鋁合金腐蝕損傷規(guī)律及蝕坑當(dāng)量化技術(shù)研究

何衛(wèi)平 陳 勃 曹定國

(1.中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035 ；2 .北京航空材料研究院，北京 100095 )

2024和7B04鋁合金是非常重要的飛機結(jié)構(gòu)材料，其疲勞性能受到腐蝕較嚴重的影響。腐蝕損傷的形成機制與擴展規(guī)律及蝕坑初始裂紋當(dāng)量化直接影響材料疲勞壽命的評定，是預(yù)測飛機結(jié)構(gòu)腐蝕等級、確定日歷壽命和檢修周期的重要依據(jù)之一，在飛機結(jié)構(gòu)壽命設(shè)計與評定中具有重要意義。

腐蝕損傷對疲勞的影響，尤其是預(yù)腐蝕損傷下疲勞壽命及裂紋擴展壽命的評估方法，向來是腐蝕疲勞研究的重點。目前大部分研究主要采用腐蝕修正系數(shù)法，如C（t）曲線法、DFR腐蝕修正法等。本文研究了腐蝕初始損傷當(dāng)量為微裂紋的當(dāng)量化技術(shù)，然后基于斷裂力學(xué)法以小裂紋擴展分析模型對鋁合金疲勞壽命進行了計算，最后與試驗結(jié)果進行了分析比較。

1 腐蝕損傷的形成與擴展規(guī)律研究

1.1 試驗件及試驗方法[1，2]

試驗件材料分別為2024–T62和7B04–T74兩種鋁合金，采用單邊缺口拉伸（SENT）試樣。預(yù)制腐蝕坑的位置相應(yīng)于孔表面裂紋位置和角裂紋位置兩種，見圖1。

試驗件的腐蝕環(huán)境為3.5% NaCl溶液和3.5%中性鹽霧。采用的預(yù)腐蝕時間分別為12h、24h、 48h、96h、192h共5個時間點。

圖1 預(yù)制腐蝕坑位置示意圖

本文中所有的試驗嚴格按對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)實施，按ASTM G1–03《腐蝕試樣的制備，清洗和評定》[3]進行腐蝕試樣的清洗和準(zhǔn)備，依據(jù)GJB 150.11A–2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 鹽霧試驗》[4]開展中性鹽霧試驗，按HB 5287–1996《金屬材料軸向加載疲勞試驗方法》[5]開展試驗獲得壽命預(yù)測的疲勞壽命。試樣的非試驗部分采取密封保護。

1.2 腐蝕坑形成機制的微觀分析

圖2為預(yù)制腐蝕坑的典型三維視圖，圖3分別為2024–T62和7B04–T74鋁合金在3.5% NaCl溶液中的單腐蝕坑典型形貌。可以看出，兩種材料在相同腐蝕環(huán)境下腐蝕坑的形貌特征有所不同：2024鋁合金在微小區(qū)域的中間或邊緣產(chǎn)生小腐蝕坑（如圖3a所示），其腐蝕為典型的點蝕模式；而7B04鋁合金暴露區(qū)域整體凹陷，腐蝕坑深度非常淺（見圖3b），用體式顯微鏡無法觀測其深度，其腐蝕表現(xiàn)為剝蝕機制。

根據(jù)去除腐蝕產(chǎn)物后，使用金相顯微鏡觀察5種不同腐蝕時間產(chǎn)生的腐蝕坑截面，圖4顯示了兩種材料腐蝕24h、48h、96h、192h四個時間段的截面金相圖。

從圖4可以看出，兩種鋁合金的腐蝕坑的形貌和腐蝕程度是不同的。2024鋁合金腐蝕程度較為嚴重，其腐蝕深度和面積均大于7B04鋁合金。

表1為2024和7B04鋁合金不同腐蝕時間最大腐蝕坑深度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。對于每個腐蝕時間點，2024鋁合金最大腐蝕坑深度約為7B04鋁合金的2倍。由兩種材料都可以看到，隨著腐蝕時間的延長腐蝕坑擴展速度減緩。

