基于DFR的2024-T3鋁合金當量加速關系試驗研究

王繼普，楊衛平，陳躍良，張彥軍，史志俊

基于DFR的2024-T3鋁合金當量加速關系試驗研究

王繼普1，楊衛平1，陳躍良2，張彥軍1，史志俊1

（1. 航空工業第一飛機設計研究院，西安 710089；2. 海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041）

提出以反映結構材料疲勞性能的DFR為表征參量，研究建立2024-T3鋁合金結構在大氣自然環境預腐蝕與實驗室加速試驗預腐蝕后的DFR關系，為腐蝕環境下飛機鋁合金結構的疲勞壽命設計提供方法。以2024-T3鋁合金試驗件為研究對象，分別開展典型海洋大氣環境自然暴露腐蝕后的DFR試驗以及實驗室加速腐蝕試驗后的DFR試驗，以DFR相等為條件，建立上述2種不同預腐蝕條件之間的DFR當量加速關系。2024-T3鋁合金在自然暴露預腐蝕環境與實驗室加速預腐蝕后的DFR值隨腐蝕時間的增加均有不同程度的下降，萬寧和青島的DFR當量加速值分別為0.642 1、0.701 2 a/d。基于DFR的當量加速關系綜合反映了預腐蝕對結構材料疲勞性能退化的影響，而DFR是飛機結構疲勞設計的基本參量，文中建立的當量加速關系可用于指導腐蝕環境下鋁合金的疲勞壽命設計分析。

DFR；2024-T3鋁合金；海洋大氣自然暴露；當量加速關系；腐蝕；疲勞

在軍用飛機設計過程中，相關標準[1]和規范會對機體結構壽命指標做出明確要求，機體結構壽命指標通常有3項：飛行小時數、飛行起落數和日歷年限，且3個指標以先到為限作為結構壽命指標的控制原則。飛行小時數和飛行起落數主要反映使用中交變載荷對飛機所造成的疲勞損傷，故也稱為疲勞壽命；日歷年限則反映飛機在服役環境（如腐蝕、維護水平等）下，能夠保證其正常功能性能的持續日歷時間，也稱其為日歷壽命。飛機結構的疲勞壽命和日歷壽命均包括首翻修、修理間隔與總壽命。日歷壽命與疲勞壽命的消耗，有著各自的特點和規律，壽命指標很難同步到達，不是造成日歷壽命浪費就是疲勞壽命浪費。飛機結構疲勞設計的根本要求是：必須“是用盡可能小的經濟成本，保證在飛機的整個設計使用壽命期內，結構安全性、結構能力、耐久性和可保障性處于期望的水平之上”[2]。飛機在實際服役過程中，不可避免地受到各種腐蝕環境介質的作用，使飛機結構金屬材料產生腐蝕，非金屬材料發生老化，從而影響飛機壽命。因此，飛機結構疲勞設計過程中必須考慮腐蝕環境的影響。飛機飛行時間遠小于地面停放時間，且高空腐蝕環境因素較弱，飛機結構腐蝕環境的作用主要發生于地面停放階段，載荷與環境的作用模式主要為預腐蝕–疲勞。飛機結構疲勞設計時，按服役過程中實際時間歷程來考慮環境腐蝕對結構的影響是十分困難的，也無法滿足型號研制進度的需求。工程上，一般采用加速腐蝕試驗技術來模擬這種影響，加速腐蝕試驗技術的核心是加速環境譜和當量加速關系[3]。目前當量加速關系的建立通常采用以下3種方法：當量折算法、腐蝕程度對比法、疲勞強度（壽命）對比法[4]。疲勞強度通常可用細節疲勞額定值（Detail Fatigue Rating，DFR）表示，腐蝕后具有相同的DFR值，表示其疲勞強度相同。DFR的定義為相應應力比=0.06、壽命=105時的最大應力值，該數值具有95%可靠度、95%置信度[5]。

疲勞強度（壽命）對比法主要用于結構疲勞關鍵部位，而結構疲勞關鍵部位的設計又是飛機結構疲勞設計的重點，結構疲勞關鍵部位設計品質直接決定整個飛機結構疲勞品質。DFR作為表征飛機結構特定細節疲勞品質的最直接參數，其獨特的優點是：采用以疲勞裕度表征的疲勞檢查方法類似于用強度裕度表示的靜強度校核方法，容易被設計人員接受和掌握，在打樣階段就能進行，大大提高了工作和設計質量，因而在飛機設計過程中被廣泛使用。若能獲得基于DFR值的典型加速試驗腐蝕環境與飛機結構預期服役腐蝕環境下的當量加速關系，對考慮腐蝕作用的飛機結構疲勞設計將具有重要意義。

