7075鋁合金在不同溫度鹽水環(huán)境中的腐蝕疲勞行為

劉軒，劉慧叢，李衛(wèi)平，*，葉序彬，朱立群

1.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 空天先進(jìn)材料與服役教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191

2.北京航空材料研究院 檢測(cè)研究中心，北京 100095

腐蝕疲勞是影響飛機(jī)壽命的一個(gè)重要因素，尤其是在沿海一帶服役的飛機(jī)，由于海水的飛濺以及白天的長(zhǎng)時(shí)間曝曬，常常會(huì)處在高溫海水環(huán)境下，發(fā)生腐蝕的情況十分嚴(yán)重［1］，腐蝕損傷處往往會(huì)成為材料的疲勞裂紋源，降低材料的抗疲勞性能，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的安全可靠性造成重大威脅，甚至引發(fā)災(zāi)難事故［2-5］。

高強(qiáng)鋁合金由于具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、加工性能及焊接性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn)，在車(chē)輛和船舶工業(yè)部門(mén)有廣泛應(yīng)用，在航空航天領(lǐng)域更是不可或缺的材料，其中7075鋁合金廣泛用于制造飛機(jī)的主要受力零件，如大梁、桁條和起落架零件等［6-7］。但與其他牌號(hào)的結(jié)構(gòu)鋁合金相比，高強(qiáng)鋁合金腐蝕問(wèn)題更為突出，容易發(fā)生點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕等，進(jìn)而嚴(yán)重降低飛機(jī)的疲勞性能。在實(shí)際應(yīng)用中，通常在鋁合金表面包覆一層包鋁層，以提高材料的耐腐蝕性［8］。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于7075鋁合金的研究主要集中在腐蝕以及疲勞開(kāi)裂等方面。陳素晶等針對(duì)鋁合金腐蝕平均速率與瞬時(shí)速率的差異，根據(jù)腐蝕過(guò)程中試樣橫截面的變化與歐姆電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了新的腐蝕速率計(jì)算方法［9］；劉曉磊等用電化學(xué)噪聲表征7075鋁合金的模擬大氣腐蝕過(guò)程［10］；Burns等研究了低溫（-90℃～23℃）環(huán)境對(duì)7075鋁合金抗疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低，裂紋生長(zhǎng)速率下降［11］；回麗等研究了鹽水環(huán)境對(duì)預(yù)腐蝕7XXX鋁合金疲勞性能的影響［12］；馮先鋒研究了2024-T351鋁合金在室溫下3.5%NaCl溶液中平均應(yīng)力對(duì)腐蝕疲勞力學(xué)行為的影響規(guī)律以及缺口對(duì)腐蝕疲勞強(qiáng)度的影響［13］。從上述研究可以看出，目前室溫以上更高溫度下7075鋁合金的腐蝕疲勞行為研究較為不足，而實(shí)際情況是高溫環(huán)境往往對(duì)材料的腐蝕疲勞性能損傷很大，系統(tǒng)研究7075鋁合金在不同溫度鹽水環(huán)境下的腐蝕疲勞行為具有重要價(jià)值。

因此，本文采用3.5%NaCl溶液環(huán)境研究了溫度對(duì)腐蝕疲勞行為的影響，設(shè)置室溫以上的35，55，75℃這3個(gè)不同環(huán)境溫度，并通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌，探討了溫度對(duì)腐蝕疲勞裂紋萌生擴(kuò)展的影響機(jī)理，為鋁合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料在沿海高溫環(huán)境下的安全服役提供一定的技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用材料為7075鋁合金，熱處理狀態(tài)T651，化學(xué)成分（wt%）為：Cu 1.6，Mg 2.5，Zn 5.6，Si 0.4，Mn 0.3，Ti 0.2，Cr 0.22，F(xiàn)e 0.5，其余為Al。疲勞試樣為平直薄板，厚度為1.5 mm，裝夾端之間為連續(xù)半徑連接，尺寸如圖1所示。試樣兩面均覆蓋有包鋁層，通過(guò)HIROX KH-7700三維視頻顯微鏡測(cè)得包鋁層厚度約為80μm。

