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        鋁鋰合金加速腐蝕損傷概率分布規(guī)律研究

        2011-02-23 07:01:52劉治國(guó)葉彬穆志韜
        裝備環(huán)境工程 2011年3期
        關(guān)鍵詞:腐蝕深度正態(tài)分布鋁合金

        劉治國(guó),葉彬,穆志韜

        (1.海軍航空工程學(xué)院 青島分院,山東 青島 266041;2.洪都航空工業(yè)集團(tuán)650所,南昌 330024)

        1420 鋁鋰合金是一種高性能材料,它具有密度?。?.47 g/cm3)、彈性模量高(76 000 MPa)的特點(diǎn),代替常規(guī)的鋁合金,可使構(gòu)件質(zhì)量降低10%~15%,剛度提高15%~20%。1420 鋁鋰合金已具有20 多年實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn),是目前工程應(yīng)用最廣泛的鋁鋰合金[1—2],多應(yīng)用于航空航天及導(dǎo)彈武器等領(lǐng)域,美國(guó)和俄羅斯的飛機(jī)結(jié)構(gòu)大量采用了該合金材料[3—4]。

        1420 鋁鋰合金作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料,隨著飛機(jī)服役年限的增加,在環(huán)境中的腐蝕問題也日益凸顯出來。由于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的使用壽命通常取決于構(gòu)件的最大腐蝕深度,因而研究1420鋁鋰合金的腐蝕深度分布類型及發(fā)展規(guī)律,對(duì)于確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命或日歷壽命顯得尤為重要。以腐蝕深度為基礎(chǔ)依據(jù),制定飛機(jī)鋁鋰合金結(jié)構(gòu)相應(yīng)的腐蝕容限或?qū)嵤└g控制、制定修理周期。由于用EXCO 溶液浸泡能夠較好地再現(xiàn)鋁鋰合金于實(shí)際環(huán)境中的腐蝕損傷形式[5],故選用EXCO溶液對(duì)1420鋁鋰合金的腐蝕行為進(jìn)行研究。

        1 試驗(yàn)方法

        試件采用1420 鋁鋰合金板材加工,尺寸為60 mm×40 mm×2 mm。其成分、加工和熱處理狀態(tài)與飛機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的材料一致,原始試件圖片及金相微觀圖片如圖1所示。試驗(yàn)前需對(duì)試件進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理[6],試驗(yàn)溶液為標(biāo)準(zhǔn)的 EXCO 溶液[5],每隔48 h更換1次。試驗(yàn)過程參照HB 5455—90進(jìn)行,每隔24 h取出1組試驗(yàn)件。試件取出后按一定程序進(jìn)行清洗并測(cè)量腐蝕深度[5]。

        圖1 試件未腐蝕試驗(yàn)前的初始狀態(tài)和微觀照片F(xiàn)ig. 1 The initial status and microgram photo of pro-corrosion specimen

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)共進(jìn)行了27 d。在第3天,試件表面開始出現(xiàn)點(diǎn)蝕;之后至第12天的過程中,蝕坑逐漸加深,點(diǎn)蝕逐漸向剝蝕階段發(fā)展;12 d后,試件腐蝕發(fā)展為剝蝕階段,直至試驗(yàn)結(jié)束。試件金屬基體發(fā)展為嚴(yán)重的分層狀的剝蝕,部分階段的試件圖片及金相圖片如圖2所示。

        在浸泡16 d后,試件發(fā)生了嚴(yán)重的剝蝕,難以準(zhǔn)確測(cè)量腐蝕深度數(shù)據(jù),故本試驗(yàn)共測(cè)得了前16 d 的試件腐蝕深度數(shù)據(jù),部分浸泡周期的腐蝕深度數(shù)據(jù)見表1—表3。

        圖2 EXCO溶液浸泡試驗(yàn)后試件外觀、表面和金相斷口顯微照片F(xiàn)ig. 2 The appearance and surface and metallographic photo of specimen after corrosion

