(洪都航空工業(yè)集團(tuán)，江西南昌，330024)

1 前言

通常依據(jù)實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下材料的低周疲勞性能數(shù)據(jù)來估算飛機(jī)疲勞壽命。然而，飛機(jī)構(gòu)件在服役期內(nèi)會(huì)受到工業(yè)廢氣、潮濕天氣等腐蝕，實(shí)際所處環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室是不同的[1]。研究不同環(huán)境對(duì)金屬材料低周疲勞行為的影響，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性設(shè)計(jì)具有重要的意義。2D70 Al合金是航空工業(yè)重要的難變形材料，在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前國內(nèi)外對(duì)2D70力學(xué)性能的研究，集中在拉伸性能[2－3]、持久蠕變性能[4]以及應(yīng)力腐蝕敏感性[5]，對(duì)2D70在腐蝕環(huán)境的疲勞性能未見報(bào)道，對(duì)其它金屬材料在腐蝕環(huán)境的疲勞性能研究也很少，僅限于濕空氣和鹽霧環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響[6－7]、硫化氫環(huán)境疲勞試驗(yàn)的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)研制[8]、腐蝕裝置的設(shè)計(jì)[9]。本文通過對(duì)2D70 Al合金在空氣、濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO24種環(huán)境進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，探討了金屬材料在腐蝕環(huán)境下低周疲勞試驗(yàn)方法，并研究了不同環(huán)境對(duì)2D70 Al合金低周疲勞性能的影響。該研究成果已被設(shè)計(jì)部門用于預(yù)測(cè)飛機(jī)在腐蝕環(huán)境的低周疲勞壽命。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

在實(shí)驗(yàn)室空氣、濕空氣(R.H.≥90%)、3.5%NaCl鹽霧和3.5%NaCl鹽霧+SO24種環(huán)境對(duì)2D70 Al合金進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，參照GB/T15248-1994、ASTM B117-85及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。加載方式為軸向應(yīng)變控制(應(yīng)變比R=－1)，循環(huán)波形為三角波，應(yīng)變速率4×10－3(mm/mm)/s。每條應(yīng)變－壽命曲線做6個(gè)應(yīng)變水平，每個(gè)應(yīng)變水平置信度達(dá)到90%。試驗(yàn)結(jié)束后，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制 Δεe/2－2Nf曲線、Δεt/－2Nf曲線、Δεp/2－2Nf曲線及Δσ/2－Δεp/2曲線，計(jì)算出參量，擬合得到循環(huán)σ-ε曲線及應(yīng)變－壽命曲線。

試驗(yàn)材料為2D70鋁合金，板厚40 mm，熱處理狀態(tài)T6態(tài)，取樣方向L向，性能參數(shù)見表1。試樣采用直徑分別為7 mm和6 mm等截面試樣，標(biāo)距10 mm。

表1 材料性能Table 1 Properties of 2D70 alloy

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括MTS810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，引伸計(jì)，腐蝕盒，保鮮膜，加濕器及SO2氣瓶，氣管。

腐蝕盒參考吳寶娟等人的設(shè)計(jì)[9]，用3 mm厚有機(jī)玻璃加工成圓柱形盒子，底部通過法蘭連接試樣，但上蓋并未采用有機(jī)玻璃，而是使用保鮮膜用橡皮筋密封，這樣有效解決了腐蝕盒中試樣上安裝引伸計(jì)難的難題。為了在實(shí)驗(yàn)室中制出鹽霧+SO2介質(zhì)環(huán)境，運(yùn)用了醫(yī)用吊針，吊針針頭扎在進(jìn)氣管上，吊針皮管則與SO2氣瓶連接，腐蝕盒及進(jìn)氣管的連接如圖1所示。

圖1 腐蝕盒及進(jìn)氣管的連接示意圖Fig.1 Sketch of the corrosion box connected with air inlet pipe

2.3 引伸計(jì)的安裝

由于是低周疲勞實(shí)驗(yàn)，采用的是引伸計(jì)應(yīng)變控制方式。在對(duì)每根試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)因引伸計(jì)失穩(wěn)，造成應(yīng)變控制失效，最終實(shí)驗(yàn)失敗的問題較嚴(yán)重。經(jīng)過分析，得出幾點(diǎn)原因:①引伸計(jì)上、下兩刀口分別通過橡皮筋固緊在試樣上，如果兩根橡皮筋固緊力相差較大，實(shí)驗(yàn)中引伸計(jì)極易失穩(wěn);②腐蝕環(huán)境中，引伸計(jì)刀口固緊在試樣上一段時(shí)間后，試樣固緊處易過早出現(xiàn)疲勞損傷，造成應(yīng)變控制失效;③引伸計(jì)刀口在腐蝕環(huán)境長期實(shí)驗(yàn)后，易產(chǎn)生缺口，使得實(shí)驗(yàn)中引伸計(jì)滑動(dòng)。針對(duì)以上影響因素，通過大量實(shí)驗(yàn)摸索，我們想出了可行的解決辦法:①引伸計(jì)刀口固緊在試樣上時(shí)，調(diào)整兩根橡皮筋固緊力一致。②在試樣與引伸計(jì)固緊處貼上透明膠帶，使引伸計(jì)刀口不直接接觸試樣表面，防止試樣過早破壞。③引伸計(jì)使用一段時(shí)間后，取下引伸計(jì)刀口，用金相砂紙打磨后再繼續(xù)使用，或者更換刀口。避免因刀口損傷造成的應(yīng)變控制失效。

