鹽水環(huán)境對預(yù)腐蝕鋁合金腐蝕疲勞性能的影響

回 麗， 周 松， 許 良， 馬少華， 王 巖， 張瑩瑩

（沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點學(xué)科實驗室，沈陽 110136）

飛機在實際使用中會遇到各種各樣的有害環(huán)境，如潮濕空氣、海水、鹽霧、大氣中的工業(yè)污染以及來自機艙內(nèi)的污染等［1，2］。大量飛機失效、破壞、災(zāi)難實例分析的結(jié)果表明，腐蝕損傷和疲勞損傷是兩類最主要的飛機損傷形式，而疲勞損傷又多半在腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生［2，3，12］。

近年來，國外對以飛機結(jié)構(gòu)損傷為背景的疲勞及腐蝕疲勞做了大量的研究［4～9］，如北大西洋公約組織在70年代后期就對典型飛機結(jié)構(gòu)連接件展開了溫度、濕度、鹽霧、鹽霧+SO2等典型環(huán)境對疲勞壽命影響的系統(tǒng)研究，包括單一環(huán)境或其組合的預(yù)腐蝕后的疲勞試驗、單一或組合環(huán)境與載荷譜共同作用的腐蝕疲勞試驗，以及預(yù)腐蝕后的腐蝕疲勞試驗等。國內(nèi)關(guān)于腐蝕對鋁合金材料疲勞壽命的影響做了大量的研究［10～12，3］，但是在預(yù)腐蝕損傷對材料疲勞壽命影響的研究方面很少，只有對幾種典型材料經(jīng)過預(yù)腐蝕后的腐蝕疲勞壽命的研究，如張有宏［4］、匡林［13］等對 LY12CZ 鋁合金預(yù)腐蝕后疲勞和腐蝕疲勞試驗，得出S-N曲線，初步建立了腐蝕損傷與疲勞壽命降低之間的關(guān)系。

本工作研究了航空金屬材料7XXX鋁合金預(yù)腐蝕后在實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下的疲勞壽命試驗，研究鹽水環(huán)境對疲勞壽命和疲勞強度及其分散性的影響。

1 試驗過程

1.1 試樣

軸向疲勞試件，L方向取樣，光滑試樣（Kt=1）和缺口試樣（Kt=3）。試樣由φ＜22mm棒材加工而成，為了便于在腐蝕環(huán)境下進行試驗，選用漏斗形試樣（見GJB1997—94），其形狀如圖1所示。化學(xué)成分見表1，部分力學(xué)性能見表2。

圖1 Kt=1和Kt=3的低周疲勞試樣形狀圖Fig.1 the shape of specimens（Kt=1and Kt=3）under low cycle fatigue

1.2 試驗環(huán)境

（1）實驗室空氣:溫度 20±5℃，濕度小于50%。

（2）鹽水環(huán)境:含3.5%NaCl去離子水，試驗段完全浸沒于鹽水溶液中，溶液為連續(xù)循環(huán)。

表1 7XXX鋁合金棒材化學(xué)成分含量（質(zhì)量分數(shù)/%）Table 1 The chemical composition of 7XXX Aluminum alloy bar（mass fraction/%）

表2 7XXX鋁合金棒材的部分力學(xué)性能Table 2 Part of mechanical properties of 7XXX aluminum alloy bar

1.3 試驗內(nèi)容

試驗在MTS 810-100KN電液伺服材料疲勞試驗機上進行，其靜態(tài)拉向示值相對誤差為±0.20%，動態(tài)拉向示值相對誤差為±1.86%（試驗機滿足HB5287的要求），腐蝕疲勞試驗的加載頻率為10Hz，加載波形為正弦波，應(yīng)力比為0.5。腐蝕裝置為自制介質(zhì)盒，保證試驗數(shù)據(jù)分散在4～5級應(yīng)力水平上，試件個數(shù)要滿足由變異系數(shù)確定的最少試件數(shù)，中值疲勞疲勞壽命區(qū)間104～5×105。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壽命曲線的對比

7XXX鋁合金疲勞壽命結(jié)果如表3所示。其宏觀斷口形貌如圖2所示。

圖2 7XXX鋁合金疲勞宏觀斷口形貌Fig.2 macro-fracture surface of 7XXX aluminum alloy （a）Kt=1，R=0.5，salt water environment;（b）Kt=1，R=0.5，wet air environment;（c）Kt=3，R=0.5，salt water environment;（d）Kt=3，R=0.5，wet air environment

用小子樣數(shù)據(jù)估計母體參數(shù)，根據(jù)表3數(shù)據(jù)及式（1），（2），（3）分別計算鹽水環(huán)境、實驗室空氣環(huán)境下子樣的平均值ˉx、標(biāo)準差s和子樣變異系數(shù)Cv，結(jié)果如表3。

在本研究的試驗中，疲勞試驗子樣的個數(shù)并不很多，未能滿足測定具有一定可靠度和置信度的安全疲勞壽命和安全疲勞強度所需的試驗個數(shù)的要求（只滿足置信度95%，誤差限5%），此時可借助單側(cè)容限因數(shù)k，給出具有置信度γ和可靠度P的安全疲勞壽命或安全疲勞強度。

假設(shè)對數(shù)疲勞壽命遵循正態(tài)分布，可靠度P的對數(shù)安全壽命可表示為

表3 7XXX鋁合金疲勞壽命試驗結(jié)果Table 3 Fatigue life experiment results of 7XXX Aluminum alloy

式中uP和uγ分別是與可靠度和置信度γ相關(guān)的標(biāo)準正態(tài)偏量，可由P查表獲得uP，在置信度 γ為95%時，uγ=1.645。

在上述基礎(chǔ)上，具有置信度γ和可靠度P的安全對數(shù)壽命有下式計算

2.2 斷口形貌

利用KYKY-2800B掃描電子顯微鏡對不同實驗環(huán)境下的疲勞斷口形貌進行了觀察，如圖5所示。由圖5可知，試樣在鹽水環(huán)境中腐蝕疲勞裂紋萌生部位與空氣中疲勞裂紋萌生部位位置基本上一致，均在表面點蝕處，如圖中箭頭所示。這說明預(yù)腐蝕損傷對其壽命的長短起很大影響，腐蝕坑加劇了試樣的應(yīng)力集中，鹽水環(huán)境只是改變了裂紋的萌生時間，但對應(yīng)力集中點的改變卻不明顯，鹽水環(huán)境只是加劇了這種應(yīng)力集中效應(yīng)，從而引起疲勞壽命的改變。從圖中可以觀察到疲勞斷口上多呈解理、準解理形貌，以疲勞源為中心向一方輻射的放射臺階和條紋，放射臺階和條紋與裂紋擴展的方向一致。通常情況下，Kt=1的試樣在兩種環(huán)境下疲勞源數(shù)目為一個（圖5a，d），而Kt=3的試樣在兩種環(huán)境下疲勞源數(shù)目不止一個，有兩個或兩個以上，圖5c，d中只給出其中的一處疲勞源。

圖5 7XXX鋁合金疲勞顯微斷口形貌Fig.5 The micro fracture appearance of 7XXX aluminum alloy fatigue

3 結(jié)論

（1）得到可靠度為50%的預(yù)腐蝕7XXX鋁合金在鹽水環(huán)境和實驗室空氣環(huán)境下的中值疲勞壽命曲線和在可靠度為99%、置信度為95%時的安全疲勞壽命曲線。

（2）預(yù)腐蝕7XXX鋁合金在鹽水環(huán)境下的中值疲勞壽命低于空氣環(huán)境下的疲勞壽命。空氣環(huán)境下子樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)比較分散，應(yīng)力水平越低越分散。

（3）Kt=1時在高應(yīng)力水平上，鹽水環(huán)境下疲勞壽命降低不多，是空氣環(huán)境疲勞壽命的22.71%，而在低應(yīng)力水平上鹽水環(huán)境的疲勞壽命降低顯著，是其空氣環(huán)境疲勞壽命的2.22%。Kt=3時的鹽水疲勞壽命在不同應(yīng)力水平上的降低幾乎相當(dāng)，是其空氣環(huán)境疲勞壽命的20.25%。

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