穿透型疲勞裂紋擴(kuò)展與鋁合金局部點(diǎn)蝕損傷特征參數(shù)的依存性分析

李旭東，孔光明，穆志韜

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，青島266041）

穿透型疲勞裂紋擴(kuò)展與鋁合金局部點(diǎn)蝕損傷特征參數(shù)的依存性分析

李旭東，孔光明，穆志韜

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，青島266041）

鋁合金的腐蝕以點(diǎn)蝕特征為代表，在腐蝕介質(zhì)的侵襲下，其構(gòu)件表面會(huì)出現(xiàn)大量的腐蝕坑。這些腐蝕損傷特征對(duì)于局部的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，并且伴隨著氫的滲入材料局部的脆性增強(qiáng)，對(duì)于臨近裂紋的擴(kuò)展會(huì)產(chǎn)生較大的影響。通過(guò)建立與局部點(diǎn)蝕損傷特征參數(shù)相關(guān)的裂紋擴(kuò)展表征模型表征局部腐蝕對(duì)于臨近的裂紋擴(kuò)展影響程度，對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷容限評(píng)估具有參考價(jià)值。

疲勞；裂紋擴(kuò)展；局部腐蝕損傷；表征參數(shù)；臨界距離理論

隨著我國(guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，大量的鋁合金工程結(jié)構(gòu)需要在沿海大氣環(huán)境中服役。這種高濕高鹽高酸的大氣會(huì)在鋁合金結(jié)構(gòu)表面形成一層含鹽分的酸性液膜，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕效應(yīng)，形成以腐蝕坑為典型特征的點(diǎn)蝕形貌［1-3］。腐蝕坑一方面伴隨著氫滲入，使得材料成分改變，脆性增強(qiáng)，塑性變差；另一方面改變了局部的應(yīng)力應(yīng)變分布，形成應(yīng)力集中；裂紋在此區(qū)域內(nèi)更容易萌生，裂紋擴(kuò)展行為也會(huì)受到這種腐蝕坑的影響，表現(xiàn)為比單純的機(jī)械疲勞裂紋更為曲折復(fù)雜的擴(kuò)展路徑［4-7］。本工作擬建立一種基于試驗(yàn)基礎(chǔ)上的唯象經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)評(píng)價(jià)局部腐蝕損傷對(duì)于裂紋擴(kuò)展的影響程度，從而為構(gòu)件的損傷容限分析提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用鋁鎂硅系合金6A02-T6，具備良好的熱塑性，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為：Al 92.5，Cu 4.5，Mg 1.42，Mn 0.74，F(xiàn)e 0.26，Si 0.19，Zn 0.13，其抗拉強(qiáng)度450MPa、屈服強(qiáng)度342MPa。沿著軋制方向制成啞鈴狀的試驗(yàn)件。試驗(yàn)件中部邊緣預(yù)制一個(gè)曲率半徑為0.05mm的缺口，形成局部的應(yīng)力集中，易于在顯微鏡下捕捉貫穿性裂紋的起裂和擴(kuò)展過(guò)程，試件形狀如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

首先在試驗(yàn)件表面引入腐蝕損傷缺陷。預(yù)腐蝕試驗(yàn)通常采用ASTM-G34標(biāo)準(zhǔn)的EXCO腐蝕試驗(yàn)程序，由于這種試驗(yàn)是直接將試件暴露在EXCO剝蝕溶液中，其腐蝕過(guò)程與飛機(jī)在外場(chǎng)的腐蝕過(guò)程差別較大。另外一種預(yù)腐蝕試驗(yàn)方案是基于電化學(xué)等效原則，其根據(jù)飛機(jī)外場(chǎng)腐蝕的主要因素如溫度、濕度、酸、紫外輻照等因素及其作用頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)折算，得到等效的加速環(huán)境譜，根據(jù)環(huán)境譜在實(shí)驗(yàn)室中利用周期浸潤(rùn)環(huán)境試驗(yàn)箱進(jìn)行加速腐蝕，以復(fù)現(xiàn)飛機(jī)的外場(chǎng)腐蝕過(guò)程。本工作采用該腐蝕方案，試驗(yàn)前先將試件一面用防腐蝕膠均勻涂抹，僅一面保留在腐蝕介質(zhì)中。所采用的環(huán)境譜是基于我國(guó)南方某沿海機(jī)場(chǎng)的數(shù)據(jù)折算得到，如圖2所示。環(huán)境箱中每一次干-濕交變包括浸泡5 min、烘烤12 min；干濕交變384次，累計(jì)試驗(yàn)時(shí)間96 h，等當(dāng)量于材料在服役環(huán)境中自然腐蝕1個(gè)日歷年（a）的損傷；每間隔5個(gè)日歷年取出1個(gè)試件進(jìn)行疲勞加載試驗(yàn)，最高加速腐蝕20 a。