鋁合金因其優良的性能在現代飛機結構設計中得到廣泛應用[6-7]，2024鋁合金由于具有較高強度和良好的疲勞性能等優點[8-11]而被大量應用于飛機機身、機翼等結構中。某飛機的主要服役環境為海洋腐蝕環境，海洋環境的高溫、高濕、高鹽等“三高”腐蝕環境極易引起2024鋁合金材料的腐蝕[12-14]，從而導致材料疲勞性能降低，影響飛機結構疲勞壽命。

在飛機結構疲勞設計過程中，一般條件下（不考慮腐蝕影響，下同），疲勞壽命分析采用DFR方法，考慮腐蝕環境的影響時，采用腐蝕條件下修正的DFR方法。該方法通過修正結構的DFR值來分析腐蝕對結構疲勞壽命的影響，因此需要獲得結構在預期服役環境下的DFR值及變化規律。工程上，一般通過建立典型結構加速試驗和預期使用環境的當量加速關系，來預估飛機預期使用環境下的DFR值及變化規律。考慮腐蝕影響的飛機結構疲勞設計，在飛機結構防護涂層失效前，按一般條件下對結構疲勞壽命進行分析，即不考慮腐蝕環境的影響。當結構防護涂層失效后，認為涂層已不能對結構起到防護作用，此時按不帶防護涂層的結構（即裸材）考慮腐蝕環境對其壽命的影響，進而進行結構疲勞壽命分析。因此，不帶防護涂層的基材在預期使用腐蝕環境下的DFR性能數據，是結構疲勞壽命設計的重要依據。

鑒此，本文以飛機2024-T3鋁合金為研究對象，設計制作試驗件，開展典型海洋大氣環境自然暴露試驗和實驗室加速腐蝕試驗后的疲勞試驗，以DFR值作為特征參量，建立基于DFR當量的不同預腐蝕條件下的加速關系，用于指導腐蝕環境下鋁合金的疲勞壽命設計分析。

1 試驗

1.1 試驗件

試驗件由飛機常用的2024-T3鋁合金預拉伸板材加工而成，表面粗糙度為3.2 μm，結構形式與尺寸如圖1所示。圖1中，為板材軋制方向，厚度為6 mm，材料主要成分見表1。試驗件按飛機實際工藝進行表面硫酸陽極化處理，但不帶防護涂層。

圖1 DFR上限值試驗件

表1 2024-T3鋁合金主要化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of 2024-T3 aluminum alloy (mass fraction) %

1.2 環境條件

環境試驗分為2種：外場大氣環境自然暴露試驗和實驗室加速腐蝕環境試驗。大氣環境自然暴露試驗地點分別為山東青島小麥島環境站和海南萬寧環境站，大氣環境自然暴露試驗按照相關標準[15-18]的規定進行。

實驗室加速腐蝕環境參考北大西洋公約組織在9個國家的實驗室開展預腐蝕對結構疲勞壽命影響時所用的實驗室加速環境譜[19-20]（以下簡稱“周浸譜”），該試驗環境譜可以很好地再現外場飛機金屬結構出現的腐蝕損傷[21-23]，其具體組成如下所述。

1）酸性NaCl溶液浸泡：在5%的NaCl溶液中加入少量稀硫酸，使其pH為4.0～4.5，溶液溫度為(40±2) ℃。

2）在溫度為40 ℃和相對濕度為90%～100%的潮濕空氣中，用遠紅外線燈照射烘干試驗件，調節遠紅外線的功率，使試驗件在臨近浸入溶液時恰好被烘干。

1個加速譜周期為30 min，浸泡7.5 min，溶液外22.5 min。實驗室加速預腐蝕試驗在ZJF周期浸潤腐蝕試驗箱中進行，預腐蝕試驗過程如圖2所示。

1.3 疲勞試驗條件

疲勞試驗在MTS 810材料試驗機上進行，試驗機載荷范圍為±500 kN，位移行程為±75 mm，頻率為0～100 Hz，靜載誤差小于1%，動載誤差小于2%。疲勞試驗根據文獻[24]的要求，在室溫大氣環境下進行，試驗溫度為15～30 ℃，采用軸向加載的方式，試驗載荷譜為等幅正弦波，應力比=0.06，最大應力水平依據試驗情況確定。

