2B25鋁合金材料腐蝕疲勞性能試驗研究

李新宇，付 裕，熊峻江

（北京航空航大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

0 引 言

飛機(jī)金屬材料結(jié)構(gòu)件往往在腐蝕的環(huán)境中工作，同時還承受著交變載荷的作用；因此，飛機(jī)金屬材料腐蝕疲勞問題必須受到高度重視。在航空用金屬材料中，鋁合金材料占到60%～90%，而這種材料對腐蝕疲勞非常敏感[1]。文獻(xiàn)[2]研究發(fā)現(xiàn)，在3.5%鹽水中，鋁合金材料疲勞壽命甚至?xí)档鸵话胍陨?。腐蝕環(huán)境加速鋁合金疲勞裂紋形成的作用形式主要有點腐蝕、局部變形、氫脆及吸附作用4種[3]。張正貴等[4]研究發(fā)現(xiàn)，在3.5%鹽水腐蝕條件下鋁合金構(gòu)件斷口上不僅會出現(xiàn)疲勞裂紋，還會出現(xiàn)沿晶等斷裂特征，疲勞失效形式是多裂紋斷裂。孟祥琦[5]提出用腐蝕電極的電流強(qiáng)度來測量腐蝕速率的方法，并搭建了測量模型，研究鋁合金在拉壓狀態(tài)下腐蝕開裂問題，發(fā)現(xiàn)了受壓狀態(tài)下新的開裂行為，并提出“腐蝕速率-時間-頻率”的等效假設(shè)和以腐蝕速率和荷載頻率為參量的腐蝕疲勞壽命評價模型。吳達(dá)鑫[6]在研究疲勞斷口時發(fā)現(xiàn)，鹽霧環(huán)境下，合金式樣的腐蝕疲勞斷口裂紋主要起源于表面，并且隨著應(yīng)力比的增加多疲勞源特征變得顯著，腐蝕疲勞裂紋源區(qū)的解理特征更加明顯，擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋則也變得更加細(xì)密。黃小光[7]對腐蝕疲勞點蝕演化與裂紋擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了研究，獲得了點蝕演化與裂紋擴(kuò)展過程的熱力學(xué)判據(jù)，并且提出了腐蝕疲勞壽命評價模型。

在工程應(yīng)用中，不同腐蝕環(huán)境對航空用鋁合金材料構(gòu)件疲勞壽命的影響大不相同；且對于不同外形（如是否具有溝槽等）的鋁合金結(jié)構(gòu)件，其腐蝕疲勞壽命受腐蝕環(huán)境的影響程度也不同。本文采用成組法分別研究了在3.5%NaCl溶液和1%油箱積水溶液兩種腐蝕環(huán)境下，2B25鋁合金材料的有溝槽圓桿試驗件和光滑圓桿試驗件的腐蝕疲勞性能。

1 腐蝕疲勞試驗

試驗件材料為2B25鋁合金，試驗件尺寸按照GB3075——1982《金屬軸向疲勞試驗方法》和HB/Z112——1986《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析》設(shè)計，如圖1、圖2所示。各自制作50件（試驗件如圖3、圖4所示），分別取20件研究3.5%NaCl溶液環(huán)境下的腐蝕疲勞試驗，再分別取20件研究1%油箱積水溶液環(huán)境下的腐蝕疲勞試驗。

圖1 有溝槽圓桿試驗件設(shè)計圖（單位：mm）

圖2 光滑圓桿試驗件設(shè)計圖（單位：mm）

圖3 有溝槽圓桿試驗件實物圖

圖4 光滑圓桿試驗件實物圖

本次腐蝕疲勞試驗按照GB3075——1982《金屬軸向疲勞試驗方法》和HB/Z112——1986《材料疲勞試驗統(tǒng)計分析》的要求設(shè)計試驗方案，以獲得可靠的S-N曲線。為充分發(fā)揮溶液腐蝕作用，試驗必須在低頻試驗機(jī)上進(jìn)行，本次試驗使用instron8801疲勞試驗機(jī)。靜載誤差≤±1%；動載誤差≤±3%，經(jīng)國家計量部門檢定合格。腐蝕疲勞試驗裝置還包括腐蝕介質(zhì)盒、過濾器、測量儀、溶液箱、溶液循環(huán)泵和恒溫器等設(shè)備（如圖5所示）。

圖5 腐蝕溶液循環(huán)系統(tǒng)