圖1 7075鋁合金疲勞試樣平面圖Fig.1 Planar graph of 7075 aluminum alloy fatigue specimen

7075鋁合金的腐蝕疲勞試驗(yàn)選取3.5%的NaCl溶液作為腐蝕介質(zhì)，根據(jù)航空高強(qiáng)鋁合金在服役過(guò)程中可能出現(xiàn)的高溫環(huán)境，選擇（35±3），（55±3），（75±3）℃這3個(gè)不同的環(huán)境溫度研究其對(duì)7075鋁合金腐蝕疲勞行為的影響。

腐蝕疲勞試驗(yàn)在Instron8871液壓伺服機(jī)上進(jìn)行，利用Wavematrix軟件設(shè)置程序。試驗(yàn)前先將疲勞試樣置于25℃的3.5%NaCl溶液中浸泡24 h進(jìn)行預(yù)腐蝕，然后再進(jìn)行試驗(yàn)。腐蝕疲勞試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)疲勞試樣處于3.5%NaCl溶液環(huán)境中，通過(guò)溶液循環(huán)保持溶液溫度。每個(gè)溫度下選擇3個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行試驗(yàn)。試樣疲勞斷裂后，使用Camscan CS-3400掃描電子顯微鏡觀測(cè)斷口形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 腐蝕疲勞壽命

7075鋁合金試樣腐蝕疲勞試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表1所示。表中：Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù)；R為應(yīng)力比。

表1 疲勞試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of fatigue test

對(duì)腐蝕疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，先將疲勞壽命取成對(duì)數(shù)，成組法中值對(duì)數(shù)疲勞壽命的計(jì)算公式為

式中：為成組法中值對(duì)數(shù)疲勞壽命；n為每組試驗(yàn)的試樣個(gè)數(shù)；Ni為每組試驗(yàn)中第i個(gè)試樣的疲勞壽命；N50為具有50%存活率的疲勞壽命。

如果需要求出具有95%置信度的中值疲勞壽命，就應(yīng)該先求出變異系數(shù)，并由表2查出滿(mǎn)足該置信度所需要的最少試樣個(gè)數(shù)［14-15］。變異系數(shù)的計(jì)算公式為

式中：CV為變異系數(shù)；S為子樣方差，其計(jì)算公式為

表2 需要的最少試樣數(shù)（置信度95%，相對(duì)誤差±5%）Table 2 Minimum number of specimen（confidence 95%，relative error±5%）

表3給出了7075鋁合金在3個(gè)不同溫度T下3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞壽命N與相應(yīng)的應(yīng)力水平σmax。經(jīng)計(jì)算每組試驗(yàn)的變異系數(shù)CV均小于0.020 1，因此各組試驗(yàn)的試樣數(shù)量均滿(mǎn)足置信度95%條件下最少3個(gè)試樣的要求。

表3 不同溫度和應(yīng)力水平下的腐蝕疲勞壽命Table3 Corrosion fatigue life at different temperatures and stress levels

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，在3.5%NaCl溶液環(huán)境下，溫度對(duì)7075鋁合金的腐蝕疲勞壽命具有顯著影響：同一應(yīng)力水平下，溫度越高，疲勞壽命越短。300 MPa、75℃下的中值壽命為15 346次循環(huán)，55℃下的中值壽命為30 931次循環(huán)，35℃下的中值壽命為33 001次循環(huán)。

同時(shí)腐蝕損傷與疲勞損傷之間還存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí)，試樣的壽命較短，腐蝕作用的時(shí)間短，試樣壽命主要受應(yīng)力水平影響，35，55，75℃這3個(gè)溫度下1萬(wàn)～5萬(wàn)次循環(huán)壽命對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平都為300 MPa；而當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí)，試樣的壽命長(zhǎng)，腐蝕作用的時(shí)間較長(zhǎng)，環(huán)境溫度的升高加重了材料的腐蝕損傷，從而導(dǎo)致相同壽命對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平的下降，因此在35，55，75℃這3個(gè)溫度下，30萬(wàn)～40萬(wàn)次循環(huán)壽命對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平依次下降，分別為180，160，150 MPa。

圖2為7075鋁合金在3個(gè)不同溫度下3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞S-N曲線(xiàn)。從圖中可以看出，7075鋁合金在溫度為35℃和55℃時(shí)，高應(yīng)力水平下的疲勞壽命相當(dāng)，而低應(yīng)力水平下35℃時(shí)的疲勞壽命明顯高于55℃時(shí)的疲勞壽命；同一應(yīng)力水平下，35℃和55℃下的疲勞壽命明顯高于75℃下的疲勞壽命。

