裝備關(guān)重件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗譜編制方法研究

趙朋飛，辛燕，孫頡，魏小琴，王剛

（1.航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854；2.北京機電工程研究所，北京 100074；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

近年來，隨著飛機及機載裝備在沿海、島礁及艦載平臺部署和服役時間的不斷增長，在使用過程中發(fā)現(xiàn)由腐蝕和腐蝕疲勞作用造成的破壞現(xiàn)象越來越多[1-3]。例如，某艦載裝備腐蝕和老化問題嚴(yán)重，陀螺、高度表、駕駛儀、雷達及伺服機構(gòu)等產(chǎn)品均出現(xiàn)各種功能失靈和性能故障；某機載裝備出現(xiàn)螺釘銹蝕、艙體涂層脫落、緊固件及關(guān)重承力構(gòu)件（如吊掛結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)腐蝕疲勞裂紋等。由于這些地區(qū)氣候環(huán)境條件惡劣，常年高溫、高濕、高鹽霧、光照強、雨量充沛，部署于這些地區(qū)的機載裝備經(jīng)常面臨潮濕空氣、海水和鹽霧等氣候環(huán)境的侵襲。同時，機載裝備戰(zhàn)備值班時間延長及周期不固定等要求的新變化，給裝備結(jié)構(gòu)帶來更為嚴(yán)酷的誘發(fā)力學(xué)環(huán)境和動態(tài)載荷。裝備結(jié)構(gòu)件在存放腐蝕環(huán)境與值班交變載荷的交互、協(xié)同作用下，必然加速防護涂層失效，抗疲勞能力降低，腐蝕疲勞壽命顯著縮短。研究表明[1,4-5]，大氣腐蝕效應(yīng)影響著疲勞裂紋的起始及擴展，而交變應(yīng)力等動態(tài)載荷又能加速結(jié)構(gòu)裂紋表面的腐蝕進程。因此，應(yīng)特別注意裝備腐蝕環(huán)境侵蝕與動態(tài)疲勞載荷聯(lián)合作用引發(fā)的腐蝕疲勞破壞。針對裝備關(guān)重件服役經(jīng)歷的腐蝕-疲勞協(xié)同效應(yīng)，開展環(huán)境/載荷譜設(shè)計及腐蝕-疲勞加速試驗方法研究，為裝備結(jié)構(gòu)件的耐久性分析、損傷容限設(shè)計及日歷壽命評定等工作提供技術(shù)支撐，不斷提升我國武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性及服役壽命評價水平。

1 腐蝕-疲勞協(xié)同作用的特點

裝備構(gòu)件大多數(shù)在使用過程中，除了受到環(huán)境的腐蝕作用外，還要經(jīng)歷使用載荷的協(xié)同作用，并對構(gòu)件性能及使用壽命產(chǎn)生強烈的影響。例如，吊掛結(jié)構(gòu)處于機身和裝備結(jié)構(gòu)連接/過渡的界面位置，將直接承受機身和裝備之間的誘發(fā)載荷和復(fù)雜應(yīng)力的傳遞，并且振動和沖擊能量很可能在吊掛連接界面處得到有效放大，屬于飛機-裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)。同時，部分類型吊掛結(jié)構(gòu)處于非密閉機艙內(nèi)，無論是地面停放和空中掛飛都將受到大氣腐蝕因素的侵蝕。尤其是裝備掛機反復(fù)值班和高難度訓(xùn)練等使用過程，吊掛構(gòu)件將經(jīng)受惡劣的交變載荷和環(huán)境腐蝕的綜合作用。結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞破壞直接關(guān)系到飛機以及掛載裝備的飛行安全，一旦損壞，引發(fā)的后果將是致命性的。

