingtemperature/(°C)Agingtime/(h)A54621808B54622401从满足指标(Rm2310MPa,Rp,0.2>264MPa,A>12%)的6061铝合金热处理工艺中选取A、B两组时效处理差异较大的热处理工艺，如表3所示。图1(a)为慢应变速率拉伸光滑圆棒试样，取自6061铝合金棒材，用于测量6061铝合金拉伸力学性能。图1(b)为疲劳裂纹扩展紧凑拉伸试样，取自6061铝合金板材，用于测量6061铝合金疲劳裂纹扩展速率。图1试样尺寸(单位：mm)Fig.1Samplesize(Unit:mm)2.2试验方法图2氢气与材料相容性测试系统Fig.2Hydrogenandmaterialcompatibilitytestsystem慢应变速率拉伸试验和疲劳裂纹扩展试验的设备均采用自主研发的氢气与材料相容性测试系统，如图2所示。该系统最高工作压力为140MPa，最大静态加载能力为120kN，控制系统为DOLIEDC580，应用软件为Test&MotionSoftware。紧凑拉伸试样采用常温引伸计Epsilon3541-005M-040M-ST(标距5mm，轴向测量范围-1.0~+4.0mm)测量裂纹尖端开口位移。扫描电子显微镜采用VEGA3TESCAN。慢应变速率拉伸试验和疲劳裂纹扩展试验的夹具均采用可自对中的夹具，防止轴不对中对试样产生额外载荷。试验温度为常温，试验介质为87.5MPa压力条件下的99.999%纯度的氢气，另取相同压力条件与纯度的氩气为试验对照组。慢应变速率拉伸试验采用位移控制，加载速率为0.1mm/min，应变率为6.7x10-5s-1。疲劳裂纹扩展试验采用载荷控制，正弦波加载。预制裂纹载荷从13kN降至12kN，预制裂纹频率为1Hz,预制裂纹长度为4mm,应力比为0.1;加载载荷为11kN，加载频率为1Hz,应力比为0.1。3试验结果与分析图3应力-应变曲线Fig.3Strain-stresscurve3.1慢应变速率拉伸试验A、B两组6061铝合金光滑圆棒试样在氢气和氩气环境下均做3组平行试验，各选取1组典型值进行分析。应力-应变曲线如图3所示，处理得到的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率以及断面收缩率如表4所示。由于6061铝合金中的Cu元素降低了氢脆敏感度，Cr元素细化了晶粒并且降低了晶间开裂敏感度[13],所以6061铝合金具有较低的氢脆敏感度。因此，从图3可以发现氢气对6061铝合金的弹性、屈服和强化阶段均无明显影响，氢气对颈缩阶段的影响与试验误差有一定关系。同时，当热处理工艺发生改变时，6061铝合金的氢脆敏感度无明显变化。表46061铝合金力学性能Table4Mechanicalpropertiesof6061aluminumalloyTeamTensilestrength/(MPa)Yieldstress/(MPa)Elongationafterfracture/(%)Reductionofarea/(%)A-H2350.5302.116.4441.41A-Ar355.3309.517.0941.91B-H2352.1316.713.8938.89B-Ar352.9320.715.4140使用氢气比氩气的相对值作为评价氢脆敏感度的指标。从表4可以看出,氢气对A、B两组6061铝合金的屈服强度和抗拉强度的影响均小于3%。通过计算得到A组的相对断面收缩率为0.988，B组的相对断面收缩率为0.972。按照ANSI/CSACHMC1[10]对于材料氢气相容性的判断标准：相对断面收缩率大于0.90即可认定该材料适合在氢气环境下使用，因此2组热处理工艺的国产6061铝合金适合在氢气环境下使用。A、B两组6061铝合金的相对断后伸长率均大于0.9也表明国产6061铝合金无明显氢致塑性损减现象。热处理工艺改变时，热处理工艺对材料性能产生一定影响，但氢气对不同热处理工艺的铝合金屈服强度、抗拉强度、断面收缩率等性能的影响无明显变化。为进一步探究高压氢气对慢应变速率拉伸性能的影响，对6061铝合金光滑圆棒试样的断口形貌运用扫描电子显微镜(SEM)进行拍摄，见图4。由图4可知，A、B两组6061铝合金在氢气环境下的断裂形式为韧性断裂，断口未出现任何脆性断裂的痕迹。中心部分由于应力三轴度比较大，故形成等轴状韧窝[14]。由于氢在常温下铝中的扩散速率为2.3x10-11m2/s[15],所以氢较难渗入材料中心区域，因此6061铝合金中心区域在氢气环境下的微观组织对比其在氩气环境下的表现出较好的相似性，韧窝尺寸和分布无明显差异。图5为断口边缘的微观形貌图，由于断口边缘与氢气直接接触，且存在裂纹尖端应力集中而偏聚的氢，所以断口边缘处的氢浓度会更高，更能体现6061铝合金的抗氢脆特性。从图5可以发现，高压氢气对断口边缘处的微观组织未产生明显影响。当热处理工艺改变时，氢气对6061铝合金中心区域和断口边缘的微观组织的影响仍较弱。图4光滑圆棒试样断口中心Fig.4Fracturesurfacesatthecenterofsmoothspecimen图5光滑圆棒试样断口边缘Fig.5Fracturesurfacesattheedgeofsmoothspecimen3.2疲劳裂纹扩展试验图6疲劳裂纹扩展速率曲线Fig.6FatiguecrackgrowthratecurveA、B两组6061铝合金紧凑拉伸试样在氢气和氩气环境下各做3组平行试验，选取1组典型值进行分析。