為進一步研究腐蝕坑的微觀形貌及底部是否產(chǎn)生腐蝕微裂紋，使用JSM–5800掃描電子顯微鏡觀察了腐蝕坑底部形貌（見圖5）。

圖2 預(yù)制腐蝕坑的典型三維視圖

圖3 2024–T62和7B04–T74鋁合金單腐蝕坑典型形貌

圖4 2024和7B04鋁合金腐蝕坑截面

表1 2024和7B04最大腐蝕坑深度（單位：μ m）

圖5 2024和7B04鋁合金腐蝕坑底部掃描電鏡照片

可以看到，2024鋁合金腐蝕坑邊緣較平滑。腐蝕初期（如圖5a）腐蝕坑底部較平，在坑底中央有裂紋產(chǎn)生。腐蝕192h后（如圖5c）腐蝕坑呈片層狀，底部有裂紋出現(xiàn)。相比之下，7B04鋁合金腐蝕坑邊緣比較復(fù)雜。腐蝕初期（如圖5b）腐蝕坑底部凹凸不平，有多處裂紋產(chǎn)生。腐蝕192h后（如圖5d）腐蝕坑底部呈現(xiàn)塊狀形貌，塊與塊交界處有裂紋出現(xiàn)。這些腐蝕裂紋、片層交界、塊與塊交界等位置容易發(fā)生應(yīng)力集中形成疲勞源，導(dǎo)致裂紋的進一步擴展以及材料的應(yīng)力腐蝕斷裂。

1.3 腐蝕損傷特征量的擴展規(guī)律

腐蝕坑大小可用深度和面積表征，試驗中統(tǒng)計了2024鋁合金在3.5%中性鹽霧和3.5% NaCl溶液環(huán)境中表面裂紋與角裂紋兩種單腐蝕坑深度和面積與腐蝕時間的對應(yīng)關(guān)系，本文表2只列出了2024鋁合金在兩種環(huán)境下各試樣表面裂紋單腐蝕坑的平均深度和平均面積。

國內(nèi)外對鋁合金腐蝕深度與腐蝕時間的關(guān)系尚未有公認的經(jīng)驗公式，但有文獻[3]指出鋁合金深度與腐蝕時間成冪函數(shù)關(guān)系，本文嘗試用冪函數(shù)來描述腐蝕坑深度D、表面積S與腐蝕時間T的關(guān)系及腐蝕坑表面積S與腐蝕坑深度D的關(guān)系，2024兩種環(huán)境表面裂紋單腐蝕坑腐蝕曲線見圖6。

表3中列出了2024鋁合金在3.5%中性鹽霧和3.5% NaCl溶液兩種環(huán)境下表面裂紋與角裂紋的深度D、表面積S與腐蝕時間T 的關(guān)系及腐蝕坑表面積S與腐蝕坑深度D的關(guān)系曲線擬合方程。用冪函數(shù)擬合的曲線方程具有較好的線性相關(guān)性，實現(xiàn)了腐蝕損傷特征量與腐蝕時間的規(guī)律量化。

2 蝕坑的裂紋當(dāng)量化技術(shù)研究

2.1 蝕坑當(dāng)量化裂紋方法

文獻已報道許多預(yù)腐蝕損傷對疲勞壽命的影響研究方法，如冪函數(shù)模型[7]、灰色模型[8]等等。對基于斷裂力學(xué)方法進行疲勞壽命的預(yù)測，首先需要將蝕坑當(dāng)量成為初始裂紋，不同的當(dāng)量化處理方法會對預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生影響。本文研究了當(dāng)前國外主要采用的蝕坑裂紋當(dāng)量化處理方法，包括：

按平均蝕坑深度和寬度將蝕坑直接當(dāng)量成為半橢圓表面裂紋；

按萌生裂紋的蝕坑深度和寬度當(dāng)量成為半橢圓表面裂紋；

按面積等效的方法將蝕坑當(dāng)量為半圓表面裂紋，如圖7所示；

表2 2024鋁合金兩種腐蝕環(huán)境下表面裂紋單腐蝕坑深度和面積

圖6 2024兩種環(huán)境表面裂紋單腐蝕坑腐蝕曲線

表3 2024鋁合金在腐蝕環(huán)境中表面裂紋與角裂紋的腐蝕曲線方程

采用當(dāng)量初始缺陷尺寸（EIFS）方法當(dāng)量成為表面裂紋。

同時，利用FASTRAN軟件分析計算了半橢圓表面裂紋和當(dāng)量的半圓表面裂紋在2種應(yīng)力比R（0.06和0.5）、幾種疲勞載荷下疲勞壽命的差異，見表4。分析結(jié)果表明，按半橢圓表面裂紋與按面積當(dāng)量的半圓表面裂紋分別計算的裂紋擴展壽命基本相當(dāng)。