根據(jù) GB/T 10123—2001中有關(guān)術(shù)語和定義[6]，腐蝕是金屬與環(huán)境間的物理-化學(xué)相互作用，其結(jié)果使金屬的性能發(fā)生變化，并常可導(dǎo)致金屬、環(huán)境或由它們作為組成部分的技術(shù)體系的功能受到損傷。腐蝕環(huán)境效應(yīng)是指裝備產(chǎn)品處于腐蝕體系的任何部分因腐蝕作用而引起的變化。疲勞定義引用美國試驗與材料協(xié)會有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E206-72）的表述[7-9]：在某點或某些點承受擾動應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動作用之后，形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。根據(jù)載荷因素類型的不同，一般可分為應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕可看作是腐蝕范疇的局部腐蝕破壞，對敏感材料-特定環(huán)境-拉伸應(yīng)力的組合條件要求較為苛刻；而腐蝕疲勞是由交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境協(xié)同或聯(lián)合作用引起構(gòu)件提前開裂或斷裂失效，一般具有如下特征[10-12]。

1）金屬材料腐蝕環(huán)境下抗疲勞性能的降低。相同應(yīng)力水平作用下，腐蝕疲勞壽命遠比常態(tài)疲勞壽命要短，在干疲勞極限附近，壽命會縮短至10%以下。

2）材料腐蝕疲勞曲線沒有水平段。腐蝕疲勞情況下只能測定條件疲勞極限，不會出現(xiàn)與應(yīng)力水平完全無關(guān)的水平線段。

3）腐蝕疲勞性能與載荷循環(huán)加載的頻率和波形強烈相關(guān)。在相同循環(huán)次數(shù)下，頻率越高，腐蝕疲勞強度越高。加載頻率越低，每一循環(huán)內(nèi)與腐蝕環(huán)境共同作用的時間越長，腐蝕疲勞破壞就越嚴(yán)重。

4）腐蝕疲勞斷裂的裂紋形態(tài)也具有特殊性。腐蝕疲勞由許多腐蝕損傷而發(fā)展的原始裂紋，斷口上有多個斷裂源，且裂紋多為穿晶型裂紋發(fā)展為沿晶斷裂或穿晶和沿晶的混合斷裂，而常態(tài)干疲勞損傷源通常只有一個，多為穿晶裂紋發(fā)展為穿晶斷裂。

5）腐蝕疲勞受尺寸效應(yīng)影響與常態(tài)干疲勞不同。常態(tài)干疲勞下碳鋼、低合金鋼、鋁合金和鈦合金的疲勞極限均隨試樣截面尺寸增加而降低，這種尺寸效應(yīng)在腐蝕疲勞條件下出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。

6）與應(yīng)力腐蝕損傷相比，腐蝕疲勞損傷沒有明顯的合金-環(huán)境組合要求。即金屬的腐蝕疲勞沒有環(huán)境選擇性，幾乎所有金屬在任何腐蝕環(huán)境下都會發(fā)生腐蝕疲勞效應(yīng)。

2 腐蝕-疲勞協(xié)同作用的環(huán)境/載荷譜編制方法

2.1 腐蝕環(huán)境譜

某裝備在交付部隊使用后，除了經(jīng)受地-空-地循環(huán)重復(fù)載荷外，長時間遭受著氣候環(huán)境和誘發(fā)化學(xué)、熱環(huán)境的聯(lián)合侵襲。大量研究及外場數(shù)據(jù)表明[3-4,13-14]，腐蝕損傷會顯著破壞裝備結(jié)構(gòu)的完整性，并降低材料的疲勞強度，縮短其服役壽命。建立與裝備對應(yīng)的使用環(huán)境譜，是做好腐蝕設(shè)計與控制、腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)壽命評定及耐久性分析等工作的關(guān)鍵。使用環(huán)境譜一般指裝備各個部位經(jīng)歷的無差別環(huán)境或戶外環(huán)境，主要包括地面存放環(huán)境譜和空中飛行環(huán)境譜。局部環(huán)境是造成裝備結(jié)構(gòu)具體腐蝕損傷的決定性因素，從而引起裝備各個部位的腐蝕程度不盡相同。利用自然環(huán)境譜研究裝備環(huán)境效應(yīng)和腐蝕壽命的時間是漫長的，需要利用當(dāng)量加速等效關(guān)系將自然環(huán)境譜轉(zhuǎn)化為加速腐蝕試驗譜進行試驗，以快速獲得裝備的腐蝕行為與性能退化規(guī)律。使用環(huán)境譜和當(dāng)量加速腐蝕試驗譜的編制原則及一般方法可參考文獻[13-17]研究內(nèi)容。