应力强度因子在18~38MPa・m1/2范围内的疲劳裂纹扩展速率如图6所示。由于疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系曲线在双对数坐标系下近似线性，所以可以使用Paris模型进行拟合da/dN=C(AK)m(1)式中:da/dN为裂纹扩展速率，C为材料常数MK为应力强度因子，m为材料常数。拟合结果如表5所示，R2为拟合相关系数，R2越接近于1,表明拟合的曲线效果越好，由此可见Paris模型可以很好地描述6061铝合金在氢气环境下疲劳裂纹扩展速率与应力强度因子的关系。表5Paris模型拟合结果Table5FittedresultsofParismodelTeamC/(10-10)mR2A-H24.762.360.994A-Ar5.752.390.997B-H20.423.030.991B-Ar4.092.450.984虽然试样在氢气环境中发生裂纹扩展时会出现氢致局部塑性流动，但由于6061铝合金中的Cu和Cr元素大大降低了氢脆敏感性以及较低的氢扩散速率，所以A、B两组6061铝合金在氢气和氩气环境下的疲劳裂纹扩展速率较为接近。试验结果中出现的氢环境下的疲劳裂纹扩展速率略低于氩气环境下的疲劳裂纹扩展速率是氢气会增加弓I伸计测量误差导致的，使氢环境下测量数据偏低。当热处理工艺改变时，氢气对铝合金疲劳裂纹扩展速率的影响无明显变化。4结论虽然仅对2种热处理工艺的国产6061铝合金在氢气环境下进行了慢应变速率拉伸试验和疲劳裂纹扩展试验，但由于选取的2种热处理工艺参数(时效温度与时效时间)差异较大，从而使本研究结论在热处理工艺参数发生较大范围变化时仍然具有较好的适用性。通过对比分析试验数据，发现国产6061铝合金的氢脆敏感性较低，在87.5MPa氢气下具有较好的强度、塑性和韧性，且慢应变速率拉伸性能和疲劳裂纹扩展性能与氩气中的性能接近。当热处理工艺发生改变时，氢气对慢应变速率拉伸性能和疲劳裂纹扩展性能的影响无明显变化。References:LOUTHANMR,CASKEYGR.Hydrogentransportandembrittlementinstructuralmetals[J].IntJHydrogEnerg,1976,1(76):291-305.KAWAMOTOK,ODAY,NOGUCHIH.Fatiguecrackgrowthcharacteristicsandeffectsoftestingfrequencyonfatiguecrackgrowthrateinahydrogengasenvironmentinafewalloys[J].MaterSciForum,2008,567-568(2):329-332.DOURUIZMA,CORTESUREZVJ,LPEZPERRUSQUIAN,etal.EffectofhydrogenonmechanicalpropertiesofaluminumAA6061alloyhardenedbyprecipitation[J].MrsProceedings,2012:1373.YAMADAH,HORIKAWAK,TANIGAKIK,etal.Impacttensilepropertiesof6061and7075aluminumalloysaffectedbyenvironmentalhydrogen[J].TransJapSocMechEngA,2009,75:1630-1638.OSAKIS,MAEDAN,KINOSHITAK,etal.Embrittlementpropertiesofaluminumalloys7075and6061inhigh-pressuregaseoushydrogen[J].TransJapSocMechEngA,2009,75:366-372.HAGIHARAA,ODAY,NOGUCHIH.Influenceoftestingfrequencyonfatiguecrackgrowthof6061T6aluminumalloyinhydrogengasenvironment[J].KeyEngMater,2007,353-358:174-177.ODAY,NOGUCHIH,HIGASHIDAK.LoadingfrequencyeffectonfatiguecrackgrowthrateinlowpressurehydrogengasinthecaseofA6061-T6aluminumalloy[J].JSolidMechMaterEng,2011,5(11):599-609.TAMURAM,SHIBATAK.Evaluationofmechanicalpropertiesofmetalsat45MPahydrogen[J].JJapInstMetals,2005,69(12):1039-1048.OHMIYAS,FUJIIH.Fatiguepropertiesoflinermaterialsusedfor35MPa-class