馬少華１,費昺強１,周 松２,回 麗１

(沈陽航空航天大學 １．機電工程學院;２．航空制造工藝數(shù)字化國防重點實驗室,沈陽 １１０１３６)

摘 要:采用掃描電鏡分析和疲勞試驗等方法,研究了腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對７XXX 鋁合金細節(jié)疲勞性能的影響,并探討了對疲勞裂紋萌生和擴展的影響機理.結(jié)果表明:腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對７XXX鋁合金細節(jié)疲勞性能的影響較為顯著;以未腐蝕試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值為基準,預(yù)腐蝕４８h試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為９７％,未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕４８h試樣在鹽水環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率分別為７３％和６７％.

關(guān)鍵詞:鋁合金;腐蝕預(yù)損傷;鹽水環(huán)境;細節(jié)疲勞額定強度截止值

中圖分類號:O３４６;V２１６ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０５Ｇ００６３Ｇ０５

InfluenceofPreＧcorrosionDamageandSalineEnvironmenton

DetailFatiguePropertyofAluminumAlloy

MAShaohua１,FEIBingqiang

１,ZHOUSong

２,HUILi１

(１．CollegeofElectromechanicalEngineering;２．KeyLaboratoryofFundamentalScienceforNationalDefenseof

AeronauticalDigitalManufacturingProcess,ShenyangAerospaceUniversity,Shenyang１１０１３６,China)

Abstract:TheeffectsofpreＧcorrosiondamageandsalineenvironmentonthedetailfatiguepropertyof７XXX

aluminumalloywereinvestigatedbySEManalysisandfatiguetests．InfluencemechanismofpreＧcorrosiondamage

andsalineenvironmentontheinitiationandpropagationoffatiguecrackwasalsodiscussed．Theresultsshowthat

preＧcorrosiondamageandsalineenvironmenthadsignificanteffectsonthe detailfatigue property of７XXX

aluminumalloy．Thedetailfatigueratingcutoffvalueforuncorrodedsampletestedinlabairwaschosenasa

benchmark,thedetailfatigueratingcutoffvalueretentionratesfor４８hpreＧcorrodedsampleinlabair,uncorroded

sampleinsalineenvironmentand４８hpreＧcorrodedsampleinsalineenvironmentwere９７％,７３％ and６７％,

respectively．

Keywords:aluminumalloy;preＧcorrosiondamage;salineenvironment;detailfatigueratingcutoffvalue

０ 引 言

    民用飛機耐久性設(shè)計廣泛采用的細節(jié)疲勞額定值(DFR)方法是在２０世紀８０年代由美國波音公司提出的,經(jīng) 過 不 斷 發(fā) 展 成 為 一 種 快 速 疲 勞 分 析 方法[１Ｇ２].細節(jié)疲勞額定值是指在應(yīng)力比 R 為０．０６、置信度為９５％、可靠度為９５％的條件下,結(jié)構(gòu)能承受１０５ 周次循環(huán)所對應(yīng)的最大名義應(yīng)力值(疲勞強度),其上限稱為細節(jié)疲勞強度截止值,下限為結(jié)構(gòu)允許使用的最小細節(jié)疲勞強度值[３Ｇ４].細節(jié)疲勞額定值主要用于評定結(jié)構(gòu)以及其所采用材料的抗疲勞能力,不受載荷變化的影響,因此該值是評價材料固有疲勞特征與結(jié)構(gòu)固有疲勞特征的重要參數(shù).也正是由于此原因使得細節(jié)疲勞額定值方法成為評估細節(jié)疲勞壽命最行之有效的方法之一,并逐漸獲得了民機疲勞壽命和耐久性設(shè)計人員的青睞[５].

    飛機經(jīng)常在雨水、鹽霧、海水、潮濕空氣等腐蝕性環(huán)境 和 交 變 載 荷 共 同 作 用 的 “復(fù) 合 環(huán) 境”下 使用[６].腐蝕損傷是飛機結(jié)構(gòu)在整個服役階段損傷的主要模式,隨著飛機的老齡化,腐蝕損傷對飛行安全的威脅越來越大[７].飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量和使用條件(載荷和使用環(huán)境),而細節(jié)疲勞性能決定了結(jié)構(gòu)質(zhì)量.因此,對不同環(huán)境下飛機結(jié)構(gòu)的細節(jié)疲勞性能進行研究具有重要的工程實際意義.

近年來,國內(nèi)外的眾多學者在鋁合金腐蝕預(yù)損傷、腐蝕疲勞和結(jié)構(gòu)細節(jié)疲勞性能等方面進行了許多研究,但都是單獨對某一方面進行研究,將兩者結(jié)合起來研究得還比較少.陳先民等[８]為了將細節(jié)疲勞額定值法應(yīng)用于含多相似疲勞細節(jié)結(jié)構(gòu)的疲勞分析,依據(jù)細節(jié)疲勞額定值法和系統(tǒng)可靠性模型,建立了含多相似疲勞細節(jié)結(jié)構(gòu)的細節(jié)疲勞額定值估算模型.康青山等[９]對２A１２ＧT４鋁合金進行了加速環(huán)境試驗,并通過疲勞試驗計算得到了細節(jié)疲勞額定強度,得到了其與停放時間的函數(shù)關(guān)系式.在腐蝕預(yù)損傷和腐蝕疲勞方面,張有宏[１０]對 LY１２CZ鋁合金進行了 預(yù) 腐 蝕 后 的 疲 勞 和 腐 蝕 疲 勞 試 驗,得 出SＧN 曲線,初步建立了腐蝕損傷與疲勞壽命降低之間的關(guān)系.宮 玉 輝 等[１１]研 究 了 不 同 腐 蝕 環(huán) 境 下７４７５ＧT７３５１鋁合金的疲勞性能及疲勞裂紋擴展速率.KIMBERLI等[１２Ｇ１４]對 ２０２４ 鋁合金及 ７０７５ 鋁合金的腐蝕損傷及疲勞壽命預(yù)測進行了研究.作者分別在實驗室空氣和鹽水環(huán)境中,對未腐蝕和預(yù)腐蝕４８h的７XXX 鋁合金試樣進行了疲勞試驗,研究了腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對鋁合金細節(jié)疲勞性能的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

    將７XXX鋁合金加工成細節(jié)疲勞額定強度截止值試樣,沿軋制方向取樣.７XXX 鋁合金的化學成分見表１.按標準 HB７１１０－１９９４«金屬材料細節(jié)疲勞額定強度截止值(DFRcutoff)試驗方法»的要求進行預(yù)制損傷,一邊用人工敲擊制作,另一對角邊用挫削制作,將加工好的試樣等分成四組.試樣的形狀及尺寸如圖１所示.對其中的兩組試樣進行預(yù)腐蝕處理,即將試樣完全浸泡于丙酮中,超聲清洗１５min后放置于專用夾具上通風晾干,隨后將其再浸泡于質(zhì)量分數(shù)為３．５％的NaCl溶液中,４８h后取出并去除表面的腐蝕產(chǎn)物,用去離子水清洗干凈后吹干備用.

      實驗室空氣環(huán)境的溫度為(２０±５)℃,相對濕度小于５０％.鹽水環(huán)境為采用 NaCl和去離子水配制而成的質(zhì)量分數(shù)為３．５％的 NaCl溶液,試驗時試樣完全浸沒于鹽水溶液中,腐蝕裝置內(nèi)的溶液為連續(xù)循環(huán),每周更換一次.按照金屬材料細節(jié)疲勞額定強度截止值試驗方法進行疲勞試驗,實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下的試驗頻率均為１０ Hz,加載波形為正弦波.將未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕４８h后的試樣分別在鹽水環(huán)境和實驗室空氣環(huán)境下進行應(yīng)力比R 為０．０６的疲勞試驗.采用４級成組法確定試樣的中值SＧN 曲線,試樣的數(shù)量滿足由變異系數(shù)確定的最小試驗個數(shù),中值疲勞壽命區(qū)間為 １×１０４ ~５×１０５,置信度 滿 足９５％.若試樣未在預(yù)制損傷部位斷裂或斷口上有明顯的冶金缺陷或其他缺陷,則試驗數(shù)據(jù)無效.

采用 NovaNanoSEM４５０型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的疲勞斷口形貌,分析腐蝕預(yù)損傷及鹽水環(huán)境對７XXX鋁合金細節(jié)疲勞性能的影響.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 疲勞性能

將未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕４８h的試樣在實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下進行疲勞試驗,試驗結(jié)果如表２所示.參照 HB/Z１１２－１９８６«材料疲勞試驗統(tǒng)計分析方法»對試驗數(shù)據(jù)進行處理,用小子樣數(shù)據(jù)估計母體參數(shù),根據(jù)式(１)~(４)分別計算未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕４８h試樣在實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下子樣的平均值x－ 、標準差S、子樣變異系數(shù)Cv 和中值疲勞壽命 N５０,結(jié)果列在表２中.

２．２ 雙點法求解細節(jié)疲勞額定強度截止值

根據(jù)式(５)和(６)求得置信度、可靠度均為９５％的疲勞壽命 N９５/９５,結(jié)果列于表３中.分別將不同狀態(tài)試樣及不同試驗環(huán)境下的 N９５/９５ 畫在縱、橫坐標分別為最大應(yīng)力和疲勞壽命的雙對數(shù)坐標系上,連接相應(yīng)兩個 N９５/９５點的直線與壽命 N ＝１０５ 交點的最大應(yīng)力即是該條件下試樣的細節(jié)疲勞額定強度截止值,如圖２所示,求得的細節(jié)疲勞額定強度截止值見表３.

