馬少華１,費(fèi)昺強(qiáng)１,周 松２,回 麗１

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) １．機(jī)電工程學(xué)院;２．航空制造工藝數(shù)字化國(guó)防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) １１０１３６)

摘 要:采用掃描電鏡分析和疲勞試驗(yàn)等方法,研究了腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對(duì)７XXX 鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響,并探討了對(duì)疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的影響機(jī)理.結(jié)果表明:腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對(duì)７XXX鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響較為顯著;以未腐蝕試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值為基準(zhǔn),預(yù)腐蝕４８h試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值

中圖分類號(hào):O３４６;V２１６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(jī)耐久性設(shè)計(jì)廣泛采用的細(xì)節(jié)疲勞額定值(DFR)方法是在２０世紀(jì)８０年代由美國(guó)波音公司提出的,經(jīng) 過(guò) 不 斷 發(fā) 展 成 為 一 種 快 速 疲 勞 分 析 方法[１Ｇ２].細(xì)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(duì)應(yīng)的最大名義應(yīng)力值(疲勞強(qiáng)度),其上限稱為細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度截止值,下限為結(jié)構(gòu)允許使用的最小細(xì)節(jié)疲勞強(qiáng)度值[３Ｇ４].細(xì)節(jié)疲勞額定值主要用于評(píng)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(píng)價(jià)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(xì)節(jié)疲勞額定值方法成為評(píng)估細(xì)節(jié)疲勞壽命最行之有效的方法之一,并逐漸獲得了民機(jī)疲勞壽命和耐久性設(shè)計(jì)人員的青睞[５].

    飛機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)在整個(gè)服役階段損傷的主要模式,隨著飛機(jī)的老齡化,腐蝕損傷對(duì)飛行安全的威脅越來(lái)越大[７].飛機(jī)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(xì)節(jié)疲勞性能決定了結(jié)構(gòu)質(zhì)量.因此,對(duì)不同環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)疲勞性能進(jìn)行研究具有重要的工程實(shí)際意義.

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的眾多學(xué)者在鋁合金腐蝕預(yù)損傷、腐蝕疲勞和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞性能等方面進(jìn)行了許多研究,但都是單獨(dú)對(duì)某一方面進(jìn)行研究,將兩者結(jié)合起來(lái)研究得還比較少.陳先民等[８]為了將細(xì)節(jié)疲勞額定值法應(yīng)用于含多相似疲勞細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的疲勞分析,依據(jù)細(xì)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(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)疲勞額定值估算模型.康青山等[９]對(duì)２A１２ＧT４鋁合金進(jìn)行了加速環(huán)境試驗(yàn),并通過(guò)疲勞試驗(yàn)計(jì)算得到了細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度,得到了其與停放時(shí)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(duì) LY１２CZ鋁合金進(jìn)行了 預(yù) 腐 蝕 后 的 疲 勞 和 腐 蝕 疲 勞 試 驗(yàn),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(kuò)展速率.KIMBERLI等[１２Ｇ１４]對(duì) ２０２４ 鋁合金及 ７０７５ 鋁合金的腐蝕損傷及疲勞壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究.作者分別在實(shí)驗(yàn)室空氣和鹽水環(huán)境中,對(duì)未腐蝕和預(yù)腐蝕４８h的７XXX 鋁合金試樣進(jìn)行了疲勞試驗(yàn),研究了腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對(duì)鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響.

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

    將７XXX鋁合金加工成細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值試樣,沿軋制方向取樣.７XXX 鋁合金的化學(xué)成分見(jiàn)表１.按標(biāo)準(zhǔn) HB７１１０－１９９４«金屬材料細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值(DFRcutoff)試驗(yàn)方法»的要求進(jìn)行預(yù)制損傷,一邊用人工敲擊制作,另一對(duì)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(duì)其中的兩組試樣進(jìn)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(fēng)晾干,隨后將其再浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境的溫度為(２０±５)℃,相對(duì)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?jǐn)?shù)為３．５％的 NaCl溶液,試驗(yàn)時(shí)試樣完全浸沒(méi)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(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值試驗(yàn)方法進(jìn)行疲勞試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)力比R 為０．０６的疲勞試驗(yàn).采用４級(jí)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(yàn)個(gè)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(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)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(duì)７XXX鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響.

２ 試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下進(jìn)行疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表２所示.參照 HB/Z１１２－１９８６«材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析方法»對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,用小子樣數(shù)據(jù)估計(jì)母體參數(shù),根據(jù)式(１)~(４)分別計(jì)算未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕４８h試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下子樣的平均值x－ 、標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)法求解細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(yàn)環(huán)境下的 N９５/９５ 畫(huà)在縱、橫坐標(biāo)分別為最大應(yīng)力和疲勞壽命的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系上,連接相應(yīng)兩個(gè) N９５/９５點(diǎn)的直線與壽命 N ＝１０５ 交點(diǎn)的最大應(yīng)力即是該條件下試樣的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值,如圖２所示,求得的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值見(jiàn)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(duì)于鋁合金α＝４;R 為試驗(yàn)所要求的可靠度,R＝９５％;ST 為標(biāo)準(zhǔn)試樣的試樣系數(shù),ST ＝１;SC 為置信度系數(shù),通過(guò)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(duì)鋁合金細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值為基準(zhǔn),則預(yù)腐蝕４８h試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值的保持率為９７％,未腐蝕試樣在鹽水環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值的保持率為６７％.

２．３ 腐蝕預(yù)損傷對(duì)鋁合金疲勞壽命的影響

從圖３中可以看出:在實(shí)驗(yàn)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(huì)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(qiáng),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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下腐蝕預(yù)損傷對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的疲勞壽命,且在低應(yīng)力幅值時(shí)這種差距更明顯;對(duì)于未腐蝕和預(yù)腐蝕４８h試樣,在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)了裂紋的起裂和擴(kuò)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(duì)裂紋擴(kuò)展的加速作用是

由裂紋擴(kuò)展和鹽水腐蝕過(guò)程的交互作用造成的,鹽水進(jìn)入裂紋尖端加速了裂紋擴(kuò)展.因此,鹽水環(huán)境對(duì)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(qiáng),疲勞裂紋源在腐蝕坑底部萌生,大幅縮短了裂紋萌生的時(shí)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(jī)制(解聚)使得裂紋加速擴(kuò)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(duì)７XXX鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響較為顯著;以未腐蝕試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值為基準(zhǔn),預(yù)腐蝕４８h試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值的保持率為９７％,未腐蝕試樣在鹽水環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值的保持率為６７％.

(２)在實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的疲勞壽命,且在低應(yīng)力幅值時(shí)這種差距更加明顯,實(shí)驗(yàn)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(wú)明顯變化.

    (２)在一次射流區(qū),隨空化水射流沖蝕時(shí)間的延長(zhǎng),純銅表面的空蝕坑和空蝕針孔數(shù)量增多,晶粒形貌開(kāi)始顯現(xiàn),同時(shí)出現(xiàn)大量的變形滑移帶;混合射流區(qū)在短時(shí)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(shí)間延長(zhǎng)整個(gè)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(zhǎng)大的.

    (３)隨空化水射流沖蝕時(shí)間的延長(zhǎng),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(dá)到７００μm.