2B25鋁合金材料腐蝕疲勞性能試驗(yàn)研究

李新宇，付 裕，熊峻江

（北京航空航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

飛機(jī)金屬材料結(jié)構(gòu)件往往在腐蝕的環(huán)境中工作，同時(shí)還承受著交變載荷的作用；因此，飛機(jī)金屬材料腐蝕疲勞問題必須受到高度重視。在航空用金屬材料中，鋁合金材料占到60%～90%，而這種材料對(duì)腐蝕疲勞非常敏感[1]。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)，在3.5%鹽水中，鋁合金材料疲勞壽命甚至?xí)档鸵话胍陨?。腐蝕環(huán)境加速鋁合金疲勞裂紋形成的作用形式主要有點(diǎn)腐蝕、局部變形、氫脆及吸附作用4種[3]。張正貴等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在3.5%鹽水腐蝕條件下鋁合金構(gòu)件斷口上不僅會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋，還會(huì)出現(xiàn)沿晶等斷裂特征，疲勞失效形式是多裂紋斷裂。孟祥琦[5]提出用腐蝕電極的電流強(qiáng)度來測量腐蝕速率的方法，并搭建了測量模型，研究鋁合金在拉壓狀態(tài)下腐蝕開裂問題，發(fā)現(xiàn)了受壓狀態(tài)下新的開裂行為，并提出“腐蝕速率-時(shí)間-頻率”的等效假設(shè)和以腐蝕速率和荷載頻率為參量的腐蝕疲勞壽命評(píng)價(jià)模型。吳達(dá)鑫[6]在研究疲勞斷口時(shí)發(fā)現(xiàn)，鹽霧環(huán)境下，合金式樣的腐蝕疲勞斷口裂紋主要起源于表面，并且隨著應(yīng)力比的增加多疲勞源特征變得顯著，腐蝕疲勞裂紋源區(qū)的解理特征更加明顯，擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋則也變得更加細(xì)密。黃小光[7]對(duì)腐蝕疲勞點(diǎn)蝕演化與裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了研究，獲得了點(diǎn)蝕演化與裂紋擴(kuò)展過程的熱力學(xué)判據(jù)，并且提出了腐蝕疲勞壽命評(píng)價(jià)模型。

在工程應(yīng)用中，不同腐蝕環(huán)境對(duì)航空用鋁合金材料構(gòu)件疲勞壽命的影響大不相同；且對(duì)于不同外形（如是否具有溝槽等）的鋁合金結(jié)構(gòu)件，其腐蝕疲勞壽命受腐蝕環(huán)境的影響程度也不同。本文采用成組法分別研究了在3.5%NaCl溶液和1%油箱積水溶液兩種腐蝕環(huán)境下，2B25鋁合金材料的有溝槽圓桿試驗(yàn)件和光滑圓桿試驗(yàn)件的腐蝕疲勞性能。

1 腐蝕疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)件材料為2B25鋁合金，試驗(yàn)件尺寸按照GB3075——1982《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》和HB/Z112——1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析》設(shè)計(jì)，如圖1、圖2所示。各自制作50件（試驗(yàn)件如圖3、圖4所示），分別取20件研究3.5%NaCl溶液環(huán)境下的腐蝕疲勞試驗(yàn)，再分別取20件研究1%油箱積水溶液環(huán)境下的腐蝕疲勞試驗(yàn)。

圖1 有溝槽圓桿試驗(yàn)件設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖2 光滑圓桿試驗(yàn)件設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖3 有溝槽圓桿試驗(yàn)件實(shí)物圖

圖4 光滑圓桿試驗(yàn)件實(shí)物圖

本次腐蝕疲勞試驗(yàn)按照GB3075——1982《金屬軸向疲勞試驗(yàn)方法》和HB/Z112——1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析》的要求設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，以獲得可靠的S-N曲線。為充分發(fā)揮溶液腐蝕作用，試驗(yàn)必須在低頻試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，本次試驗(yàn)使用instron8801疲勞試驗(yàn)機(jī)。靜載誤差≤±1%；動(dòng)載誤差≤±3%，經(jīng)國家計(jì)量部門檢定合格。腐蝕疲勞試驗(yàn)裝置還包括腐蝕介質(zhì)盒、過濾器、測量儀、溶液箱、溶液循環(huán)泵和恒溫器等設(shè)備（如圖5所示）。

