海洋大氣環(huán)境下7475鋁合金的疲勞壽命及斷裂機(jī)理＊

上官曉峰，張曉君，王晴晴

（1．西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院，西安710021；2．瀘州新能源新材料產(chǎn)業(yè)園區(qū)，瀘州646000）

7475鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是美國(guó)Alcoa公司在7075鋁合金的基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)的高純度超高強(qiáng)度鋁合金，其綜合性能優(yōu)良．該合金的強(qiáng)度和耐蝕性和7075鋁合金相當(dāng)，但斷裂韌性卻得到了很大的提升，該合金是目前變形鋁合金中強(qiáng)度和斷裂韌度最佳配合的材料［1］，已作為西方國(guó)家目前現(xiàn)役飛機(jī)的主體結(jié)構(gòu)材料．國(guó)內(nèi)J10飛機(jī)的機(jī)翼下壁板以及JH7系列飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)部位及目前在研的軍、民用飛機(jī)的部分主體結(jié)構(gòu)部位也選用了進(jìn)口7475鋁合金預(yù)拉伸厚板［2-4］．國(guó)外對(duì)7475疲勞耐久性及損傷容限性研究比較成熟，已得到了許多重要數(shù)據(jù)，這對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義［5-9］．

國(guó)內(nèi)對(duì)7475力學(xué)性能研究較多，但對(duì)其疲勞壽命及斷裂機(jī)理的研究并不多，文獻(xiàn)［10］采用軸向加載疲勞和疲勞裂紋擴(kuò)展速率性能測(cè)試方法，研究了不積水和3．5%NaCl溶液環(huán)境對(duì)材料疲勞強(qiáng)度的影響程度基本相同，對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律也基本一致．迄今為止，有關(guān)海洋大氣環(huán)境下鋁合金的疲勞壽命及斷裂機(jī)理研究并不多，尤其是涉及到7475鋁合金這方面的研究還很少見(jiàn)．本文通過(guò)研究海洋大氣暴曬后的疲勞壽命和斷裂機(jī)理，確保材料的安全使用．

1 試驗(yàn)材料及方法

7475鋁合金板材為試驗(yàn)用材料，其成份見(jiàn)表1．試樣為206mm×40mm×3mm平板狀，中部?jī)蓚?cè)半徑弧度為120mm，試樣表面經(jīng)打磨拋光，表面粗糙度Ra為0．80，棱角處無(wú)毛刺，試樣形狀如圖1所示．試樣分兩組，一組表面經(jīng)硼硫酸陽(yáng)極化處理，另一組經(jīng)硼硫酸陽(yáng)極化并涂H06-D＋13-2漆．

表1 7475鋁合金的化學(xué)成分（ω／%）Tab．1 Chemical composition of 7475aluminum alloy（ω／%）

圖1 試樣形狀Fig．1 Sample shape

將不同表面處理的試樣放置在海南萬(wàn)寧暴曬場(chǎng)進(jìn)行暴曬．暴曬試驗(yàn)架為鋁合金，為防止接觸腐蝕，試樣用瓷柱從邊部固定于試驗(yàn)架上，并與水平面成45°角，試樣上表面朝陽(yáng) （南方），暴曬試驗(yàn)如圖2所示．暴曬場(chǎng)的地面為草坪，附近沒(méi)有影響風(fēng)雨及陽(yáng)光的屏蔽物，試樣或架子上的雨水不能流到其他試樣上，暴曬試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為12個(gè)月．

圖2 大氣暴曬試驗(yàn)Fig．2 Atmospheric exposure test

疲勞試驗(yàn)設(shè)備如圖3所示，其型號(hào)為PLD-100．采用應(yīng)力控制恒幅加載方式，試驗(yàn)波形為正弦波，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB 3075-82．試驗(yàn)首先參照材料細(xì)節(jié)疲勞額定值（Detail Fatigue Rating，DFR）的測(cè)試方法測(cè)出未經(jīng)海洋大氣暴曬試樣（稱為對(duì)比試樣），室溫下應(yīng)力比R＝0．1、加載頻率為10Hz時(shí)，試樣承受105次循環(huán)條件下所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值．然后測(cè)試相同應(yīng)力條件下海洋大氣暴曬試樣的疲勞壽命．在掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）（FEI QUANTA-400）下觀察疲勞斷口形貌，分析斷裂機(jī)理．

圖3 疲勞試驗(yàn)設(shè)備Fig．3 The test equipment of fatigue

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

DFR方法是指在應(yīng)力比R＝0．06、置信度為95%、可靠度為95%要求下，結(jié)構(gòu)能承受105次循環(huán)所對(duì)應(yīng)的最大名義應(yīng)力值（疲勞強(qiáng)度）［11］．DFR法是基于威布爾分布建立的疲勞可靠性壽命分析方法，并且在S-N曲線和等壽命曲線的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出DFR的一般表達(dá)式為

式中：SR為可靠度系數(shù)；SC為置信度系數(shù)；ST為試件系數(shù)．

對(duì)于樣本容量為n的完全壽命子樣，其特征壽命的點(diǎn)估計(jì)值可表示為

其中α為形狀參數(shù)．

參考DFR方法，測(cè)得未經(jīng)暴曬試樣（對(duì)比試樣）R＝0．1的疲勞壽命數(shù)據(jù)見(jiàn)表2．試驗(yàn)試樣數(shù)量為5，查文獻(xiàn)［11］，得到以上參數(shù)并利用 HB 7110-1994中單點(diǎn)法計(jì)算出對(duì)比試樣的DFR為272．276 MPa，見(jiàn)表3．測(cè)試暴露試樣疲勞壽命，以272．276 MPa為最大加載應(yīng)力，試驗(yàn)條件和對(duì)比試樣相同，即應(yīng)力R＝0．1，試驗(yàn)加載頻率為12Hz，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4．表面不涂漆的壽命是22 480周，涂漆的壽命是39 959周，與對(duì)比試樣相比壽命下降一個(gè)數(shù)量級(jí)．

