多種服役環(huán)境下航空鋁合金疲勞裂紋擴(kuò)展行為

顏光耀，劉治國(guó)，穆志韜，李旭東

(海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 航空機(jī)械系， 山東 青島 266041)

鋁合金由于其比強(qiáng)度高、加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)領(lǐng)域。某些飛行器機(jī)身使用LD2CS鋁合金，且要常年轉(zhuǎn)場(chǎng)于環(huán)境差異較大的多個(gè)機(jī)場(chǎng)，易受到不同環(huán)境的腐蝕。腐蝕損傷的存在會(huì)使鋁合金結(jié)構(gòu)件更易斷裂失效，開(kāi)展腐蝕損傷對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件剩余強(qiáng)度和疲勞斷裂性能的評(píng)估工作至關(guān)重要。LD2CS鋁合金在轉(zhuǎn)場(chǎng)環(huán)境初期的主要腐蝕損傷形式是點(diǎn)蝕，很多學(xué)者量化研究了鋁合金點(diǎn)蝕形貌對(duì)材料疲勞性能的影響。文獻(xiàn)[1-4]提出用蝕坑深度值作為鋁合金在腐蝕溶液中的疲勞性能，從而得到了不同腐蝕時(shí)期蝕坑深度與疲勞壽命的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依此進(jìn)行腐蝕疲勞壽命的預(yù)測(cè)。張有宏等[5]定義了腐蝕損傷度，用來(lái)表征點(diǎn)蝕的表面積所占考核區(qū)域的比重，并得到了腐蝕損傷度與疲勞壽命的表達(dá)式。文獻(xiàn)[6-9]將腐蝕坑等效成半圓形或半橢圓形表面裂紋，將腐蝕疲勞問(wèn)題轉(zhuǎn)化為有預(yù)制表面裂紋的疲勞裂紋擴(kuò)展問(wèn)題進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[10-12]從工程應(yīng)用角度，建立了預(yù)腐蝕影響系數(shù)曲線的統(tǒng)計(jì)分析方法，并對(duì)其通用性進(jìn)行了分析。蔡劍等[13]、馬少華等[14]和王池權(quán)等[15]學(xué)者研究了不同腐蝕環(huán)境下鋁合金材料的腐蝕疲勞性能，從環(huán)境類型的角度得到不同環(huán)境對(duì)試件疲勞性能的影響。

由以往研究可知，關(guān)于鋁合金腐蝕損傷對(duì)其疲勞性能的影響往往從單一點(diǎn)蝕形貌表征量入手，得到的經(jīng)驗(yàn)公式存在片面性，關(guān)于腐蝕損傷表征量對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的貢獻(xiàn)度也沒(méi)有過(guò)多論述。本文利用平均影響值(Mean Impact Value,MIV)方法[16]對(duì)9個(gè)腐蝕損傷表征量進(jìn)行篩選，得到三個(gè)最重要的腐蝕損傷表征量，通過(guò)加權(quán)平均的方法得到腐蝕損傷綜合指標(biāo)α，并依此開(kāi)展腐蝕損傷對(duì)裂紋擴(kuò)展行為的影響。

文獻(xiàn)[17-22]利用掃描電子顯微鏡原位觀測(cè)技術(shù)，研究了預(yù)腐蝕疲勞情況下的物理短裂紋擴(kuò)展行為，發(fā)現(xiàn)短裂紋的擴(kuò)展路線受到臨近腐蝕坑尺寸和晶粒內(nèi)部作用力的影響，并得到裂紋擴(kuò)展速率與局部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的參數(shù)相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式。由于對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)件的損傷程度不同，轉(zhuǎn)場(chǎng)環(huán)境下的貫穿型裂紋并不適合從局部腐蝕損傷對(duì)裂紋尖端的影響這一角度進(jìn)行研究。本文在計(jì)算出腐蝕損傷綜合指標(biāo)α后，對(duì)比分析了不同加速腐蝕年限下的裂紋擴(kuò)展速率，根據(jù)相應(yīng)腐蝕年限的裂紋擴(kuò)展特點(diǎn)，定義了腐蝕加速系數(shù)Ω(α)，并通過(guò)工程擬合得到經(jīng)過(guò)腐蝕加速系數(shù)Ω(α)修正的Paris公式，最后利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了依據(jù)腐蝕損傷綜合指標(biāo)建立的腐蝕加速系數(shù)的有效性。

1 腐蝕與疲勞試驗(yàn)

試驗(yàn)件為狗骨狀的LD2CS鋁合金，尺寸圖與實(shí)物圖如圖1所示。飛行器所在機(jī)場(chǎng)停放的時(shí)間取平均得到加速腐蝕試驗(yàn)總譜[23-27]，如圖2所示。

(a) 試驗(yàn)件尺寸圖(厚度：t=3 mm)(a) Test piece dimension (thickness: t=3 mm)

(b) 試驗(yàn)件實(shí)物圖(b) Test piece object圖1 LD2CS鋁合金試驗(yàn)件Fig.1 Aluminum alloy LD2CS test piece

圖2 LD2CS鋁合金加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜Fig.2 Accelerate corrosion spectrum of engine aluminum alloy LD2CS

由圖2可知，LD2CS鋁合金加速腐蝕68.55 h相當(dāng)于在機(jī)場(chǎng)轉(zhuǎn)場(chǎng)環(huán)境中使用一年的腐蝕損傷量。根據(jù)譜中參數(shù)要求，配制浸泡試件用的酸性溶液：在質(zhì)量濃度為5%的NaCl溶液中滴入濃H2SO4，使溶液的pH=4±0.2。設(shè)定紅外烤燈烘烤條件：相對(duì)濕度RH=90%～95%，溫度T=(40±2)℃。將試驗(yàn)件編號(hào)后依序置于ZJF-45G周浸試驗(yàn)箱，依據(jù)加速腐蝕試驗(yàn)要求，對(duì)試件分批次進(jìn)行一次循環(huán)為浸泡3.6 min烘烤9.1 min，324次循環(huán)為一個(gè)當(dāng)量加速腐蝕日歷年限，最長(zhǎng)20個(gè)相應(yīng)當(dāng)量年限的加速腐蝕試驗(yàn)。每隔2個(gè)當(dāng)量加速腐蝕年限，將相應(yīng)組別的試驗(yàn)件取出，利用KH-7700形貌檢測(cè)顯微鏡對(duì)有效受力區(qū)域的蝕坑形貌進(jìn)行觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析，圖3所示為4個(gè)不同加速腐蝕年限下典型腐蝕區(qū)域的形貌圖。

利用電火花線切割技術(shù)預(yù)制中心貫穿裂紋，長(zhǎng)度為1 mm，如圖1(a)所示。在MTS-810電液伺服疲勞試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行疲勞拉伸試驗(yàn)，每隔2000次循環(huán)，用KH-7700形貌檢測(cè)顯微鏡測(cè)量相應(yīng)裂紋長(zhǎng)度c，c為預(yù)制裂紋長(zhǎng)度的一半加上裂紋擴(kuò)展路徑垂直于加載方向上的投影長(zhǎng)度。疲勞試驗(yàn)在MTS-810疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，環(huán)境溫度為室溫，加載波形為正弦波，采取軸向等幅加載方式，應(yīng)力比R=0.06，加載頻率f=10 Hz，最大應(yīng)力σmax=267 MPa。

(a) 典型蝕坑三維形貌(a) Three-dimensional morphology of typical pit

(b) 典型蝕坑面積測(cè)量圖(b) Measurement chart of typical pit surface area

(c) 蝕坑寬度與深度測(cè)量圖(c) Measurement chart of typical pit width and depth圖3 典型蝕坑腐蝕形貌及測(cè)量圖Fig.3 Morphologies and measurement charts of typical pit corrosion

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 腐蝕損傷綜合指標(biāo)

上述各腐蝕損傷表征量對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響程度不同，如果將不重要的量引入裂紋擴(kuò)展模型，會(huì)增加模型的復(fù)雜性和計(jì)算誤差，因此需要對(duì)腐蝕損傷表征量進(jìn)行篩選。

MIV方法可以表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中權(quán)重矩陣的變化情況并能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)輸入變量對(duì)輸出變量的相關(guān)性大小。具體計(jì)算過(guò)程為：網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)束時(shí)，將學(xué)習(xí)樣本中的自變量特征在原值基礎(chǔ)上增減10%，重新組成學(xué)習(xí)樣本，用已建成的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，將得到的新的兩個(gè)仿真結(jié)果與真實(shí)結(jié)果相減，得到自變量變動(dòng)后對(duì)輸出產(chǎn)生的影響變化值(Impact Value，IV)，最后將IV按照觀測(cè)數(shù)取平均得到該自變量對(duì)網(wǎng)絡(luò)輸出的MIV值，符號(hào)代表相關(guān)的方向，絕對(duì)值代表所占比重的大小。根據(jù)MIV的絕對(duì)值大小，對(duì)自變量的影響程度進(jìn)行排序，從而實(shí)現(xiàn)變量的篩選。

將9個(gè)不同加速腐蝕年限下的腐蝕損傷表征量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入變量，輸出為相應(yīng)腐蝕年限下的疲勞裂紋擴(kuò)展壽命，按照MIV的訓(xùn)練過(guò)程，得到不同加速腐蝕年限下的腐蝕損傷表征量MIV的絕對(duì)值，取平均值得到如表1所示的上述9個(gè)腐蝕損傷表征量MIV的絕對(duì)值。

由表1可知，對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命的影響程度由大到小排序?yàn)椋篸max,i，dave,i，γi，amax,i，aave,i，Smax,i，Vave,i，Save,i，Vmax,i?？梢钥闯?，dmax,i，dave,i，γi，amax,i，aave,i的MIV值相對(duì)較大。又因?yàn)橥桓g條件下的蝕坑深度服從正態(tài)分布N～(μ,σ2)，且有[28]：

表1 腐蝕損傷表征量對(duì)應(yīng)的MIV絕對(duì)值

dmax,i=nσ+dave,i

(1)

amax,i=nσ+aave,i

(2)

式中，n為常數(shù)，所以選擇最大蝕坑深度dmax,i，最大蝕坑寬度amax,i和點(diǎn)蝕率γi作為衡量腐蝕損傷對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命影響程度的三大指標(biāo)。

上述三種腐蝕表征量隨加速腐蝕年限的變化均很好地符合冪函數(shù)規(guī)律，如圖4(a)～(c)所示，分別為dmax,i，amax,i和γi隨加速腐蝕年限變化的散點(diǎn)圖和擬合曲線。

因各腐蝕損傷指標(biāo)的時(shí)間變化規(guī)律相似，但量綱不同，需要對(duì)其分別進(jìn)行歸一化處理，公式定義如下：

yi=xi/xmax

(3)

式中，yi為歸一化后第i個(gè)加速腐蝕日歷年限下的腐蝕損傷量，xi為第i個(gè)加速腐蝕日歷年限下的腐蝕損傷測(cè)量值，xmax為相應(yīng)腐蝕損傷指標(biāo)的最大測(cè)量值。

三大腐蝕損傷表征量的歸一化量隨時(shí)間變化的冪函數(shù)與實(shí)際測(cè)量值的冪函數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，擬合函數(shù)的相關(guān)性與參數(shù)b不變，只有參數(shù)a改變，各表征量擬合曲線的參數(shù)如表2所示。

(a) 最大蝕坑深度和加速腐蝕年限的關(guān)系(a) Maximum pit depth versus accelerated corrosion year

(b) 最大蝕坑寬度和加速腐蝕年限的關(guān)系(b) Maximum pit width versus accelerated corrosion year

(c) 點(diǎn)蝕率和加速腐蝕年限的關(guān)系(c) Pit surface rate versus accelerated corrosion year圖4 三大腐蝕損傷指標(biāo)隨加速腐蝕年限變化的擬合曲線Fig.4 Fitting curves of three important corrosion characterization factors versus accelerated corrosion year