圖5 腐蝕溶液循環(huán)系統(tǒng)

試驗(yàn)分為4類，即3.5%NaCl溶液環(huán)境下有溝槽圓桿試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)、3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)、1%油箱積水溶液環(huán)境下有溝槽圓桿試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)和1%油箱積水溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)。以上均采用成組法進(jìn)行試驗(yàn)，每組5件試驗(yàn)件，對(duì)應(yīng)于4種不同載荷值進(jìn)行4組腐蝕疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比為0.1，加載頻率為10Hz/s。試驗(yàn)開始時(shí)，需要對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行分組編號(hào)，然后在instron8801試驗(yàn)機(jī)上安裝試驗(yàn)件，并使試驗(yàn)段完全浸于介質(zhì)盒內(nèi)的腐蝕液體環(huán)境中，一切就緒后，開始腐蝕疲勞試驗(yàn)。3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)過程如圖6所示，中部拉斷結(jié)果如圖7所示。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

在疲勞性能測試和可靠性設(shè)計(jì)過程中，在104～106壽命區(qū)間的S-N曲線常用雙參數(shù)冪函數(shù)[8]表達(dá)式：

將式（1）作對(duì)數(shù)變換，得到：

令因變量 X=lgN；自變量 Y=lgSmax；a=lgC；b=-m，式（2）可寫成：

此時(shí)，X與Y成直線關(guān)系。根據(jù)線性回歸方法，可估計(jì)出待定常數(shù)m和C：

圖6 3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)過程圖

圖7 3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗(yàn)件腐蝕疲勞試驗(yàn)中部拉斷結(jié)果圖

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果按照上述雙參數(shù)法進(jìn)行處理得到：有溝槽圓桿試驗(yàn)件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線如圖8所示；光滑圓桿試驗(yàn)件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線如圖9所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于同種試驗(yàn)件，3.5%Nacl溶液和1%油箱積水溶液兩種腐蝕環(huán)境對(duì)材料腐蝕疲勞性能的影響效果并不相同，3.5%Nacl溶液對(duì)試驗(yàn)件疲勞性能的影響更為顯著，即在相同載荷條件下，3.5%Nacl溶液使得試驗(yàn)件腐蝕疲勞壽命變得更低。

圖8 有溝槽圓桿試驗(yàn)件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線

圖9 光滑圓桿試驗(yàn)件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線

圖10 3.5%NaCl溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗(yàn)件S-N曲線

圖11 1%油箱積水溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗(yàn)件S-N曲線

3.5%NaCl溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗(yàn)件S-N曲線如圖10所示；1%油箱積水溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗(yàn)件S-N曲線如圖11所示?？梢钥闯?，在相同的腐蝕環(huán)境下，有溝槽圓桿試驗(yàn)件的腐蝕疲勞性能低于光滑圓桿試驗(yàn)件。

3 結(jié)束語

本文使用成組法測定了兩種腐蝕環(huán)境（3.5%Nacl溶液和1%油箱積水溶液）下2B25鋁合金材料的有溝槽圓桿和光滑圓桿試驗(yàn)件的腐蝕疲勞S-N曲線，并通過對(duì)比曲線得出：1）對(duì)于同種試驗(yàn)件，3.5%Nacl溶液和1%油箱積水溶液兩種腐蝕環(huán)境對(duì)材料腐蝕疲勞性能的影響效果并不相同，3.5%Nacl溶液對(duì)試驗(yàn)件腐蝕疲勞性能的影響更為顯著，即當(dāng)載荷條件相同時(shí)，3.5%Nacl溶液使得試驗(yàn)件腐蝕疲勞壽命變得更低；2）在相同的腐蝕環(huán)境下，有溝槽圓桿試驗(yàn)件的腐蝕疲勞性能低于光滑圓桿試驗(yàn)件。

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