實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境下7050-T7451厚板疲勞性能研究

張紅飛，趙連紅，王浩偉

（中國特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 荊門 448035）

7050鋁合金材料的高抗剝落腐蝕性等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]在航空制造使用中發(fā)揮著重要作用。通常以中厚板擠壓件、自由鍛件與模鍛件的形式運(yùn)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)中。隨著飛機(jī)在沿海地區(qū)和海域的服役機(jī)會逐漸增多，長期的高鹽霧、高濕熱等嚴(yán)酷海洋環(huán)境極易引起7050鋁合金材料腐蝕，同時作為主承力結(jié)構(gòu)的7050厚板鋁合金材料在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境雙重作用易發(fā)生腐蝕疲勞損傷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)腐蝕破壞，直接影響飛機(jī)安全和可靠性[3-5]。李鴻鵬[6]在研究鋁合金腐蝕疲勞進(jìn)展中指出疲勞（裂紋）損傷占飛機(jī)各類機(jī)械損傷總數(shù)的30%，飛機(jī)結(jié)構(gòu)在飛機(jī)服役過程中，在承受交變載荷作用的同時，會遭受不同腐蝕因素長期腐蝕作用，使飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命大幅度降低。目前國內(nèi)學(xué)者研究LY12CZ、LC4CS鋁合金、2000系列鋁合金、7000系列鋁合金在潮濕空氣、鹽水、鹽霧等腐蝕環(huán)境下的疲勞壽命研究[7-12]，但對于7050鋁合金材料在油箱積水環(huán)境下的疲勞性能的研究很少。文中采用不同應(yīng)力集中系數(shù)（Kt=1、3），開展 7050-T7451厚板材料在3.5%NaCl溶液和油箱積水兩種腐蝕環(huán)境下的疲勞特性研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)件

試樣材料為 7050-T7451厚板，其化學(xué)成分見表1。試樣形式采用圓形截面光滑（Kt=1）和缺口（Kt=3）兩種試樣，試驗(yàn)件為標(biāo)準(zhǔn)試樣，每個試驗(yàn)點(diǎn)平行試樣數(shù)量為4件，長度為220 mm，夾持端直徑為16 mm，光滑試樣試驗(yàn)段最小直徑為7 mm，缺口試樣試驗(yàn)段直徑為8.5 mm，如圖1、圖2所示。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

圖3 7050厚板預(yù)腐蝕試驗(yàn)件

圖1 圓形截面光滑試樣（Kt =1）

圖2 圓形截面缺口試樣（Kt =3）

1.2 預(yù)腐蝕試驗(yàn)

在試驗(yàn)件開展疲勞實(shí)驗(yàn)之前，在常溫常壓試驗(yàn)環(huán)境下，試驗(yàn)件須在相應(yīng)腐蝕溶液環(huán)境中進(jìn)行預(yù)腐蝕試驗(yàn)，兩種溶液配制要求如下：3.5%NaCl溶液為由NaCl和純水配置形成的3.5%NaCl水溶液；油箱積水溶液為采集飛機(jī)油箱底部水油混合物為母液按 1:10的稀釋比例進(jìn)行配比稀釋形成的水溶液。

分別將試樣置于以上配置的溶液中浸泡24 h，預(yù)腐蝕試驗(yàn)結(jié)束后取出試驗(yàn)件，將試驗(yàn)件用清水沖洗干凈后常溫風(fēng)干，放置于干燥器皿中以備試驗(yàn)。經(jīng)過預(yù)腐蝕的兩種試驗(yàn)件如圖3所示。

1.3 腐蝕疲勞試驗(yàn)

正式試驗(yàn)需要在腐蝕環(huán)境試驗(yàn)盒中完成，為了便于觀察及防止污染物沉積，腐蝕環(huán)境試驗(yàn)盒設(shè)計成由非金屬透明的腐蝕盒及潛水泵構(gòu)成循環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)油箱積水溶液環(huán)境下的疲勞性能測試。按GJB 1997—94《金屬材料軸向腐蝕疲勞試驗(yàn)方法》開展腐蝕疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，檢測記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用成組法測試四級應(yīng)力水平下的疲勞壽命，載荷施加方式為應(yīng)力比R=0.06下的正弦等幅載荷，加載頻率為10 Hz，腐蝕溶液成分與預(yù)腐蝕配置溶液一致，試驗(yàn)時溫度環(huán)境為室溫環(huán)境。