圖2 實驗室加速腐蝕試驗環境譜

1.4 試驗過程

1）大氣環境自然暴露試驗。將試驗件按照不同用途進行編號，然后分別置于萬寧試驗站和青島試驗站進行大氣自然暴露試驗。試驗件按照文獻[15]的要求放置，所有試驗件主受試面朝南，與水平面成45°角，使用絕緣橡膠和螺釘固定于試驗件架上。在試驗過程中，定期觀察試驗件的正面和反面，并根據觀察結果確定是否需要移動試驗件，對任何明顯的外觀變化或不尋常特征的出現進行拍照，同時記錄腐蝕產物的顏色、結構和均勻性，以及它們附著性、隨暴露時間的延長與表面剝離的傾向等。對完成外場大氣環境自然暴露0.5、1、2、3 a的試驗件分批取回。

2）實驗室加速腐蝕試驗。將編號后的試驗件放入ZJF周期浸潤試驗箱，再按照圖2所示的試驗流程進行實驗室加速腐蝕試驗。在試驗過程中，定期監測溶液的pH值，若高于4.5時，加入稀H2SO4調節至要求范圍內。對完成0.25、0.5、1、1.5、3、4.5 d后的試驗件分批取出。

3）疲勞試驗。對完成腐蝕狀況測量的試驗件，在MTS 810材料試驗機上進行疲勞試驗，通過調節加載應力水平，控制試驗件疲勞壽命在1.5×105～ 4×105次循環內，試驗頻率為10 Hz。調節加載應力水平的方法：先根據經驗初步確定一應力水平，在此應力水平下進行疲勞試驗，若試驗件疲勞壽命在給定的壽命范圍內，則在此應力水平下繼續進行疲勞試驗，試驗件有效件數不少于3件，以此應力水平作為該組試驗件疲勞試驗的應力水平。若在初步確定應力水平下，試驗件的疲勞壽命低于給定疲勞壽命范圍，則適當降低應力水平，重新進行疲勞試驗，經過1次或多次調試，使得至少3件試驗件的疲勞壽命在給定疲勞壽命范圍內，將此時的應力水平作為最終疲勞試驗的應力水平。反之，則適當提高應力水平，通過同樣的方式，確定最終疲勞試驗應力水平。

2 結果及分析

2.1 疲勞試驗

表2 可疑觀察值取舍限度

Tab.2 Optional limit of suspicious observation values

圖3 腐蝕后疲勞試驗結果

2.2 DFR計算

DFR試驗數據的處理和計算采用“單點法”（標準-曲線法）進行，即先根據疲勞壽命試驗數據求得特征壽命，然后根據DFR試驗件的試驗件系數T、置信度系數C和可靠度系數R求得可靠度=95%、置信度=95%的試驗壽命95/95，再根據單點法計算公式計算出DFR值。具體計算方法如下：

1）按照Weibull分布分別求出各組試驗數據的特征壽命：

式中：為試驗件數目；N為試驗件的疲勞壽命；為分散性參數，對于鋁合金，=4.0。

2）求可靠度=95%、置信度=95%的壽命：

式中：T為試驗件系數；R為可靠度系數；c為置信度系數。各系數取值分別見表3—5[5,24]。

3）單點法求DFR值（DFR）：

式中：為雙對數標準-曲線斜度參數；m0為材料參數。對于平均應力為常數的鋁合金，=2，m0=310 MPa。

表3 試件系數T

Tab.3 Test piece factor ST

表4 可靠性系數R（95%可靠度）

Tab.4 Reliability factor SR (95% degree of reliability)

表5 置信度系數C（95%置信度）

Tab.5 Confidence coefficient SC (95% degree of confidence)

按照上述計算方法，計算得到各組試驗件DFR結果見表6。

表6 DFR計算結果

Tab.6 DFR calculation results

2.3 DFR變化分析

研究表明[25]，同一試驗件大氣暴露時間、加速腐蝕時間與DFR值分別具有以下關系：

式中：DFR0、DFR為腐蝕前后試驗件的DFR值；為大氣暴露時間，a；為加速腐蝕時間，d；n、n為擬合常數。

對式（4）和式（5）進行對數變換可得：

利用式（6）和式（7）對大氣環境自然暴露和加速腐蝕后2024-T3試驗件的試驗數據進行擬合，擬合結果如下。

1）萬寧站大氣環境自然暴露數據：

相關系數2=0.976 2。

2）青島大氣環境自然暴露數據：

相關系數2=0.976 3。

3）實驗室加速腐蝕數據擬合：

相關系數2=0.980 2。

擬合曲線如圖4所示，萬寧站和青島站試驗數據對應=lg[lg(+10)]，實驗室數據對應=lg[lg(+10)]。從圖4可以看出，無論是大氣環境自然暴露還是加速腐蝕，2024-T3鋁合金的DFR值均隨著時間的增加呈現下降的趨勢，說明兩者均會導致2024-T3鋁合金試驗件疲勞性能退化，表現為其DFR值的降低。同時，萬寧站大氣環境自然暴露試驗件DFR值擬合曲線的斜率相對于青島站更大，表明DFR值下降得更快，說明萬寧站海洋大氣腐蝕環境對2024-T4鋁合金的疲勞性能較青島站更嚴酷。

