不同環(huán)境下2D70鋁合金低周疲勞性能的研究

(洪都航空工業(yè)集團，江西南昌，330024)

1 前言

通常依據(jù)實驗室空氣環(huán)境下材料的低周疲勞性能數(shù)據(jù)來估算飛機疲勞壽命。然而，飛機構件在服役期內(nèi)會受到工業(yè)廢氣、潮濕天氣等腐蝕，實際所處環(huán)境與實驗室是不同的[1]。研究不同環(huán)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重要的意義。2D70 Al合金是航空工業(yè)重要的難變形材料，在航空領域應用廣泛。目前國內(nèi)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(huán)境的疲勞性能未見報道，對其它金屬材料在腐蝕環(huán)境的疲勞性能研究也很少，僅限于濕空氣和鹽霧環(huán)境對疲勞裂紋擴展的影響[6－7]、硫化氫環(huán)境疲勞試驗的自動測控系統(tǒng)研制[8]、腐蝕裝置的設計[9]。本文通過對2D70 Al合金在空氣、濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO24種環(huán)境進行低周疲勞試驗，探討了金屬材料在腐蝕環(huán)境下低周疲勞試驗方法，并研究了不同環(huán)境對2D70 Al合金低周疲勞性能的影響。該研究成果已被設計部門用于預測飛機在腐蝕環(huán)境的低周疲勞壽命。

2 實驗

2.1 實驗方法和材料

在實驗室空氣、濕空氣(R.H.≥90%)、3.5%NaCl鹽霧和3.5%NaCl鹽霧+SO24種環(huán)境對2D70 Al合金進行低周疲勞試驗，參照GB/T15248-1994、ASTM B117-85及相關標準進行。加載方式為軸向應變控制(應變比R=－1)，循環(huán)波形為三角波，應變速率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%。試驗結束后，在雙對數(shù)坐標紙上繪制 Δεe/2－2Nf曲線、Δεt/－2Nf曲線、Δεp/2－2Nf曲線及Δσ/2－Δεp/2曲線，計算出參量，擬合得到循環(huán)σ-ε曲線及應變－壽命曲線。

試驗材料為2D70鋁合金，板厚40 mm，熱處理狀態(tài)T6態(tài)，取樣方向L向，性能參數(shù)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Table 1 Properties of 2D70 alloy

2.2 實驗裝置

試驗裝置包括MTS810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。

腐蝕盒參考吳寶娟等人的設計[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鹽霧+SO2介質環(huán)境，運用了醫(yī)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Fig.1 Sketch of the corrosion box connected with air inlet pipe

2.3 引伸計的安裝

由于是低周疲勞實驗，采用的是引伸計應變控制方式。在對每根試樣進行實驗時，發(fā)現(xiàn)因引伸計失穩(wěn)，造成應變控制失效，最終實驗失敗的問題較嚴重。經(jīng)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，實驗中引伸計極易失穩(wěn);②腐蝕環(huán)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(xiàn)疲勞損傷，造成應變控制失效;③引伸計刀口在腐蝕環(huán)境長期實驗后，易產(chǎn)生缺口，使得實驗中引伸計滑動。針對以上影響因素，通過大量實驗摸索，我們想出了可行的解決辦法:①引伸計刀口固緊在試樣上時，調(diào)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(xù)使用，或者更換刀口。避免因刀口損傷造成的應變控制失效。

2.4 腐蝕介質的流通

實驗環(huán)境包括濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO23種腐蝕環(huán)境，實驗時間一長，濕空氣在連接管中冷凝成水，鹽霧堵塞加濕器，造成腐蝕介質流通不暢，影響實驗。為此，在實驗過程中須經(jīng)常觀察腐蝕介質的流通狀況，經(jīng)常清潔加濕器易堵塞處，并經(jīng)常疏通連接管。另外，在鹽霧+SO2環(huán)境中，因SO2氣體有毒，一定要將門窗打開，將SO2氣體隨時排出。

3 結果及分析

4種環(huán)境實驗得到的循環(huán)σ-ε曲線及應變—壽命曲線分別見圖2、圖3。

由圖2，在同一坐標對比4種環(huán)境2D70的循環(huán)σ-ε曲線，可看出，應變相同時，循環(huán)應力大小為:空氣＞濕空氣＞鹽霧＞鹽霧+SO2。由圖3，在同一坐標對比4種環(huán)境2D70的應變－壽命曲線，可看出，應變相同時，低周疲勞壽命大小為:空氣＞濕空氣＞鹽霧及鹽霧+SO2，鹽霧和鹽霧+SO2環(huán)境下2D70的低周疲勞壽命相近并為最低。

圖2 4種環(huán)境循環(huán)的σ-ε曲線Fig.2 σ-ε curves under four conditions

圖3 4種環(huán)境應變－壽命曲線Fig.3 Strain-life curves under four conditions

空氣環(huán)境低周疲勞試樣斷口見圖4、圖5。由圖4知，空氣環(huán)境低周疲勞斷口高差較大，裂紋起始于試樣表面，由圖5可見明顯二次裂紋，并出現(xiàn)疲勞條帶、韌窩，多為塑性條帶。

腐蝕環(huán)境低周疲勞試樣斷口見圖6、圖7。在圖6和圖7中，肉眼無法辨別腐蝕環(huán)境低周疲勞斷口的疲勞源和裂紋擴展區(qū)，經(jīng)200ml∶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(huán)境由于含有水蒸汽，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鹽霧，則會加速氫脆的發(fā)生。這也就印證了4.1的結果分析。

4 結論

在實驗室空氣、濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO24種環(huán)境，當應變相同時，隨腐蝕環(huán)境增強，2D70 Al合金的循環(huán)應力降低;當應變相同時，2D70 Al合金在鹽霧及鹽霧+SO22種環(huán)境下低周疲勞壽命相近，并且隨腐蝕環(huán)境增強，低周疲勞壽命降低;隨腐蝕環(huán)境增強，材料疲勞損傷程度越大。

References

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