2.2 疲勞載荷譜

對于裝備關(guān)重件結(jié)構(gòu)地面耐久性試驗，載荷譜是一項很關(guān)鍵的輸入內(nèi)容和前提條件，直接影響到試驗時間的長短和試驗結(jié)果的可信性。編制的疲勞載荷譜應(yīng)合理可行、符合結(jié)構(gòu)件實際承載歷程，且盡可能與其預(yù)期使用工況一致，這對裝備構(gòu)件的耐久性分析及試驗驗證具有十分重要的意義。疲勞試驗原則上應(yīng)盡可能模擬構(gòu)件載荷歷程的實際狀況，但由于受到地面模擬試驗?zāi)芰蛟囼灣杀镜纫蛩氐南拗疲谠囼炞V一般需要進行簡化以達到便于實施的目的。結(jié)構(gòu)實測載荷數(shù)據(jù)通常首先需要進行簡化和加重處理，然后按照損傷等效方法對載荷譜進行合并和排序，即可得到結(jié)構(gòu)件的疲勞載荷試驗譜（如程序塊譜），具體數(shù)據(jù)處理方法和編制原則可參考文獻[9,18-19]內(nèi)容。

2.3 環(huán)境/載荷譜編制原則

編制環(huán)境/載荷譜的目的是在實驗室條件下模擬和加速裝備結(jié)構(gòu)使用過程中經(jīng)歷的腐蝕-疲勞協(xié)同作用環(huán)境效應(yīng)。腐蝕-疲勞試驗的模擬性與加速性較好，確保結(jié)構(gòu)失效機理與裝備實際使用情況保持一致。編制裝備腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷譜一般包括以下基本考慮和原則[9,18,20]。

1）推薦按照“環(huán)境服從載荷”的原則編制，以疲勞載荷精確設(shè)計為主，粗略考慮腐蝕環(huán)境因素。交變載荷是造成結(jié)構(gòu)損傷和開裂的主導(dǎo)因素，環(huán)境的作用是“雪上加霜”。

2）載荷幅值、載荷作用順序及加載頻率是載荷譜編制的重要參數(shù)，對裝備結(jié)構(gòu)疲勞損傷起到了關(guān)鍵作用。

3）腐蝕環(huán)境對結(jié)構(gòu)造成的損傷取決于環(huán)境因素強度及環(huán)境譜作用時間的長短，作用時間短，環(huán)境譜造成腐蝕破壞作用就非常有限。

4）地面環(huán)境條件嚴(yán)酷，腐蝕介質(zhì)濃度高，且存放時間長，該腐蝕過程對裝備腐蝕損傷起到了主導(dǎo)作用。空中環(huán)境量值較低，腐蝕介質(zhì)濃度隨高度增加而逐漸降至非常低的水平，同時單次飛行暴露時間短暫（相對于地面存放時間），對裝備腐蝕的貢獻比例從工程意義上通常可以忽略不計。

5）應(yīng)嚴(yán)格保證疲勞載荷的大小、作用順序、頻次按照典型任務(wù)剖面的載荷順序進行排列，然后將地面環(huán)境和空中環(huán)境合理地匹配和組合，從而保證了載荷作用的順序效應(yīng)及與環(huán)境作用的疊加、協(xié)同效應(yīng)，在機理上貼合裝備實際使用的客觀事實。

2.4 環(huán)境/載荷譜編制方法

裝備結(jié)構(gòu)件的環(huán)境/載荷譜通常以裝備的典型任務(wù)剖面為基礎(chǔ)，遵循載荷譜細(xì)化及環(huán)境譜覆蓋的原則，采用環(huán)境譜和載荷譜按照“地—空—地”順序組合的方式進行編制。按照裝備環(huán)境譜和載荷譜各自的幅值變化和組成形式，一般可分為恒載單一常環(huán)境型、恒載組合常環(huán)境型、變載單一常環(huán)境型、變載單一環(huán)境型、變載組合常環(huán)境型和變載組合變環(huán)境型等類型環(huán)境/載荷譜[9,18]。以編制變載組合變環(huán)境型環(huán)境/載荷譜為例，一般包括如下步驟。

1）根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)組成及自然環(huán)境暴露情況，選取遭受疲勞載荷作用和腐蝕環(huán)境影響嚴(yán)重的關(guān)鍵部位和典型結(jié)構(gòu)件。

2）依據(jù)裝備結(jié)構(gòu)使用載荷譜，確定所選結(jié)構(gòu)載荷作用點的局部載荷譜（或應(yīng)力譜）。

3）將選定結(jié)構(gòu)部位的局部載荷譜轉(zhuǎn)化為相應(yīng)構(gòu)件的試驗載荷譜。

4）根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)型式及使用環(huán)境譜，確定所選結(jié)構(gòu)部位的局部環(huán)境譜。

5）將所選結(jié)構(gòu)部位的局部環(huán)境譜當(dāng)量轉(zhuǎn)化為加速腐蝕環(huán)境譜，并包括地面存放加速環(huán)境譜和空中加速環(huán)境譜。

6）地面存放加速環(huán)境譜主要用于結(jié)構(gòu)試件預(yù)腐蝕和疲勞試驗間隙的交替腐蝕作用，空中加速環(huán)境譜用于結(jié)構(gòu)試件疲勞試驗過程中腐蝕環(huán)境應(yīng)力的協(xié)同加載。

7）將疲勞載荷譜與加速腐蝕環(huán)境按照任務(wù)剖面順序組成“地—空—地”或程序塊譜的環(huán)境/載荷譜，并確定空中腐蝕疲勞試驗間隙（兩個疲勞加載周期之間）對試件施加何種環(huán)境（空中加速環(huán)境譜、地面存放環(huán)境譜或干燥空氣條件），以用于裝備結(jié)構(gòu)試件的腐蝕疲勞試驗。

在上述步驟中，第 3）步試驗載荷譜的編制和第 5）步加速腐蝕環(huán)境譜的編制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)試件腐蝕-疲勞試驗的模擬性與加速效果，將對裝備結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計和壽命評定工作產(chǎn)生重要影響。

3 裝備關(guān)重件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗譜實例

3.1 裝備壽命-環(huán)境剖面分析

某型裝備的服役壽命歷程一般包括地（艦）面庫房存放、測試維護、待命準(zhǔn)備、戰(zhàn)備值班、掛飛等主要事件，大致可以劃分為地（艦）面存放—空中飛行—地面存放（即“地—空—地”）的周期循環(huán)過程。其中地（艦）面存放及測試維護時間占據(jù)大部分的服役日歷壽命（約占 95%以上），并經(jīng)受地面存放大氣環(huán)境的腐蝕作用，其余時間主要為裝備戰(zhàn)備值班的掛飛過程，經(jīng)受載機掛飛振動引起的交變載荷與空中腐蝕環(huán)境的協(xié)同作用。環(huán)境/載荷譜表示裝備結(jié)構(gòu)件經(jīng)受環(huán)境-載荷作用的時間歷程，典型地—空—地環(huán)境/載荷-時間歷程如圖1所示。

圖1 裝備結(jié)構(gòu)件典型地—空—地環(huán)境/載荷時間歷程Fig.1 Typical time period of ground-sky-ground environment & load spectrum for materiel structure

3.2 腐蝕環(huán)境試驗譜

以裝備服役期面臨的島礁或艦面海洋大氣環(huán)境為例，按照腐蝕環(huán)境試驗譜的設(shè)計方法，由環(huán)境因素數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計分析和當(dāng)量腐蝕加速得到的地面存放大氣環(huán)境譜[15]及加速腐蝕試驗譜見表1。目前，加速腐蝕試驗譜一般包括鹽溶液周期浸潤試驗和鹽霧噴淋試驗等類型，文中采用一種典型的酸性鹽霧干濕循環(huán)試驗方法進行說明，以便于實現(xiàn)腐蝕應(yīng)力與疲勞載荷的原位交替或協(xié)同施加。

表1 加速腐蝕試驗譜（酸性鹽霧干濕循環(huán)）Tab.1 Accelerated corrosion test spectrum(dry and wet cycle of acidic salt mist)