2.2 含蝕坑損傷試樣的疲勞壽命預(yù)測

采用上述的蝕坑裂紋當(dāng)量化方法，對含蝕坑損傷試樣的疲勞壽命進行估算和預(yù)測，并與試驗結(jié)果進行對比，以驗證當(dāng)量化技術(shù)的準(zhǔn)確性。

本文采用了小裂紋擴展分析方法和斷裂力學(xué)計算軟件（FASTRAN、AFGROW的閉合模型），分別計算了實驗室空氣下預(yù)腐蝕120 h和240 h等截面疲勞試樣，在R=0.06和0.5下的4條疲勞S–N曲線。方法步驟如下：

對試驗測定的長裂紋擴展速率曲線[1]進行處理，以得到FASTRAN、AFGROW軟件壽命預(yù)測所需的材料裂紋擴展基線數(shù)據(jù)，如圖8所示。

采用斷口SEM觀測獲得的萌生裂紋蝕坑的平均尺寸，用按面積當(dāng)量為半圓裂紋和半橢圓表面裂紋的當(dāng)量化方法，當(dāng)量化腐蝕坑作為初始裂紋尺寸，見表5。

假設(shè)從第一次循環(huán)裂紋就開始擴展，采用FASTRAN和AFGROW的閉合模型，分別計算實驗室空氣下預(yù)腐蝕120 h和240 h等截面疲勞試樣，獲得在R = 0.06和0.5下的4條疲勞S–N曲線。

預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果[2]對比如圖9所示。從圖9中可以看出，預(yù)測和試驗結(jié)果吻合很好，驗證了腐蝕損傷裂紋當(dāng)量化方法及基于斷裂力學(xué)方法預(yù)測含腐蝕損傷鋁合金疲勞壽命的可行性，為將該方法應(yīng)用到結(jié)構(gòu)模擬件提供了依據(jù)。

表4 不同當(dāng)量化處理方法的疲勞壽命對比（／千周）

3 結(jié)論

通過對2024–T62和7B04–T74兩種鋁合金的腐蝕損傷形成/擴展規(guī)律和蝕坑當(dāng)量化研究，得到以下結(jié)論：

兩種鋁合金材料的腐蝕機制不同，但蝕坑底部均出現(xiàn)了腐蝕微裂紋；

圖7 半圓表面裂紋的當(dāng)量化處理方法

表5 壽命預(yù)測采用的初始缺陷尺寸

圖8 用于壽命預(yù)測的裂紋擴展基線數(shù)據(jù)

圖9 腐蝕初始損傷當(dāng)量化預(yù)測和試驗疲勞壽命結(jié)果的對比

2024鋁合金腐蝕坑深度、表面積與腐蝕時間的關(guān)系呈冪函數(shù)關(guān)系；

采用蝕坑裂紋當(dāng)量化方法及基于小裂紋擴展的含腐蝕損傷疲勞壽命曲線，預(yù)測2024鋁合金的疲勞壽命與試驗結(jié)果很好吻合，驗證了此模型用于腐蝕疲勞壽命預(yù)測的可行性。

[1] 陳勃. 腐蝕環(huán)境下典型飛機結(jié)構(gòu)材料及鉚接壁板結(jié)構(gòu)多位損傷（容限）評估分析技術(shù)[R]. 北京航空材料研究院科研報告. 2007.11.

[2] 曹定國，任三元.中國海軍科技報告[R].典型鋁合金材料和鉚接件多位腐蝕損傷試驗報告.中國特種飛行器研究所.荊門.2008.11.

[3] ASTM G1–03 腐蝕試樣的制備，清洗和評定[S]. [4] GJB 150.11A–2009 軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法 鹽霧試驗[S].

[5] HB 5287–1996 金屬材料軸向加載疲勞試驗方法[S].

[6] GB/T 16545–1996 金屬和合金的腐蝕：腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除[S].

[7] 陳群志，孫玉祥等. 海軍飛機結(jié)構(gòu)高性能耐蝕材料優(yōu)選[R]. 605所科研報告，2004.

[8] 劉延利，鐘群鵬等.飛機鋁合金預(yù)腐蝕與疲勞性能灰色模型研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，129-132.