不同環境下對2D70鋁合金低周疲勞性能的研究

施翔晶， 馬 華

（洪都航空工業集團，南昌330024）

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非常深遠的意義。2D70鋁合金是航空工業重要的難變形材料，在航空領域中應用廣泛。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沒有報道，對其他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、鹽霧（NaCl）環境對疲勞裂紋擴展的影響[6－7]，硫化氫（H2S）環境疲勞試驗的自動測控系統研制，腐蝕裝置的設計[8]。本文通過對2D70鋁合金在常規空氣、濕空氣、NaCl及NaCl＋SO24種環境進行低周疲勞試驗，研究了不同環境對2D70鋁合金低周疲勞性能的影響，并探討了金屬材料在腐蝕環境下低周疲勞試驗研究策略。該研究成果已被成功應用于預測飛機機身在腐蝕環境下的低周疲勞壽命，對于修正機身在真實大氣環境下的低周疲勞壽命意義重大，也可為類似環境下的工業設計提供參考。

1 試驗方法和材料

在試驗室空氣、濕空氣（RH≥90%）、3.5%NaCl和3.5%NaCl＋SO24種環境對2D70鋁合金進行 低 周 疲 勞 試 驗，參 照 GB／T15248—1994、ASTM B117—85及相關資料[8－9]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，應變速率為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%。低周疲勞的循環應力—應變曲線（即循環σ－ε曲線）通常用Δσ／2－Δεp／2曲線表示，低周疲勞的應變—壽命曲線，通常用Δεt／2－2 Nf曲線表示。其中，εe為彈性應變；εt為總應變；εp為塑性應變；σ為循環應力；Nf為斷裂循環周次；Δεe／2為彈性應變幅，值為（εemax－εemin）／2；Δεp／2為塑性應變幅，值為（εpmax－εpmin）／2；Δεt／2為總應變幅，值為Δεe／2＋Δεp／2；Δσ／2為循環應力幅，值為（σmax－σmin）／2；2 Nf為考慮到一個循環中包括載荷的兩個方向，所以引出一個完整的循環中包括兩個“反向”，即2 Nf稱為反向次數。

試驗結束后，在雙對數坐標紙上繪制Δσ／2－Δεp／2曲線（即得到低周疲勞的循環應力—應變曲線）。繪制Δεe／2－2 Nf曲線及Δεp／2－2 Nf曲線，兩者擬合得到Δεt／2－2 Nf曲線（即得到低周疲勞的應變—壽命曲線）。

試驗材料為2D70鋁合金，板厚40 mm，熱處理狀態為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

2 試驗裝置

試驗裝置包括MTS 810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、氣管等。

腐蝕盒參考吳寶娟等的設計[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NaCl＋SO2介質環境，創造性地運用了醫用吊針，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

3 試驗難點

3.1 引伸計的安裝

由于是低周疲勞試驗，采用的是引伸計應變控制方式。在對每根試樣進行試驗時，發現因引伸計失穩，造成應變控制失效，最終試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，試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試驗后，易產生缺口，使得試驗中引伸計滑動。

針對以上影響因素，通過大量試驗摸索，作出可行的解決辦法：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。

3.2 腐蝕介質的流通

試驗環境包括空氣、濕空氣、3.5%NaCl及3.5%NaCl＋SO24種環境，其中濕空氣、3.5%NaCl及3.5%NaCl＋SO23種環境為腐蝕環境。試驗時間一長，濕空氣在連接管中冷凝成水，NaCl堵塞加濕器，造成腐蝕介質流通不暢，影響試驗。為此，在試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NaCl＋SO2環境中，因SO2氣體有劇毒，一定要將門窗打開，將SO2氣體隨時排出。

4 試驗結果及分析

4.1 循環σ－ε曲線及應變—壽命曲線

4種環境試驗得到的循環σ－ε曲線及應變—壽命曲線分別見圖2和圖3。

循環應力和低周疲勞壽命都是材料疲勞損傷的關鍵指標。循環應力表征的是材料在循環載荷下抵抗變形的能力。大多飛機構件由于拐角、圓孔、溝槽等的存在都有應力集中，當構件受循環應力時，雖然總體處于彈性范圍內，但局部已進入彈塑性狀態，處于循環應變的疲勞過程中，這類服役條件下的疲勞壽命一般小于105周次，稱為低周疲勞。低周疲勞壽命即構件破壞前能承受應力循環的次數。

圖2 4種環境的循環σ－ε曲線

圖3 4種環境的應變—壽命曲線

由圖2可看出，在同一坐標中對比4種環境下2D70的循環σ－ε曲線，應變相同時，循環應力大小為：空氣＞濕空氣＞NaCl＞NaCl＋SO2（橫坐標為應變，縱坐標為應力）。

由圖3可看出，在同一坐標對比4種環境下2D70的應變—壽命曲線，應變相同時，低周疲勞壽命大小為：空氣＞濕空氣＞NaCl及NaCl＋SO2，NaCl和NaCl＋SO2環境下2D70的低周疲勞壽命相近并為最低（橫坐標為低周疲勞壽命，縱坐標為應變）。

4.2 低周疲勞試樣斷口

空氣環境下的低周疲勞試樣斷口見圖4和圖5。腐蝕環境低周疲勞試樣斷口見圖6和圖7。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在圖5中可見明顯二次裂紋，并出現疲勞條帶、韌窩，多為塑性條帶。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200 ml∶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氣，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，則會加速氫脆的發生。這也就驗證了4.1節的結果分析。

圖4 空氣環境宏觀斷口

圖5 空氣環境微觀斷口

圖6 腐蝕環境宏觀斷口

圖7 腐蝕環境微觀斷口

5 結 語

在試驗室空氣、濕空氣、NaCl及NaCl＋SO24種環境，當應變相同時，隨腐蝕環境增強，2D70鋁合金的循環應力降低；當應變相同時，2D70鋁合金在NaCl及NaCl＋SO2兩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。

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[5] 張曉云，霍乾明，孫志華，等.高強鋁合金在不同環境下的應力腐蝕行為[J].科學通報，2008（23）：2860－2864.

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