表2 三大腐蝕損傷表征量隨腐蝕年限變化的參數(shù)擬合結(jié)果Tab.2 Parameter fitting results of three corrosion damage characterization quantities varying with corrosion years

利用加權(quán)平均法得到基于篩選出的三大腐蝕損傷表征量的腐蝕損傷綜合表征指標(biāo)α(t)，其公式如下：

(4)

其中：MIVdmax為腐蝕坑最大寬度對(duì)應(yīng)的MIV絕對(duì)值；MIVamax為腐蝕坑最大寬度對(duì)應(yīng)的MIV絕對(duì)值；MIVγ為點(diǎn)蝕率對(duì)應(yīng)的MIV絕對(duì)值。將其代入表1中相應(yīng)MIV值得到腐蝕損傷綜合指標(biāo)(無(wú)量綱)隨加速腐蝕年限變化的動(dòng)力學(xué)方程為：

α(t)=0.421ydmax+0.237yamax+0.342yγ

=0.123t0.436+0.017t0.945+0.050t0.687，1a≤t≤17a

(5)

2.2 腐蝕損傷對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響

通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)得到c-N曲線，對(duì)其進(jìn)行差分計(jì)算可以得到dc/dN-N曲線，即裂紋擴(kuò)展速率變化曲線。由觀測(cè)可知，裂紋擴(kuò)展距離低于100 μm時(shí)，擴(kuò)展速率波動(dòng)性較強(qiáng)，屬于短裂紋擴(kuò)展時(shí)期，本文不予考慮。根據(jù)Paris公式，(dc/dN)i=Ci(ΔK)mi，其中Ci和mi分別為第i個(gè)加速腐蝕年限下的擬合參數(shù)，得出不同加速腐蝕年限下的長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因子變程ΔK的變化曲線，其中ΔK可通過(guò)查閱《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊(cè)》獲得。將dc/dN-ΔK曲線的自變量和因變量進(jìn)行雙對(duì)數(shù)處理并對(duì)不同加速腐蝕年限下的裂紋擴(kuò)展速度進(jìn)行直線擬合，圖5所示為加速腐蝕0 a，5 a，11 a和17 a后的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖。

圖5 疲勞裂紋擴(kuò)展ln(dc/dN)-lnΔK關(guān)系圖Fig.5 Relationship between ln(dc/dN) and lnΔK

從圖5可知，用斜率均為4的直線擬合不同加速腐蝕年限的裂紋擴(kuò)展速率雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖，有很強(qiáng)的相關(guān)性。隨著腐蝕損傷的逐年加重，裂紋擴(kuò)展速率明顯提高。表3給出了上述4個(gè)不同腐蝕時(shí)間下的Paris公式擬合參數(shù)。

表3 不同加速腐蝕年限裂紋擴(kuò)展速率Paris公式擬合Tab.3 Parameters value of Paris model for different accelerated corrosion years

從表3可知，加速腐蝕17 a后，裂紋擴(kuò)展速率增加了約10倍。定義腐蝕加速系數(shù)Ω(α)對(duì)Paris公式進(jìn)行修正，其中α為腐蝕損傷綜合指標(biāo)，令Ci=Ω(α)·C0，圖6給出了腐蝕加速系數(shù)Ω(α)與腐蝕損傷綜合指標(biāo)α的擬合關(guān)系，由圖可知當(dāng)α≥0時(shí)，腐蝕加速系數(shù)的擬合函數(shù)為：

Ω(α)=-14.459α3+24.075α2-0.44α+1.035

(6)

圖6 腐蝕加速系數(shù)Ω(α)與腐蝕損傷綜合指標(biāo)α的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.6 Corresponding relationship between corrosion acceleration coefficient Ω(α) and comprehensive index of corrosion damage α

