黃小光，王黎明，曹宇光

（中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，青島266580）

0 引 言

腐蝕疲勞是金屬材料在循環(huán)或隨機交變應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下發(fā)生脆性斷裂的過程。許多工程結(jié)構(gòu)，諸如海洋鋼結(jié)構(gòu)、石油化工設(shè)備、飛機等，其服役環(huán)境均存在不同程度的腐蝕介質(zhì)。在交變應(yīng)力的作用下，腐蝕性環(huán)境會顯著降低材料的斷裂韌性，加快疲勞裂紋的形成及擴展，大幅縮短工程結(jié)構(gòu)的使用壽命[1-4]。在腐蝕疲勞過程中，裂紋形成時間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裂紋擴展時間，所以腐蝕疲勞裂紋擴展的規(guī)律是結(jié)構(gòu)設(shè)計與使用的重要考慮指標(biāo)，也是為腐蝕環(huán)境中結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計的基礎(chǔ)。腐蝕疲勞裂紋擴展過程是一個極其復(fù)雜的力學(xué)、電化學(xué)過程，根據(jù)材料、腐蝕環(huán)境的差異，腐蝕環(huán)境促進(jìn)裂紋擴展的機理主要體現(xiàn)為陽極溶解[5-6]、氫脆[7-9]、裂紋間隙的質(zhì)量傳輸[10-11]等。同時腐蝕介質(zhì)、溫度、顯微組織和載荷參數(shù)等因素均能顯著影響裂紋擴展速率[12-14]。

LY12CZ鋁合金作為一種性能優(yōu)越的高強度材料，在航空、海洋工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[15]。由于服役環(huán)境常具有腐蝕性，材料在腐蝕性環(huán)境中的裂紋擴展行為引起研究人員的關(guān)注[16]。李旭東等[17]借助掃描電鏡及能譜分析技術(shù)對LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞斷口進(jìn)行了研究，分析了合金中微量元素對腐蝕疲勞斷裂過程的影響；Zhang等[18]通過LY12CZ鋁合金中心裂紋拉伸試驗，建立了腐蝕疲勞裂紋擴展速率模型，并采用AFGROW軟件對腐蝕疲勞裂紋擴展過程進(jìn)行了模擬；Wang[19]利用LY12CZ 鋁合金CT試樣腐蝕疲勞試驗，提出了裂紋擴展的腐蝕-鈍化-斷裂模型，并對比分析了應(yīng)力比、載荷頻率對裂紋擴展速率的影響；張波等[20]采用單邊缺口試樣，研究了頻率對LY12CZ鋁合金在3.5 % NaCl溶液中腐蝕疲勞裂紋擴展的影響。但以上絕大多數(shù)研究均停留在試驗規(guī)律的摸索、總結(jié)方面，缺少對腐蝕環(huán)境促進(jìn)疲勞裂紋擴展機理的研究。為研究腐蝕環(huán)境促進(jìn)LY12CZ鋁合金疲勞裂紋擴展的機理，作者采用三點彎曲腐蝕疲勞裂紋擴展試驗，分析了載荷頻率、應(yīng)力比以及溶液pH對LY12CZ鋁合金在人工海水中裂紋擴展速率的影響，同時借助掃描電鏡觀察斷口形貌，對腐蝕環(huán)境加速裂紋擴展的機制進(jìn)行了深入的探討。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為LY12CZ鋁合金板，熱處理狀態(tài)為淬火加自然時效，淬火溫度為495～503℃。LY12CZ鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）：4.3Cu，1.5Mg，0.6Mn，0.3Zn，0.5Si，0.5Fe,余Al，基本力學(xué)性能如表1所示。試驗所選試樣為標(biāo)準(zhