不同環境下2D70鋁合金低周疲勞性能的研究

(洪都航空工業集團，江西南昌，330024)

1 前言

通常依據實驗室空氣環境下材料的低周疲勞性能數據來估算飛機疲勞壽命。然而，飛機構件在服役期內會受到工業廢氣、潮濕天氣等腐蝕，實際所處環境與實驗室是不同的[1]。研究不同環境對金屬材料低周疲勞行為的影響，對飛機結構的安全性和耐久性設計具有重要的意義。2D70 Al合金是航空工業重要的難變形材料，在航空領域應用廣泛。目前國內外對2D70力學性能的研究，集中在拉伸性能[2－3]、持久蠕變性能[4]以及應力腐蝕敏感性[5]，對2D70在腐蝕環境的疲勞性能未見報道，對其它金屬材料在腐蝕環境的疲勞性能研究也很少，僅限于濕空氣和鹽霧環境對疲勞裂紋擴展的影響[6－7]、硫化氫環境疲勞試驗的自動測控系統研制[8]、腐蝕裝置的設計[9]。本文通過對2D70 Al合金在空氣、濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO24種環境進行低周疲勞試驗，探討了金屬材料在腐蝕環境下低周疲勞試驗方法，并研究了不同環境對2D70 Al合金低周疲勞性能的影響。該研究成果已被設計部門用于預測飛機在腐蝕環境的低周疲勞壽命。

2 實驗

2.1 實驗方法和材料

在實驗室空氣、濕空氣(R.H.≥90%)、3.5%NaCl鹽霧和3.5%NaCl鹽霧+SO24種環境對2D70 Al合金進行低周疲勞試驗，參照GB/T15248-1994、ASTM B117-85及相關標準進行。加載方式為軸向應變控制(應變比R=－1)，循環波形為三角波，應變速率4×10－3(mm/mm)/s。每條應變－壽命曲線做6個應變水平，每個應變水平置信度達到90%。試驗結束后，在雙對數坐標紙上繪制 Δεe/2－2Nf曲線、Δεt/－2Nf曲線、Δεp/2－2Nf曲線及Δσ/2－Δεp/2曲線，計算出參量，擬合得到循環σ-ε曲線及應變－壽命曲線。

試驗材料為2D70鋁合金，板厚40 mm，熱處理狀態T6態，取樣方向L向，性能參數見表1。試樣采用直徑分別為7 mm和6 mm等截面試樣，標距10 mm。

表1 材料性能Table 1 Properties of 2D70 alloy

2.2 實驗裝置

試驗裝置包括MTS810液壓伺服疲勞試驗機，引伸計，腐蝕盒，保鮮膜，加濕器及SO2氣瓶，氣管。

腐蝕盒參考吳寶娟等人的設計[9]，用3 mm厚有機玻璃加工成圓柱形盒子，底部通過法蘭連接試樣，但上蓋并未采用有機玻璃，而是使用保鮮膜用橡皮筋密封，這樣有效解決了腐蝕盒中試樣上安裝引伸計難的難題。為了在實驗室中制出鹽霧+SO2介質環境，運用了醫用吊針，吊針針頭扎在進氣管上，吊針皮管則與SO2氣瓶連接，腐蝕盒及進氣管的連接如圖1所示。

圖1 腐蝕盒及進氣管的連接示意圖Fig.1 Sketch of the corrosion box connected with air inlet pipe

2.3 引伸計的安裝

由于是低周疲勞實驗，采用的是引伸計應變控制方式。在對每根試樣進行實驗時，發現因引伸計失穩，造成應變控制失效，最終實驗失敗的問題較嚴重。經過分析，得出幾點原因:①引伸計上、下兩刀口分別通過橡皮筋固緊在試樣上，如果兩根橡皮筋固緊力相差較大，實驗中引伸計極易失穩;②腐蝕環境中，引伸計刀口固緊在試樣上一段時間后，試樣固緊處易過早出現疲勞損傷，造成應變控制失效;③引伸計刀口在腐蝕環境長期實驗后，易產生缺口，使得實驗中引伸計滑動。針對以上影響因素，通過大量實驗摸索，我們想出了可行的解決辦法:①引伸計刀口固緊在試樣上時，調整兩根橡皮筋固緊力一致。②在試樣與引伸計固緊處貼上透明膠帶，使引伸計刀口不直接接觸試樣表面，防止試樣過早破壞。③引伸計使用一段時間后，取下引伸計刀口，用金相砂紙打磨后再繼續使用，或者更換刀口。避免因刀口損傷造成的應變控制失效。

2.4 腐蝕介質的流通

實驗環境包括濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO23種腐蝕環境，實驗時間一長，濕空氣在連接管中冷凝成水，鹽霧堵塞加濕器，造成腐蝕介質流通不暢，影響實驗。為此，在實驗過程中須經常觀察腐蝕介質的流通狀況，經常清潔加濕器易堵塞處，并經常疏通連接管。另外，在鹽霧+SO2環境中，因SO2氣體有毒，一定要將門窗打開，將SO2氣體隨時排出。

3 結果及分析

4種環境實驗得到的循環σ-ε曲線及應變—壽命曲線分別見圖2、圖3。

由圖2，在同一坐標對比4種環境2D70的循環σ-ε曲線，可看出，應變相同時，循環應力大小為:空氣＞濕空氣＞鹽霧＞鹽霧+SO2。由圖3，在同一坐標對比4種環境2D70的應變－壽命曲線，可看出，應變相同時，低周疲勞壽命大小為:空氣＞濕空氣＞鹽霧及鹽霧+SO2，鹽霧和鹽霧+SO2環境下2D70的低周疲勞壽命相近并為最低。

圖2 4種環境循環的σ-ε曲線Fig.2 σ-ε curves under four conditions

圖3 4種環境應變－壽命曲線Fig.3 Strain-life curves under four conditions

空氣環境低周疲勞試樣斷口見圖4、圖5。由圖4知，空氣環境低周疲勞斷口高差較大，裂紋起始于試樣表面，由圖5可見明顯二次裂紋，并出現疲勞條帶、韌窩，多為塑性條帶。

腐蝕環境低周疲勞試樣斷口見圖6、圖7。在圖6和圖7中，肉眼無法辨別腐蝕環境低周疲勞斷口的疲勞源和裂紋擴展區，經200ml∶80gCr2O3∶H2O的溶液清洗后微觀觀察，斷裂起始于試樣表面，斷口呈沿晶特征，脆性條帶較多。腐蝕環境由于含有水蒸汽，與鋁合金試樣表面反應生成氯，易導致氫脆。若腐蝕介質中有NaCl鹽霧，則會加速氫脆的發生。這也就印證了4.1的結果分析。

4 結論

在實驗室空氣、濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO24種環境，當應變相同時，隨腐蝕環境增強，2D70 Al合金的循環應力降低;當應變相同時，2D70 Al合金在鹽霧及鹽霧+SO22種環境下低周疲勞壽命相近，并且隨腐蝕環境增強，低周疲勞壽命降低;隨腐蝕環境增強，材料疲勞損傷程度越大。

References

[1]Li Zhiyi(李志義)，Ding Yinwei(丁信偉).金屬材料的腐蝕疲勞[J].Chemical Engineering Mechanics(化工機械)，1995，22(4):239－242.

[2]Wang Guojun(王國軍)，Lǚ Xinyu(呂新宇)，Jin Longbing(金龍兵).控制2D70鋁合金熱擠壓棒材截面粗晶和力學性能的研究[J].Aluminium Work(鋁加工)，2008(3):26－29.

[3]Wang Guojun(王國軍)，Xiong Baiqing(熊柏青)，Zhang Yongan(張永安)，et al.固溶熱處理對2D70合金擠壓棒材組織與性能的影響[J].Metallic Heat Treatment(金屬熱處理)，2010(3):37－42.

[4]Yang Shoujie(楊守杰)，Huang Min(黃 敏)，Zhu Na(朱娜)，et al.2D70鋁合金熱穩定性研究[J].Jounal of Air Material(航空材料學報)，2003，(S1):73－77.

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[8]Dong Yanjun(董延軍)，Zhang Yiliang(張亦良)，Zhang Wei(張 偉).低周腐蝕疲勞試驗自動測控系統的研制[J].Engineering Mechanics(工程力學)，2003(Suppl.):169－172.

[9]Wu Baojuan(吳寶娟)，Yu Xiaochun(於孝春).疲勞機上腐蝕裝置的設計[J].Piped Technique and Equipment(管道技術與設備)，1995(6):10－12.