        表1 浸泡3 d后的腐蝕深度測(cè)量數(shù)據(jù)Table 1 The corrosion depths of specimen after 3 days corrosion μm

        3 腐蝕損傷深度分布規(guī)律研究

        試件腐蝕坑發(fā)生的時(shí)間及發(fā)展速度存在較大的分散性,測(cè)量所得的腐蝕深度是一個(gè)隨機(jī)變量,因此,采用統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較適宜。以往研究表明[7—8]:鋁合金腐蝕深度的分布形式有正態(tài)分布、Gumbel(I型極大值)分布、Weibull分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布等。對(duì)上述分布函數(shù)采取適當(dāng)?shù)淖儞Q[8],得到4種分布形式的分布函數(shù),見表4。

        表2 浸泡9 d后的腐蝕深度測(cè)量數(shù)據(jù)Table 2 The corrosion depths of specimen after 9 days corrosion μm

        表3 浸泡16 d后的腐蝕深度測(cè)量數(shù)據(jù)Table 3 The corrosion depths of specimen after 16 days corrosion μm

        將不同浸泡周期的腐蝕深度測(cè)量值按從小到大的次序排列,第1號(hào)數(shù)值為腐蝕深度最小測(cè)量值D1,第i 號(hào)的腐蝕深度測(cè)量值為Di,第i 號(hào)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)概率Pi用式(1)表示:

        式中:i=1,2,3,…,N,N 為腐蝕深度測(cè)量值個(gè)數(shù),在本試驗(yàn)中,N=40。首先假設(shè)腐蝕深度分別服從Gumbel、正態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)和Weibull分布,然后分別計(jì)算出對(duì)應(yīng)的的數(shù)值,在對(duì)應(yīng)的概率坐標(biāo)圖中擬合并對(duì)各分布進(jìn)行檢驗(yàn)。

        Pearson相關(guān)系數(shù)r的計(jì)算公式為:

        在顯著水平α下,滿足假設(shè)分布的線性相關(guān)性臨界值由式(3)計(jì)算:

        當(dāng)顯著性水平α=0.05 時(shí),即置信水平1-α=0.95 時(shí),計(jì)算可得腐蝕周期為 3~15 d 的 t0.0(538)=1.685,線性相關(guān)臨界值rc=0.263 8。同理可計(jì)算得出腐蝕周期為16 d 的線性相關(guān)臨界值rc=0.345 1。根據(jù)式(2)及表1—表3 腐蝕深度測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算,結(jié)果見表5。

        從表5 可知,4 種分布形式的相關(guān)系數(shù)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界線性相關(guān)系數(shù)。由此可見,1420 鋁鋰合金在EXCO 溶液中浸泡的腐蝕深度較好地服從了4 種分布。

        同時(shí),從表5 分析可見,在不同的腐蝕周期,腐蝕深度服從4種分布函數(shù)具有一定的優(yōu)劣性,如:浸泡3 d 腐蝕深度服從Gumbel 分布的相關(guān)系數(shù)為0.991,為4種分布形式相關(guān)系數(shù)中的最大值,因而浸泡3 d 腐蝕深度的最佳分布為Gumbel 分布;浸泡6 d和9 d的最佳分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布;浸泡12 d和16 d的最佳分布為正態(tài)分布。

        表5 分布形式的相關(guān)系數(shù)Table 5 The correlated coefficient of different probability distribution

        另將表1—表3中的腐蝕深度測(cè)量數(shù)據(jù)代入表4中的線性方程,則可得到不同分布的線性回歸方程,計(jì)算結(jié)果見表6。 同時(shí)根據(jù)最小二乘法,則可得到不同分布的線性回歸方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差:具體計(jì)算結(jié)果見表6。