圖1 試件形狀以及尺寸Fig.1 Shape and size sketch of specimen

圖2 加速腐蝕環(huán)境譜Fig.2 Accelerated corrosion spectrum

利用KH7700三維成像顯微鏡在300倍放大倍率下對(duì)試驗(yàn)件含腐蝕損傷的表面進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)距離預(yù)制缺口中心線上下各1.5mm的細(xì)長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)的腐蝕表面區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化的3D成像，得到其表面腐蝕坑沿深度分布的信息。

疲勞試驗(yàn)針對(duì)未腐蝕（0 a）、10 a、20 a三種試件。為觀察到裂紋擴(kuò)展與腐蝕損傷的相互影響，疲勞加載在帶疲勞加載裝置的 SS550 掃描電鏡（SEM）的加載腔內(nèi)完成，加載時(shí)保持室溫，加載波形為正弦波，加載最大應(yīng)力220MPa，應(yīng)力比為0.1，加載頻率5 Hz，加載過(guò)程中利用電鏡監(jiān)控裂紋表面的擴(kuò)展情況，原則上每間隔10 000個(gè)應(yīng)力循環(huán)（N），將頻率降低至0.5 Hz，啟用拍照功能圍繞試件表面裂紋尖端為中心拍照若干次，如果觀測(cè)到裂紋擴(kuò)展變化較快較為明顯，則隨時(shí)進(jìn)行拍照，并且記錄拍照時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，直至試件斷裂為止。根據(jù)照片中的標(biāo)尺得出裂紋長(zhǎng)度l，進(jìn)而得到其l-N 對(duì)應(yīng)曲線，裂紋長(zhǎng)度l計(jì)為缺口加上裂紋擴(kuò)展路徑在垂直載荷加載方向上的水平投影長(zhǎng)度。

2 結(jié)果與討論

腐蝕損傷特征具有很強(qiáng)的隨機(jī)性特征，且腐蝕坑在試件表面的分布是極其不均勻的，這種形狀復(fù)雜的腐蝕坑對(duì)裂紋擴(kuò)展的路徑產(chǎn)生了非常明顯的影響，具有明顯的吸引作用，裂紋傾向于向其附近較大較深的腐蝕坑擴(kuò)展，如圖3所示。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)中得到的l-N 對(duì)應(yīng)曲線進(jìn)行差分計(jì)算可以得到裂紋擴(kuò)展速率的變化曲線，圖4為一個(gè)腐蝕10 a的試件實(shí)測(cè)得到的裂紋擴(kuò)展速率隨著裂紋長(zhǎng)度的變化曲線。可以看出，對(duì)于該試驗(yàn)件，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度低于80μm的時(shí)候，裂紋擴(kuò)展速率的波動(dòng)性非常強(qiáng)。這種波動(dòng)性與鋁合金微小晶粒之間的晶界相關(guān)性并不強(qiáng)，因?yàn)榱鸭y速率發(fā)生波折的裂紋長(zhǎng)度并不接近于該合金晶粒平均尺寸（30～40μm）的整數(shù)倍。通過(guò)對(duì)比電鏡拍攝照片，這種裂紋擴(kuò)展速率的波動(dòng)性與裂紋尖端附近的腐蝕坑存在很強(qiáng)的相關(guān)性，當(dāng)裂紋尖端存在較大較深的腐蝕坑時(shí)，其裂紋擴(kuò)展速率接近于圖4中的極大值點(diǎn)位置。圖3和圖4充分說(shuō)明了局部腐蝕損傷狀況對(duì)裂紋擴(kuò)展影響極大。