表2 對(duì)比試樣疲勞數(shù)據(jù)Tab．2 The fatigue data of the comparative samples

表3 7475鋁合金的參數(shù)及DFRTab．3 Parameters and DFR of 7475aluminum alloy

表4 海洋大氣暴曬試樣疲勞壽命Tab．4 The fatigue life of specimen with ocean-atmosphere exposure

圖4是疲勞斷口的宏觀形貌，疲勞裂紋萌生于試樣表面，由于裂紋形成時(shí)內(nèi)部滑移和相互摩擦使裂紋源處發(fā)亮．疲勞裂紋從源區(qū)向試樣內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展區(qū)較為平坦，瞬斷區(qū)具有明顯的剪切唇，與加載應(yīng)力軸大約成45°角．

圖4 疲勞斷口宏觀形貌Fig．4 Macro morphology of fatigue fracture

為了進(jìn)一步分析其斷口特征，在掃描電子顯微鏡下觀察7475鋁合金疲勞斷口．從圖5可以發(fā)現(xiàn)疲勞源于試樣表面，且源區(qū)有明顯的腐蝕痕跡．

圖5 疲勞源的SEMFig．5 SEM of fatigue sources

從表5可以發(fā)現(xiàn)暴曬試樣疲勞源區(qū)存在氧元素、硫元素和氯元素，這幾種元素在試樣內(nèi)部的含量急劇減少，表明試樣內(nèi)部沒(méi)有被腐蝕，試樣表面的腐蝕坑為疲勞源．總壽命疲勞設(shè)計(jì)的疲勞壽命包括萌生主裂紋的疲勞循環(huán)數(shù)（可能高達(dá)疲勞總壽命的90%）和使這一主裂紋擴(kuò)展到發(fā)生突然破壞的疲勞循環(huán)數(shù)．且裂紋萌生壽命占光滑試樣疲勞壽命的主要部分．

表5 不涂漆試樣疲勞源成分的原子成分（%）Tab．5 Atomic percentage composition of fatigue source of sample without paint（%）

圖6是海洋大氣暴曬后的宏觀形貌，可發(fā)現(xiàn)7475鋁合金海洋大氣暴曬后主要發(fā)生的是點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕促使疲勞裂紋的萌生，降低疲勞萌生主裂紋的疲勞循環(huán)數(shù)，即降低試樣的疲勞壽命．從不同表面處理的試樣表面可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)硼硫酸陽(yáng)極化和涂漆后的試樣表面腐蝕并不明顯，而僅經(jīng)硼硫酸陽(yáng)極化后的試樣表面有較為嚴(yán)重的點(diǎn)蝕，加速裂紋的形成，對(duì)疲勞壽命更為不利．

圖7為不涂漆試樣疲勞斷口的SEM，圖7（a）為疲勞源附近的形貌，可以清楚觀察到裂紋萌生于試樣表面的腐蝕坑，由于腐蝕是隨機(jī)的，且表面不止一處有腐蝕坑，因此試樣會(huì)出現(xiàn)多個(gè)疲勞源，這里只是其中一處的疲勞源．

圖6 海洋大氣暴曬后的宏觀形貌Fig．6 Macroscopic morphology of the ocean-atmosphere exposed samples

圖7 疲勞斷口的SEMFig．7 SEM of fatigue fracture

裂紋由疲勞源向試樣內(nèi)部擴(kuò)展，遇到晶界時(shí)，晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，使位錯(cuò)塞積，從而形成拉應(yīng)力造成開(kāi)裂，萌生新的裂紋，裂紋就會(huì)沿著消耗最少能量的表面繼續(xù)擴(kuò)展，進(jìn)而形成了羽毛狀形貌，如圖7（b）所示．

7475鋁合金雖屬于面心立方晶體結(jié)構(gòu)，但強(qiáng)度較高，裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)存在較為規(guī)則連續(xù)的疲勞條紋，但也有明顯的二次裂紋，如圖7（c）所示．圖7（d）是瞬斷區(qū)的形貌，存在大量的韌窩和少量的準(zhǔn)解理面，在韌窩底部可見(jiàn)一些第二相顆粒，因此，7475鋁合金疲勞裂紋的最終失穩(wěn)擴(kuò)展是由準(zhǔn)解理和微孔聚集共同引起的．

3 結(jié) 論

1）7475鋁合金疲勞裂紋萌生于試樣表面的腐蝕坑，有單個(gè)的也有多個(gè)的疲勞源．疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯規(guī)則的疲勞條紋，同時(shí)也存在二次裂紋，瞬斷區(qū)具有韌窩和準(zhǔn)解理特征．

2）海洋大氣暴曬1年使7475鋁合金疲勞壽命下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，但7475硼硫酸陽(yáng)極化＋涂漆試樣的疲勞壽命高于7475硼硫酸陽(yáng)極化試樣的疲勞壽命．

3）硼硫酸陽(yáng)極化＋涂漆可在一定程度上防止海洋大氣腐蝕，延長(zhǎng)疲勞壽命．

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