由于空中大氣環(huán)境及腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù)隨飛行高度變化的規(guī)律復(fù)雜，且實時監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏，在實驗室條件下進行試驗?zāi)M和加速等效較為困難。空中掛飛總時間相對于地面存放時間較短，并且腐蝕環(huán)境與疲勞載荷的協(xié)同效應(yīng)是一個緩慢的促進過程。從便于工程實施的角度考慮，偏冒險設(shè)計時，可以忽略空中腐蝕時間及腐蝕作用效果，即在結(jié)構(gòu)試件掛飛疲勞加載期間不疊加腐蝕環(huán)境。偏安全設(shè)計時，可以在結(jié)構(gòu)試件疲勞加載期間疊加與地面腐蝕模擬相同的試驗條件，以對試件腐蝕-疲勞協(xié)同效應(yīng)進行加嚴(yán)考核。

3.3 疲勞試驗載荷譜

以裝備吊掛結(jié)構(gòu)件為例，按照疲勞試驗載荷譜的設(shè)計方法，由結(jié)構(gòu)設(shè)計及實測載荷數(shù)據(jù)編制的疲勞試驗載荷譜見圖2和表2。載荷譜根據(jù)飛機典型飛行任務(wù)剖面，給出地面滑行、離場機動、爬升突風(fēng)、平飛突風(fēng)、平飛機動、下滑突風(fēng)、進場機動和著陸撞擊共8種任務(wù)段，并按任務(wù)段組合了吊掛結(jié)構(gòu)載荷作用點的疲勞載荷值及施加次數(shù)。

圖2 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞載荷施加示意Fig.2 Schematic drawing of hanging structure fatigue load imposed

3.4 腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗譜

基于編制的腐蝕環(huán)境試驗譜及疲勞試驗載荷譜，利用腐蝕-疲勞協(xié)同作用環(huán)境/載荷譜的編制原則和方法，結(jié)合某裝備服役壽命-環(huán)境剖面，按照“地—空—地”的周期循環(huán)過程對環(huán)境譜和載荷譜進行組合和編排，即可得到裝備吊掛結(jié)構(gòu)試件的腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗譜（如圖3所示），也稱為試驗剖面。試驗時，吊掛結(jié)構(gòu)試件需要循環(huán)執(zhí)行如圖3所示的環(huán)境/載荷試驗譜（試驗剖面），直至試件發(fā)生失效或達到其它試驗終止條件。

在圖3所示參數(shù)中，地面存放腐蝕試驗持續(xù)時間t1=tm/a。a為加速腐蝕試驗譜對于目標(biāo)存放環(huán)境的加速系數(shù)，tm為實際地面存放時間平均值。空中掛飛疲勞試驗譜施加次數(shù)N=（N0·t0）/L，N0為擬驗證的裝備掛飛次數(shù)，t0=(tm+t2)·a，表示執(zhí)行完 1次“地—空”應(yīng)力加速試驗所等效的實際使用時間，L為擬驗證的裝備設(shè)計使用壽命。空中掛飛腐蝕試驗持續(xù)時間t2等同于執(zhí)行完N次疲勞試驗譜的時間。

表2 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞載荷譜數(shù)據(jù)Tab.2 Fatigue load spectrum data of hanging structure

圖3 吊掛結(jié)構(gòu)試件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗譜（試驗剖面）Fig.3 Corrosion-fatigue environment & load test spectrum of hanging structure specimen (test section)

4 結(jié)語

文中針對某裝備關(guān)重件在服役過程中經(jīng)歷的大氣腐蝕與動態(tài)疲勞綜合應(yīng)力，分析了腐蝕環(huán)境與疲勞載荷的協(xié)同作用過程與環(huán)境效應(yīng)特點，歸納出基于腐蝕-疲勞協(xié)同作用的環(huán)境/載荷試驗譜編制原則及一般方法，并給出吊掛結(jié)構(gòu)件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷譜及當(dāng)量加速試驗譜的編制實例。裝備相關(guān)耐腐蝕及腐蝕-疲勞性能試驗研究結(jié)果表明，該環(huán)境/載荷試驗譜激發(fā)的結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律與外場失效過程大致相近，可用于研究裝備關(guān)重件的腐蝕-疲勞協(xié)同環(huán)境效應(yīng)及加速試驗評價方法等工作。