李新宇，付 裕，熊峻江

（北京航空航大學交通科學與工程學院，北京 100191）

0 引 言

飛機金屬材料結構件往往在腐蝕的環(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[2]研究發(fā)現，在3.5%鹽水中，鋁合金材料疲勞壽命甚至會降低一半以上。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，在3.5%鹽水腐蝕條件下鋁合金構件斷口上不僅會出現疲勞裂紋，還會出現沿晶等斷裂特征，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。吳達鑫[6]在研究疲勞斷口時發(fā)現，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，擴展區(qū)的疲勞條紋則也變得更加細密。黃小光[7]對腐蝕疲勞點蝕演化與裂紋擴展機理進行了研究，獲得了點蝕演化與裂紋擴展過程的熱力學判據，并且提出了腐蝕疲勞壽命評價模型。

在工程應用中，不同腐蝕環(huán)境對航空用鋁合金材料構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）的鋁合金結構件，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計圖（單位：mm）

圖2 光滑圓桿試驗件設計圖（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上進行，本次試驗使用instron8801疲勞試驗機。靜載誤差≤±1%；動載誤差≤±3%，經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盒、過濾器、測量儀、溶液箱、溶液循環(huán)泵和恒溫器等設備（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行試驗，每組5件試驗件，對應于4種不同載荷值進行4組腐蝕疲勞試驗，應力比為0.1，加載頻率為10Hz/s。試驗開始時，需要對試驗件進行分組編號，然后在instron8801試驗機上安裝試驗件，并使試驗段完全浸于介質盒內的腐蝕液體環(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，中部拉斷結果如圖7所示。

2 試驗數據處理與分析

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

將式（1）作對數變換，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成直線關系。根據線性回歸方法，可估計出待定常數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果圖

將實驗結果按照上述雙參數法進行處理得到：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?，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?，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。

3 結束語

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.飛機典型連接件腐蝕及腐蝕疲勞試驗研究[J].腐蝕與防護，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].航空材料學報，2009，29（4）:52-56.

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

[4]張正貴，周兆元，劉長勇.高強度鋁合金構件腐蝕疲勞失效分析[J].中國腐蝕與防護學報，2008，28（1）：48-52.

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

[6]吳達鑫.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，2011.

[7]黃小光.腐蝕疲勞點蝕演化與裂紋擴展機理研究[D].上海：上海交通大學,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]. 應用力學學報，1997，14(3)：16-20.