3 基于局部腐蝕損傷的預(yù)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型

3.1 臨界區(qū)域范圍的確定

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，裂紋的擴(kuò)展不僅取決于裂紋尖端的應(yīng)力情況，還取決于圍繞裂尖局部區(qū)域內(nèi)的腐蝕損傷情況。首先必須定義這個(gè)“局部區(qū)域”的范圍。研究表明［6-7］：缺口件的疲勞壽命應(yīng)當(dāng)以距缺口根部一定距離內(nèi)彈性應(yīng)力的平均值作為有效應(yīng)力，即疲勞評(píng)定的“局部參量”，當(dāng)“局部參量”大于臨界值時(shí)，試件就發(fā)生失效破壞。Peterson，David Taylor等人［8-9］簡(jiǎn)化并發(fā)展了這一觀點(diǎn)，提出距缺口根部一定距離上某一點(diǎn)的應(yīng)力作為疲勞判定的有效應(yīng)力，稱為臨界距離理論（Theory of Critical Distance，TCD）。但圖3（a）～（c）說(shuō)明，裂紋在腐蝕區(qū)域內(nèi)的擴(kuò)展路徑存在急劇的跳轉(zhuǎn)，但是一定不會(huì)出現(xiàn)倒退情況，亦即裂紋擴(kuò)展路徑在垂直遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力方向上的投影不會(huì)發(fā)生重疊現(xiàn)象。以此以裂紋尖端為圓心，裂紋前端半徑為L(zhǎng)的半圓形區(qū)域作為考察腐蝕損傷狀況的臨界區(qū)域Scr，如圖5所示，其中L 由TCD理論［10］給出，即：

式中：Δσ0，ΔKth分別為光滑試樣的疲勞極限和疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值。查閱文獻(xiàn)可知，該材料的Δσ0= 248MPa，ΔKth=4.4MPa·m1/2［9］，帶入式（1）計(jì)算得L=0.100 2mm。

圖3 腐蝕10 a試件掃描電鏡下的裂紋擴(kuò)展形貌Fig.3 Morphology of crack propagation under SEM for specimen exposed for 10 a

圖4 腐蝕10 a試驗(yàn)件裂紋擴(kuò)展速率隨著裂紋長(zhǎng)度的變化曲線Fig.4 Crack growth rate versus crack length for specimen exposed for 10 a

圖5 裂紋尖端臨界區(qū)域Scr示意圖Fig.5 Schematic illustration for local damage zone Scrnear the crack tip

3.2 腐蝕損傷表征參數(shù)的確定

腐蝕損傷在試件表面的發(fā)展主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面，一方面腐蝕坑的面積在擴(kuò)展，另一方面腐蝕坑的深度在增加。這兩個(gè)方面的腐蝕損傷發(fā)展會(huì)造成局部的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生變化。

試件表面的腐蝕程度可以用局部孔蝕率α表示，即：

腐蝕坑的深度可通過(guò)KH7700拍攝的3D圖像并利用其隨機(jī)處理軟件得到Scr內(nèi)腐蝕坑的平均深度D。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)孔蝕率α與平均深度D 對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響程度不盡相等，因此用其組合來(lái)定義腐蝕損傷表征參數(shù)H，即：

式中：η為待定常數(shù)，代表D 和α對(duì)腐蝕損傷對(duì)裂紋擴(kuò)展影響的相對(duì)權(quán)重。

3.3 基于H 的裂紋擴(kuò)展腐蝕加速因子

在LEFM線彈性斷裂力學(xué)理論范圍內(nèi)，裂紋擴(kuò)展是受裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅控制的，即：

式中：C和m 是待定參數(shù)。應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍ΔK可以查閱應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)計(jì)算得到。王習(xí)術(shù)［4］針對(duì)預(yù)腐蝕鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展速率的研究表明式（4）可用于預(yù)腐蝕疲勞裂紋的擴(kuò)展評(píng)估，只需要將參數(shù)C修正為與腐蝕損傷相關(guān)的Ccf。顯然隨著腐蝕損傷的加重，Ccf的數(shù)值會(huì)增加，即：