試驗分為4類，即3.5%NaCl溶液環(huán)境下有溝槽圓桿試驗件腐蝕疲勞試驗、3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗件腐蝕疲勞試驗、1%油箱積水溶液環(huán)境下有溝槽圓桿試驗件腐蝕疲勞試驗和1%油箱積水溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗件腐蝕疲勞試驗。以上均采用成組法進(jìn)行試驗，每組5件試驗件，對應(yīng)于4種不同載荷值進(jìn)行4組腐蝕疲勞試驗，應(yīng)力比為0.1，加載頻率為10Hz/s。試驗開始時，需要對試驗件進(jìn)行分組編號，然后在instron8801試驗機(jī)上安裝試驗件，并使試驗段完全浸于介質(zhì)盒內(nèi)的腐蝕液體環(huán)境中，一切就緒后，開始腐蝕疲勞試驗。3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗件腐蝕疲勞試驗過程如圖6所示，中部拉斷結(jié)果如圖7所示。

2 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

在疲勞性能測試和可靠性設(shè)計過程中，在104～106壽命區(qū)間的S-N曲線常用雙參數(shù)冪函數(shù)[8]表達(dá)式：

將式（1）作對數(shù)變換，得到：

令因變量 X=lgN；自變量 Y=lgSmax；a=lgC；b=-m，式（2）可寫成：

此時，X與Y成直線關(guān)系。根據(jù)線性回歸方法，可估計出待定常數(shù)m和C：

圖6 3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗件腐蝕疲勞試驗過程圖

圖7 3.5%NaCl溶液環(huán)境下光滑圓桿試驗件腐蝕疲勞試驗中部拉斷結(jié)果圖

將實驗結(jié)果按照上述雙參數(shù)法進(jìn)行處理得到：有溝槽圓桿試驗件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線如圖8所示；光滑圓桿試驗件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線如圖9所示?？梢钥闯觯瑢τ谕N試驗件，3.5%Nacl溶液和1%油箱積水溶液兩種腐蝕環(huán)境對材料腐蝕疲勞性能的影響效果并不相同，3.5%Nacl溶液對試驗件疲勞性能的影響更為顯著，即在相同載荷條件下，3.5%Nacl溶液使得試驗件腐蝕疲勞壽命變得更低。

圖8 有溝槽圓桿試驗件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線

圖9 光滑圓桿試驗件在兩種不同腐蝕環(huán)境下S-N曲線

圖10 3.5%NaCl溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗件S-N曲線

圖11 1%油箱積水溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗件S-N曲線

3.5%NaCl溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗件S-N曲線如圖10所示；1%油箱積水溶液腐蝕環(huán)境下兩種不同試驗件S-N曲線如圖11所示?？梢钥闯觯谙嗤母g環(huán)境下，有溝槽圓桿試驗件的腐蝕疲勞性能低于光滑圓桿試驗件。

3 結(jié)束語

本文使用成組法測定了兩種腐蝕環(huán)境（3.5%Nacl溶液和1%油箱積水溶液）下2B25鋁合金材料的有溝槽圓桿和光滑圓桿試驗件的腐蝕疲勞S-N曲線，并通過對比曲線得出：1）對于同種試驗件，3.5%Nacl溶液和1%油箱積水溶液兩種腐蝕環(huán)境對材料腐蝕疲勞性能的影響效果并不相同，3.5%Nacl溶液對試驗件腐蝕疲勞性能的影響更為顯著，即當(dāng)載荷條件相同時，3.5%Nacl溶液使得試驗件腐蝕疲勞壽命變得更低；2）在相同的腐蝕環(huán)境下，有溝槽圓桿試驗件的腐蝕疲勞性能低于光滑圓桿試驗件。

[1]賀崇武，蔡新鎖,李素強(qiáng).飛機(jī)典型連接件腐蝕及腐蝕疲勞試驗研究[J].腐蝕與防護(hù)，2006，27（3）：118-121.

[2]劉慧叢，谷岸，朱立群，等.局部包鋁層對鋁合金疲勞板材鹽霧環(huán)境中點腐蝕的影響[J].航空材料學(xué)報，2009，29（4）:52-56.

[3]耿德平，宋慶功.航空材料腐蝕疲勞研究進(jìn)展[J].腐蝕與防護(hù)，2011，32（3）：206-209.

[4]張正貴，周兆元，劉長勇.高強(qiáng)度鋁合金構(gòu)件腐蝕疲勞失效分析[J].中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報，2008，28（1）：48-52.

[5]孟祥琦.鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞特性實驗研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[6]吳達(dá)鑫.3.5%NaCl鹽霧環(huán)境下TA15合金的腐蝕疲勞行為研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[7]黃小光.腐蝕疲勞點蝕演化與裂紋擴(kuò)展機(jī)理研究[D].上海：上海交通大學(xué),2013.

[8]熊峻江，高鎮(zhèn)同.穩(wěn)態(tài)循環(huán)載荷下疲勞斷裂可靠性壽命估算[J]. 應(yīng)用力學(xué)學(xué)報，1997，14(3)：16-20.