2 結(jié)果與分析

按照上述試驗(yàn)方法，測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 2、表3。根據(jù)HB/Z 112—1986《材料疲勞試驗(yàn)統(tǒng)計分析方法》，疲勞中值壽命要滿足 95%置信度要求，每一級應(yīng)力水平為四個觀測值時，變異系數(shù)應(yīng)小于0.0314，每種載荷下的期望，標(biāo)準(zhǔn)差S及變異系數(shù)Cv計算見式（1）—（3）。

每組數(shù)據(jù)計算的變異系數(shù)也記錄在表2、表3中。由數(shù)據(jù)可見，變異系數(shù)最大為0.027 34，小于0.0314。因此，測試數(shù)據(jù)均滿足95%置信度要求。

表2 7050厚板在3.5%NaCl環(huán)境下的腐蝕疲勞數(shù)據(jù)

表3 7050厚板在油箱積水環(huán)境下的腐蝕疲勞數(shù)據(jù)

HB 5278—96《金屬材料軸向加載疲勞試驗(yàn)方法》中，推薦的 S-N曲線方程有 lgN=A+Bσmax，lgN=A+Blgσmax， lg N = A+ B lg(σmax- C)及l(fā)gN=A+ Blgσmax+ C 。通過 Origin程序選取三參數(shù)式lg N = A+ B lg(σmax- C)對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，四條S-N曲線如下。

3.5%NaCl溶液環(huán)境：

Kt=1 lgN=7.85－1.69(lg(σmax-54.66))

Kt=3 lgN=10.18－2.77(lg(σmax-17.26))

油箱積水環(huán)境：

Kt=1 lgN=24.93－7.46(lg(σmax+252.33))

Kt=3 lgN=56.42－18.57(lg(σmax+483.57))

擬合四條曲線相關(guān)系數(shù)為 0.956 95、0.977 2、0.970 9、0.978 79具有較好的符合性，7050厚板試樣在3.5%NaCl溶液與油箱積水溶液環(huán)境下的S-N曲線如圖5所示。

圖5 7050厚板在不同腐蝕環(huán)境下的腐蝕疲勞曲線

由圖5可見：

1）在3.5%NaCl溶液和油箱積水環(huán)境下，光滑試樣的疲勞壽命明顯高于缺口試樣。這是因?yàn)槿笨谠嚇又胁窟吘売腥笨?，存在著較大的應(yīng)力集中。當(dāng)施加相同應(yīng)力時，缺口試樣中部所有的應(yīng)力要明顯大于光滑試樣，因此缺口試樣的疲勞壽命比光滑試樣疲勞壽命短。

2）Kt=1和Kt=3時，3.5%NaCl溶液環(huán)境下試樣疲勞壽命比油箱積水環(huán)境下試樣低，說明 3.5%NaCl溶液環(huán)境比油箱積水環(huán)境更嚴(yán)酷。這是因?yàn)?.5%NaCl溶液環(huán)境中有大量的氯離子破壞了試樣表面的鈍化膜，從而加速了腐蝕的進(jìn)行。

3）環(huán)境對試樣疲勞壽命影響比應(yīng)力集中系數(shù)影響更大，當(dāng)腐蝕環(huán)境比較惡劣時，應(yīng)力集中系數(shù)對試樣疲勞壽命的影響較小。3.5%NaCl溶液環(huán)境下，當(dāng)應(yīng)力水平為100 MPa時，Kt=1與Kt=3試樣疲勞壽命分別為113 739和73 778次循環(huán)；當(dāng)應(yīng)力水平為150 MPa時，Kt=1與Kt=3試樣疲勞壽命分別為32 319和19 920次循環(huán)，試樣疲勞壽命分別下降了 72%和73%。油箱積水溶液環(huán)境下，當(dāng)應(yīng)力水平為100 MPa時，Kt=1與Kt=3試樣疲勞壽命分別為850 660和113 150次循環(huán)；當(dāng)應(yīng)力水平為150MPa時Kt=1與Kt=3試樣疲勞壽命分別為316 093與24 585次循環(huán)，試樣疲勞壽命分別下降了63%和78%。

3 結(jié)論

1）應(yīng)力集中系數(shù)對材料疲勞性能同樣有影響，應(yīng)力集中系數(shù)越大，試樣疲勞壽命越低。

2）腐蝕環(huán)境使試樣疲勞性能明顯降低，3.5%NaCl溶液環(huán)境對試驗(yàn)疲勞壽命影響比油箱積水環(huán)境的影響更大。

3）環(huán)境對試樣疲勞壽命影響比應(yīng)力集中系數(shù)影響更大，腐蝕環(huán)境越嚴(yán)酷，試樣應(yīng)力集中系數(shù)影響越小。