該函數(shù)關(guān)系為單調(diào)遞增關(guān)系，其下限為無(wú)腐蝕試件對(duì)應(yīng)的參數(shù)C，并且存在一上限值，表明腐蝕損傷的影響存在一個(gè)極值，故設(shè)Ccf具有如下的數(shù)學(xué)形式：

式中：λ＞0，κ＞0，為待定材料常數(shù)。

3.4 利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定待定常數(shù)

將式（3）、（4）帶入式（6），兩邊取對(duì)數(shù)，得：

由圖6可以看出，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在有規(guī)律的分散性，尤其是當(dāng)腐蝕損傷程度較大的時(shí)候，數(shù)據(jù)分散性較強(qiáng)，其原因：

（1）重腐蝕損傷情況下，腐蝕表面的腐蝕坑連成一片，這對(duì)數(shù)字圖像處理技術(shù)識(shí)別點(diǎn)蝕特征造成困難，影響孔蝕率計(jì)算的準(zhǔn)確性；

（2）重腐蝕情況下，鋁合金材料吸氫明顯，造成局部變脆，延展性降低，“氫脆”效應(yīng)的影響單純用腐蝕坑的幾何特征變化來(lái)刻畫(huà)是不全面的，本工作提供的表征模型更多是從腐蝕特征的幾何參數(shù)對(duì)于局部應(yīng)力應(yīng)變的影響程度來(lái)考慮的。而當(dāng)腐蝕損傷程度較輕時(shí)，正好相反，點(diǎn)蝕特征明顯，而且氫脆影響較低，使得數(shù)據(jù)的分散性較小，這說(shuō)明本評(píng)估方法對(duì)于點(diǎn)蝕特征明顯的輕腐蝕損傷鋁合金是合理的。式（7）中η=3.2＞1，說(shuō)明腐蝕坑的深度對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響要遠(yuǎn)大于其投影面積的影響，這也部分解釋了圖3（a）～（c）中裂紋擴(kuò)展路徑會(huì)向上偏折的原因，對(duì)照三維形貌發(fā)現(xiàn)裂紋前上方腐蝕坑的面積雖然較小，但是深度較大，對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響更明顯。

圖6 lg［/（CΔKm）-1］隨αD3.2的變化曲線Fig.6 Variation of lg［/（C ΔKm）-1］versusαD3.2

4 結(jié)論

（1）基于局部腐蝕損傷表征組合參數(shù)αD3.2將Paris公式參數(shù)C修正為Ccf，實(shí)現(xiàn)了預(yù)腐蝕損傷對(duì)裂紋擴(kuò)展影響程度的定量化表征。在低腐蝕損傷情況下，該修正方法合理有效，為6A02-T6鋁合金預(yù)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展行為的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供了一定的方法。

（2）相對(duì)于腐蝕坑投影面積，其深度對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響更明顯。

（3）所建立的修正模型主要考慮了腐蝕損傷特征幾何尺寸變化對(duì)于局部應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律，而對(duì)于腐蝕過(guò)程中的氫脆等效應(yīng)考慮不多，因此，不適參考文獻(xiàn)：

用于重腐蝕損傷6A02-T6鋁合金裂紋擴(kuò)展的表征。

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Dependent Analysis of Through Out Crack Propagation on Localized Pitting Corrosion Parameters of Aluminum Alloy

LI Xu-dong，KONG Guang-ming，MU Zhi-tao
（Qingdao Campus of Naval Aeronautical Academy，Qingdao 266041，China）

Pitting corrosion morphology prevails on aluminum alloy surface subjected to corrosive media in service environment，which will change the distribution of local stress and strain and local area may become brittle as the penetration of hydrogen may accompany corrosion process.Such local change will significantly influence the fatigue crack propagation in vicinity.The present thesis tries to establish a model to characterize the influence of local corrosion on fatigue crack propagation nearby based on local corrosion damage characteristic parameters，which is of reference value for corrosion damage tolerance evaluation.

fatigue；crack propagation；localized corrosion damage；characteristic parameter；theory of critical distance

TG174.3；V252

A

1005-748X（2015）11-1049-04

10.11973/fsyfh-201511008

2014-10-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（1072124）

李旭東（1984-），講師，碩士，從事金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞問(wèn)題的研究，13793269197，xdli23615064@163.com