2.2 腐蝕疲勞斷口形貌

圖2 不同溫度下的腐蝕疲勞S-N曲線(xiàn)Fig.2 Corrosion fatigue S-N curve at different temperatures

圖3是7075鋁合金試樣在300 MPa時(shí)3個(gè)溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌的SEM照片。可以看出，在較高應(yīng)力水平下，試樣的疲勞壽命較短，腐蝕作用的時(shí)間短，試樣的腐蝕損傷程度小，35℃和55℃下沒(méi)有出現(xiàn)較明顯的腐蝕坑，試樣的失效主要是由于應(yīng)力的作用；75℃下試樣出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的腐蝕坑，疲勞源從腐蝕坑萌生。由此可見(jiàn)高溫環(huán)境對(duì)腐蝕起了促進(jìn)作用，且腐蝕坑作為缺陷易成為疲勞源。3個(gè)溫度下的試樣斷口都出現(xiàn)了較明顯的疲勞源，而疲勞源多從鋁合金與包鋁層的結(jié)合處萌生。

圖3 300 MPa時(shí)不同溫度下的斷口形貌Fig.3 Fracture morphology at different temperatures at 300 MPa

圖4為7075鋁合金試樣在200 MPa左右時(shí)3個(gè)溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌。與300 MPa時(shí)相比，中等應(yīng)力水平下腐蝕疲勞時(shí)間延長(zhǎng)，在3～4 h之間。35℃下的試樣已經(jīng)出現(xiàn)明顯的腐蝕點(diǎn)，疲勞源同時(shí)從一個(gè)腐蝕點(diǎn)和基體包鋁結(jié)合處萌生，生成兩個(gè)疲勞源；55℃下的試樣可明顯看出疲勞源由一個(gè)較大的腐蝕坑處萌生；75℃下斷口表面腐蝕特征明顯，出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物白點(diǎn)，斷口不再平整，疲勞源從鋁合金基體和包鋁層結(jié)合處的大腐蝕坑萌生。

圖5為7075鋁合金試樣在160 MPa左右時(shí)3個(gè)溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌，腐蝕疲勞時(shí)間在9～11 h之間。從圖5中可以看出較低應(yīng)力水平下試樣斷口腐蝕均比較嚴(yán)重，斷口都不平整，表面高度差較大。35℃下的試樣斷口出現(xiàn)大量腐蝕坑，疲勞源同時(shí)從兩個(gè)大腐蝕坑萌生；55℃下，疲勞裂紋從一個(gè)腐蝕坑較多的區(qū)域萌生，沒(méi)有很明顯的疲勞源；75℃下的試樣斷口表面出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物，并出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，已經(jīng)看不出裂紋擴(kuò)展的方向。

圖4 200 MPa左右時(shí)不同溫度下的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology at different temperatures at about 200 MPa

圖5 160 MPa左右時(shí)不同溫度下的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology at different temperatures at about 160 MPa

2.3 不同溫度鹽水環(huán)境下的腐蝕疲勞分析討論

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，高溫環(huán)境顯著加速了7075鋁合金在3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞斷裂。

從3個(gè)不同溫度下的腐蝕疲勞S-N 曲線(xiàn)可知，35℃和55℃的曲線(xiàn)在應(yīng)力水平為220～300 MPa階段基本重合，而在220 MPa以下的應(yīng)力水平段兩條曲線(xiàn)分開(kāi)，且隨應(yīng)力水平下降，同一應(yīng)力下35℃的腐蝕疲勞壽命比55℃下高得多。這說(shuō)明在較高應(yīng)力水平下，55℃的高溫環(huán)境相對(duì)于35℃時(shí)還不足以顯著加速腐蝕疲勞斷裂，而當(dāng)應(yīng)力水平逐漸下降時(shí)，55℃下的腐蝕損傷對(duì)疲勞損傷的競(jìng)爭(zhēng)力上升，對(duì)腐蝕疲勞斷裂的加速效果逐漸顯著。同一應(yīng)力水平下，75℃的腐蝕疲勞S-N曲線(xiàn)明顯位于35℃和55℃曲線(xiàn)的左側(cè)，這說(shuō)明75℃的高溫環(huán)境對(duì)腐蝕損傷有強(qiáng)烈促進(jìn)作用，導(dǎo)致了在300 MPa及以下的應(yīng)力水平段腐蝕損傷對(duì)疲勞損傷有著顯著的優(yōu)勢(shì)，從而同一應(yīng)力下75℃時(shí)的腐蝕疲勞壽命均明顯低于35℃和55℃時(shí)的腐蝕疲勞壽命。因此，海洋環(huán)境下服役的高強(qiáng)鋁合金材料，在對(duì)它們的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，必須考慮高溫對(duì)其腐蝕疲勞的強(qiáng)烈加速作用。