        由表6 可見,不同分布形式的擬合線性方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差也能夠體現(xiàn)不同周期、不同分布函數(shù)的優(yōu)劣性,如在腐蝕浸泡周期為3 d時(shí),其Gumbel分布形式的擬合線性方程的剩余標(biāo)準(zhǔn)差為0.152 5,在4種分布函數(shù)中最小,說明浸泡周期為3 d時(shí)腐蝕深度的最佳分布為Gumbel分布。此結(jié)論與表5中相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果相同,其他周期腐蝕深度分析結(jié)果也與表5中分析結(jié)果相同,說明文中分析結(jié)果有效。

        4 腐蝕深度動(dòng)力學(xué)規(guī)律研究

        將不同腐蝕周期的腐蝕深度數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn),得到1420鋁鋰合金EXCO溶液浸泡加速腐蝕深度隨腐蝕周期變化規(guī)律圖,如圖3 所示。由圖3 可見,腐蝕深度變化存在明顯分段現(xiàn)象,即在浸泡初期(3~12 d),腐蝕深度發(fā)展較慢;12 d 后,腐蝕深度增速明顯加快。

        基于腐蝕深度的上述變化規(guī)律,遵循“分段建模”[9]原則采用分段函數(shù)來建立腐蝕動(dòng)力學(xué)方程,分段節(jié)點(diǎn)為浸泡12 d?;谏鲜龇治?,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)變換得到不同腐蝕周期腐蝕動(dòng)力學(xué)方程為:

        1)當(dāng)3 d≤t<12 d時(shí),t與D呈線性關(guān)系,利用最小二乘法擬合可以得到腐蝕動(dòng)力學(xué)方程為:

        D=-3 507.16+304.68 t

        表6 分布檢驗(yàn)及線性方程Table 6 The results of probability distribution inspection and linear equation

        2)當(dāng) 12 d≤t≤16 d 時(shí),t 與 D 也呈線性關(guān)系,同樣利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可以得到腐蝕動(dòng)力學(xué)方程為:

        D=45.38+13.67 t

        5 結(jié)論

        從統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果來看,腐蝕3 d,鋁鋰合金腐蝕深度最優(yōu)分布為Gumbel分布;腐蝕6 d和9 d,腐蝕深度最優(yōu)分布為對(duì)數(shù)正態(tài)分布;腐蝕12 d和16 d,腐蝕深度最優(yōu)分布為正態(tài)分布。

        圖3 1420鋁鋰合金腐蝕深度與腐蝕時(shí)間關(guān)系Fig. 3 The kinetics law of aluminium-lithium alloy in EXCO solution

        在EXCO 溶液浸泡環(huán)境下,根據(jù)1420 鋁鋰合金的腐蝕形貌特征,可將其腐蝕過程歸納為2個(gè)階段。

        1)點(diǎn)蝕階段:腐蝕處于初始階段,腐蝕深度隨試驗(yàn)時(shí)間增加而增加,其特征為蝕坑(腐蝕試驗(yàn)的第3天至第12天),并向剝蝕階段過渡。

        2)剝蝕階段:腐蝕處于快速增長(zhǎng)階段,腐蝕深度隨試驗(yàn)時(shí)間增加而迅速增加,呈現(xiàn)出明顯的剝蝕特征(在腐蝕試驗(yàn)的第12天之后),在晶間腐蝕較嚴(yán)重部位呈現(xiàn)出輕微的剝蝕,試驗(yàn)到第16 天以后,晶間腐蝕嚴(yán)重部位轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的剝蝕,浸泡試驗(yàn)到第23天,剝蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重,金屬基體被完全腐蝕。

        [1]張新明,肖蓉,唐建國(guó),等.1420 鋁鋰合金的溫壓變形動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào),2006,37(4):629—634.

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        [6]謝偉杰,李荻,胡艷玲,等.LY12CZ 和7075T7351 鋁合金在EXCO 溶液中腐蝕動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)研究[J]. 航空學(xué)報(bào),1999(1):34—38.

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