式中:β 為特征壽命;SR 為可靠度系數(shù),SR ＝２．１;α為 Weibull分布函數(shù)的形狀參數(shù),對于鋁合金α＝４;R 為試驗所要求的可靠度,R＝９５％;ST 為標準試樣的試樣系數(shù),ST ＝１;SC 為置信度系數(shù),通過查表4可獲得。

從圖２及表３中數(shù)據(jù)可以看出,腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對鋁合金細節(jié)疲勞額定強度截止值的影響較大,且鹽水環(huán)境的影響更大.若以未腐蝕試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值為基準,則預(yù)腐蝕４８h試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為９７％,未腐蝕試樣在鹽水環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率

為７３％,預(yù)腐蝕４８h試樣在鹽水環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為６７％.

２．３ 腐蝕預(yù)損傷對鋁合金疲勞壽命的影響

從圖３中可以看出:在實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下,預(yù)腐蝕４８h試樣的疲勞壽命均低于未腐蝕試樣的疲勞壽命;與預(yù)腐蝕４８h試樣相比,未腐蝕試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)更加分散.同一條曲線在低應(yīng)力水平下的疲勞壽命數(shù)據(jù)比高應(yīng)力水平下的疲勞壽命數(shù)據(jù)更加分散.腐蝕預(yù)損傷會在試樣上留下腐蝕坑,腐蝕坑處的局部應(yīng)力急劇升高,在疲勞載荷作用下,預(yù)腐蝕處的應(yīng)力集中效應(yīng)加強,裂紋快速萌生,使得裂紋萌生階段占疲勞壽命的比例減少,因此疲勞性能下

降,疲勞壽命數(shù)據(jù)更加集中[１６].

圖３ 實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下腐蝕預(yù)損傷對７XXX

鋁合金疲勞SＧN 曲線的影響

Fig.３ InfluenceofpreＧcorrosiondamageonSＧN curvesof７XXX

aluminumalloyinlabair a andsalineenvironment b

２．４ 鹽水環(huán)境對鋁合金疲勞壽命的影響

從圖４中可以看出:未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕４８h試樣在鹽水環(huán)境下的疲勞壽命明顯低于實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命,且在低應(yīng)力幅值時這種差距更明顯;對于未腐蝕和預(yù)腐蝕４８h試樣,在實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命數(shù)據(jù)較鹽水環(huán)境下的更加分散.鹽水環(huán)境有效地助長了裂紋的起裂和擴展.在裂紋起裂階段,鹽水腐蝕造成試樣表面損傷,疲勞裂紋起裂得更快;鹽水環(huán)境對裂紋擴展的加速作用是

由裂紋擴展和鹽水腐蝕過程的交互作用造成的,鹽水進入裂紋尖端加速了裂紋擴展.因此,鹽水環(huán)境對鋁合金疲勞性能的影響更為顯著.

２．５ 疲勞斷口形貌

鹽水環(huán)境下產(chǎn)生的腐蝕坑使試樣的應(yīng)力集中效應(yīng)得到了加強,疲勞裂紋源在腐蝕坑底部萌生,大幅縮短了裂紋萌生的時間,縮了裂紋萌生壽命;在疲勞和鹽水腐蝕的交互作用下,裂紋尖端的循環(huán)滑移和破壞機制(解聚)使得裂紋加速擴展,所以７XXX鋁合金在鹽水環(huán)境下的疲勞性能大幅下降.

３ 結(jié) 論

(１)腐蝕預(yù)損傷及鹽水環(huán)境對７XXX鋁合金細節(jié)疲勞性能的影響較為顯著;以未腐蝕試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值為基準,預(yù)腐蝕４８h試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為９７％,未腐蝕試樣在鹽水環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為７３％,預(yù)腐蝕４８h試樣在鹽水環(huán)境下的細節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為６７％.

(２)在實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下,預(yù)腐蝕４８h試樣的疲勞壽命均低于未腐蝕試樣的疲勞壽命,且未腐蝕試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)相對分散.

(３)未腐蝕和預(yù)腐蝕４８h試樣在鹽水環(huán)境下的疲勞壽命明顯低于在實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命,且在低應(yīng)力幅值時這種差距更加明顯,實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命數(shù)據(jù)較鹽水環(huán)境下的更加分散.

３ 結(jié) 論

    (１)一次射流區(qū)空蝕坑底部的晶粒彎曲變形,而混合射流區(qū)的截面組織無明顯變化.

    (２)在一次射流區(qū),隨空化水射流沖蝕時間的延長,純銅表面的空蝕坑和空蝕針孔數(shù)量增多,晶粒形貌開始顯現(xiàn),同時出現(xiàn)大量的變形滑移帶;混合射流區(qū)在短時間內(nèi)出現(xiàn)大而淺的空蝕坑,且空蝕坑底部觀察到晶粒形貌,隨著時間延長整個混合射流區(qū)的晶粒形貌全部顯現(xiàn);空蝕坑是以空蝕針孔聚集導(dǎo)致少量金屬剝落這種形式長大的.

    (３)隨空化水射流沖蝕時間的延長,一次射流區(qū)和混合射流區(qū)的表面粗糙度均逐漸增大,且混合射流區(qū)的表面粗糙度大于一次射流區(qū)的.

    (４)混合射流區(qū)的硬化層厚度和近表層硬度均比一次射流區(qū)的大,硬化層厚度達到７００μm.