圖4 腐蝕后DFR值擬合曲線

2.4 當量加速關系的確定

飛機結構以DFR作為疲勞特征參量的當量加速關系定義為[26]：以預腐蝕后結構在室溫大氣環境下的DFR作為指標，以、分別代表大氣環境自然暴露環境和實驗室加速環境下的腐蝕時間，則DFR是腐蝕時間的函數DFR()、DFR()，則當2種環境下的DFR值相同時，對應的腐蝕時間之比稱為實驗室加速腐蝕對大氣環境自然暴露的當量加速關系，即：

式中：DFR()表示大氣環境自然暴露時間后的DFR值；DFR()表示實驗室加速預腐蝕時間后的DFR值；為基于DFR值相等條件下不同試驗條件的腐蝕時間比值，即加速比。

基于DFR值的當量加速關系可表示為：

利用表6數據，當量加速關系計算結果見表7。由表7可以看出，加速實驗室1 d相當于萬寧大氣環境自然暴露0.642 1 a，相當于青島大氣環境自然暴露0.701 2 a。

表7 回歸曲線參數

Tab.7 Parameters for regression curve

3 結論

腐蝕會導致2024-T3鋁合金試驗件疲勞性能的退化，表現為DFR值的降低。相對于青島站，萬寧站的DFR值降低更快。以DFR相等作為不同腐蝕環境的當量加速原則，實驗室加速腐蝕1 d相當于萬寧站大氣環境自然暴露0.642 1 a，相當于青島站大氣環境自然暴露0.701 2 a。在考慮腐蝕影響的飛機2024-T3鋁合金結構疲勞設計時，該方法是一種有效的手段。

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Experimental Research on Equivalent Accelerated Relationship of 2024-T3 Aluminium Alloy Based on DFR

WANG Ji-pu1, YANG Wei-ping1, CHEN Yue-liang2, ZHANG Yan-jun1, SHI Zhi-jun1

(1. The First Aircraft Design and Research Institute of AVIC, Xi'an 710089, China; 2. Qingdao Campus of Naval Aviation University, Shandong Qingdao 266041, China)

The work aims to take DFR that reflects the fatigue performance of structural materials as a characterization parameter to study and establish the DFR relationship of 2024-T3 aluminum alloy structure after pre-corrosion in natural environment and accelerated laboratory test, so as to provide a method for fatigue life design of aircraft aluminum alloy structure in corrosive environment. With 2024-T3 aluminum alloy test piece as the research object, the DFR test after natural exposure corrosion in typical marine atmospheric environment and accelerated corrosion in laboratory was carried out respectively. On the condition that DFR was equal, the DFR equivalent accelerated relationship between the above two different pre-corrosion conditions was established. After natural explosion in pre-corrosion environment and accelerated pre-corrosion in laboratory, the DFR of 2024-T3 aluminum alloy decreased to different degrees with the increase of corrosion time, and the DFR equivalent accelerated values in Wanning and Qingdao were 0.642 1 a/d, and 0.702 1 a/d, respectively. The equivalent accelerated relationship based on DFR comprehensively reflects the effect of pre-corrosion on the fatigue performance degradation of structural materials. DFR is the basic parameter for the fatigue design of aircraft structure, and the equivalent accelerated relationship established can be used to guide the fatigue life design and analysis of aluminum alloy in corrosive environment.

DFR; 2024-T3 aluminum alloy; natural exposure in marine atmospheric environment; equivalent accelerated relationship; corrosion; fatigue

2022-04-23；

2022-06-28

WANG Ji-pu (1980-), Male, Master.

V215.5

A

1672-9242(2023)02-0057-07

10.7643/ issn.1672-9242.2023.02.008

2022–04–23；

2022–06–28

王繼普（1980—），男，碩士。

王繼普, 楊衛平, 陳躍良, 等. 基于DFR的2024-T3鋁合金當量加速關系試驗研究[J]. 裝備環境工程, 2023, 20(2): 057-063.

WANG Ji-pu, YANG Wei-ping, CHEN Yue-liang, et al.Experimental Research on Equivalent Accelerated Relationship of 2024-T3 Aluminium Alloy Based on DFR[J]. Equipment Environmental Engineering, 2023, 20(2): 057-063.

責任編輯：劉世忠