2.4 腐蝕介質(zhì)的流通

實(shí)驗(yàn)環(huán)境包括濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO23種腐蝕環(huán)境，實(shí)驗(yàn)時(shí)間一長，濕空氣在連接管中冷凝成水，鹽霧堵塞加濕器，造成腐蝕介質(zhì)流通不暢，影響實(shí)驗(yàn)。為此，在實(shí)驗(yàn)過程中須經(jīng)常觀察腐蝕介質(zhì)的流通狀況，經(jīng)常清潔加濕器易堵塞處，并經(jīng)常疏通連接管。另外，在鹽霧+SO2環(huán)境中，因SO2氣體有毒，一定要將門窗打開，將SO2氣體隨時(shí)排出。

3 結(jié)果及分析

4種環(huán)境實(shí)驗(yàn)得到的循環(huán)σ-ε曲線及應(yīng)變—壽命曲線分別見圖2、圖3。

由圖2，在同一坐標(biāo)對(duì)比4種環(huán)境2D70的循環(huán)σ-ε曲線，可看出，應(yīng)變相同時(shí)，循環(huán)應(yīng)力大小為:空氣＞濕空氣＞鹽霧＞鹽霧+SO2。由圖3，在同一坐標(biāo)對(duì)比4種環(huán)境2D70的應(yīng)變－壽命曲線，可看出，應(yīng)變相同時(shí)，低周疲勞壽命大小為:空氣＞濕空氣＞鹽霧及鹽霧+SO2，鹽霧和鹽霧+SO2環(huán)境下2D70的低周疲勞壽命相近并為最低。

圖2 4種環(huán)境循環(huán)的σ-ε曲線Fig.2 σ-ε curves under four conditions

圖3 4種環(huán)境應(yīng)變－壽命曲線Fig.3 Strain-life curves under four conditions

空氣環(huán)境低周疲勞試樣斷口見圖4、圖5。由圖4知，空氣環(huán)境低周疲勞斷口高差較大，裂紋起始于試樣表面，由圖5可見明顯二次裂紋，并出現(xiàn)疲勞條帶、韌窩，多為塑性條帶。

腐蝕環(huán)境低周疲勞試樣斷口見圖6、圖7。在圖6和圖7中，肉眼無法辨別腐蝕環(huán)境低周疲勞斷口的疲勞源和裂紋擴(kuò)展區(qū)，經(jīng)200ml∶80gCr2O3∶H2O的溶液清洗后微觀觀察，斷裂起始于試樣表面，斷口呈沿晶特征，脆性條帶較多。腐蝕環(huán)境由于含有水蒸汽，與鋁合金試樣表面反應(yīng)生成氯，易導(dǎo)致氫脆。若腐蝕介質(zhì)中有NaCl鹽霧，則會(huì)加速氫脆的發(fā)生。這也就印證了4.1的結(jié)果分析。

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室空氣、濕空氣、鹽霧及鹽霧+SO24種環(huán)境，當(dāng)應(yīng)變相同時(shí)，隨腐蝕環(huán)境增強(qiáng)，2D70 Al合金的循環(huán)應(yīng)力降低;當(dāng)應(yīng)變相同時(shí)，2D70 Al合金在鹽霧及鹽霧+SO22種環(huán)境下低周疲勞壽命相近，并且隨腐蝕環(huán)境增強(qiáng)，低周疲勞壽命降低;隨腐蝕環(huán)境增強(qiáng)，材料疲勞損傷程度越大。

References

[1]Li Zhiyi(李志義)，Ding Yinwei(丁信偉).金屬材料的腐蝕疲勞[J].Chemical Engineering Mechanics(化工機(jī)械)，1995，22(4):239－242.

[2]Wang Guojun(王國軍)，Lǚ Xinyu(呂新宇)，Jin Longbing(金龍兵).控制2D70鋁合金熱擠壓棒材截面粗晶和力學(xué)性能的研究[J].Aluminium Work(鋁加工)，2008(3):26－29.

[3]Wang Guojun(王國軍)，Xiong Baiqing(熊柏青)，Zhang Yongan(張永安)，et al.固溶熱處理對(duì)2D70合金擠壓棒材組織與性能的影響[J].Metallic Heat Treatment(金屬熱處理)，2010(3):37－42.

[4]Yang Shoujie(楊守杰)，Huang Min(黃 敏)，Zhu Na(朱娜)，et al.2D70鋁合金熱穩(wěn)定性研究[J].Jounal of Air Material(航空材料學(xué)報(bào))，2003，(S1):73－77.

[5]Zhang Xiaoyun(張曉云)，Huo Qianming(霍乾明)，Sun Zhihua(孫志華)，et al.高強(qiáng)鋁合金在不同環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕行為[J].Science Bulletin(科學(xué)通報(bào))，2008(23):2 860－2 864.

[6]Shih T T，Clark W G.An Evaluation of Environment Enhanced Fatigue Crack Growth Rate Testing as an Accelerated Static Load Corrosion Test[J].Environment Sentive Fracture，2009:470－483.

[7]Fabis T R.Computer-Controlled Fatigue Crack Growth Rate Testing on Bend Bars in a Corrosive Environment[J].Environment Sensitive Fracture，2007:325 －339.

[8]Dong Yanjun(董延軍)，Zhang Yiliang(張亦良)，Zhang Wei(張 偉).低周腐蝕疲勞試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)的研制[J].Engineering Mechanics(工程力學(xué))，2003(Suppl.):169－172.

[9]Wu Baojuan(吳寶娟)，Yu Xiaochun(於孝春).疲勞機(jī)上腐蝕裝置的設(shè)計(jì)[J].Piped Technique and Equipment(管道技術(shù)與設(shè)備)，1995(6):10－12.