由圖6可知，在加速腐蝕0～17 a間，腐蝕加速系數(shù)Ω(α)隨腐蝕損傷綜合指標(biāo)α單調(diào)遞增，即裂紋擴(kuò)展速率隨著腐蝕損傷程度的增加而增大。三次擬合曲線的切率先增大后減小，說(shuō)明擴(kuò)展速率隨著腐蝕損傷程度的增加而增長(zhǎng)緩慢，在產(chǎn)生剝蝕之前，裂紋擴(kuò)展速率最大值很可能維持在約10倍的未腐蝕試件的裂紋擴(kuò)展速率。

2.3 腐蝕加速系數(shù)的有效性驗(yàn)證

分別統(tǒng)計(jì)觀測(cè)加速腐蝕第18 a、19 a、20 a的蝕坑最大深度值，蝕坑最大寬度值和點(diǎn)蝕率，將其代入式(4)，求得相應(yīng)腐蝕損傷綜合指標(biāo)α18、α19、α20，并將其代入式(6)計(jì)算得到相應(yīng)的腐蝕加速系數(shù)預(yù)測(cè)值，與試驗(yàn)獲得的加速腐蝕第18 a、19 a、20 a時(shí)的腐蝕加速系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

由表4可知，預(yù)測(cè)相對(duì)誤差均小于10%，預(yù)測(cè)結(jié)果較好且偏保守。因此，式(6)適用于計(jì)算影響裂紋擴(kuò)展速率的腐蝕加速系數(shù)。將Ω(α)代入未腐蝕的LD2CS鋁合金中心貫穿裂紋板的Paris公式，可求出飛行器轉(zhuǎn)場(chǎng)環(huán)境下不同裂紋長(zhǎng)度時(shí)0～20 a的裂紋擴(kuò)展速率，獲得的腐蝕損傷綜合指標(biāo)α也可用于其他機(jī)場(chǎng)環(huán)境的裂紋擴(kuò)展行為研究。

表4 腐蝕加速系數(shù)Ω(α)預(yù)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

對(duì)預(yù)腐蝕的LD2CS鋁合金試件預(yù)制中心裂紋并進(jìn)行疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，得到主要結(jié)論如下：

1)由MIV方法得到對(duì)裂紋擴(kuò)展壽命影響最大的三個(gè)腐蝕損傷表征量：蝕坑最大深度、蝕坑最大寬度和點(diǎn)蝕率。

2)對(duì)上述三種腐蝕損傷表征量進(jìn)行歸一化和加權(quán)平均方法的處理，得到腐蝕損傷綜合指標(biāo)α的動(dòng)力學(xué)方程。

3)隨著腐蝕損傷程度的增加，腐蝕損傷對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的加速作用也越來(lái)越明顯。定義腐蝕加速系數(shù)Ω(α)，將轉(zhuǎn)場(chǎng)環(huán)境下Paris公式修正為(dc/dN)i=Ω(αi)C0(ΔK)m0，得到Ω(α)的多項(xiàng)式表達(dá)式。

4)利用加速腐蝕18 a、19 a、20 a時(shí)統(tǒng)計(jì)觀測(cè)三個(gè)重要的腐蝕損傷表征量和相應(yīng)年限的裂紋擴(kuò)展速率對(duì)式(4)進(jìn)行有效性驗(yàn)證，得到腐蝕加速系數(shù)預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差均小于10%，從工程實(shí)用角度表明，式(4)適于定量表現(xiàn)LD2CS鋁合金有限薄板的中央貫穿裂紋隨腐蝕損傷程度增加裂紋擴(kuò)展速率增大的現(xiàn)象。

本文只研究了鋁合金點(diǎn)蝕損傷對(duì)長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展速率的影響，裂紋萌生及短裂紋擴(kuò)展期和其他腐蝕形式對(duì)航空鋁合金結(jié)構(gòu)件的腐蝕疲勞壽命的影響同樣嚴(yán)重，后續(xù)會(huì)繼續(xù)開(kāi)展多種腐蝕形式對(duì)疲勞裂紋不同擴(kuò)展時(shí)期影響的研究。