從各溫度和應(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)的腐蝕疲勞斷口形貌來(lái)看，低溫高應(yīng)力時(shí)，腐蝕損傷對(duì)疲勞斷裂影響不大，裂紋多從鋁合金基體與包鋁層結(jié)合處萌生，這是由于包鋁層與鋁合金基體的機(jī)械性能差異較大，在循環(huán)應(yīng)力的不斷作用下，二者的結(jié)合處易成為應(yīng)力集中的部位，導(dǎo)致裂紋從此處萌生。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，斷口表面開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕坑，這是由于溫度升高時(shí)點(diǎn)蝕演化的臨界熱激活能降低，加快了點(diǎn)蝕演化的速率［16］。出現(xiàn)腐蝕坑后，疲勞源多從腐蝕坑處萌生，根據(jù)蝕孔應(yīng)力集中-滑移不可逆性增強(qiáng)模型，這是由于形成的腐蝕坑會(huì)成為應(yīng)力集中源，在拉應(yīng)力作用下腐蝕坑底部產(chǎn)生滑移臺(tái)階，滑移臺(tái)階暴露出的新鮮金屬表面因腐蝕作用逆向滑移受阻，造成了裂紋源的產(chǎn)生［17］。腐蝕疲勞斷口表面腐蝕坑多呈兩種形貌并存，一種為均勻分布麻點(diǎn)狀，腐蝕表面平整；另一種為不均勻的深坑狀，局部腐蝕嚴(yán)重，且溫度越高表面越不平整。深坑狀腐蝕坑口多被粘附性腐蝕產(chǎn)物覆蓋，這形成了閉塞電池，由于自催化酸化效應(yīng)，腐蝕坑從而具有向深處和寬處延伸的動(dòng)力。而斷口形貌表明，腐蝕疲勞裂紋均自深坑狀腐蝕坑處萌生，這說(shuō)明深坑狀腐蝕坑較麻點(diǎn)狀腐蝕坑應(yīng)力集中效果更顯著，對(duì)疲勞源的萌生影響更大。因此，高溫腐蝕環(huán)境主要是通過(guò)加速腐蝕坑的形成來(lái)影響疲勞源的產(chǎn)生，而深坑狀腐蝕坑應(yīng)力集中嚴(yán)重，對(duì)疲勞性能傷害較大。

3 結(jié) 論

1）在3.5%NaCl溶液中，溫度對(duì)7075鋁合金腐蝕疲勞壽命影響的規(guī)律為：同一應(yīng)力水平下，溫度越高，腐蝕疲勞壽命越短，300 MPa時(shí)35，55，75℃下的中值壽命分別為33 001、30 931、15 346次循環(huán)。

2）腐蝕損傷和疲勞損傷存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。應(yīng)力水平較高時(shí)，腐蝕較輕，試樣壽命主要受應(yīng)力水平影響，溫度對(duì)疲勞壽命的影響較弱，疲勞源多從鋁合金基體與包鋁層結(jié)合處萌生；應(yīng)力水平較低時(shí)，腐蝕較嚴(yán)重，溫度的升高將導(dǎo)致相同壽命對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平的明顯下降，溫度對(duì)疲勞壽命的影響較顯著，疲勞源多從腐蝕坑處萌生。

3）高溫環(huán)境主要通過(guò)加速腐蝕坑的形成來(lái)影響疲勞源的萌生，深坑狀腐蝕坑應(yīng)力集中嚴(yán)重，對(duì)疲勞性能傷害較大。

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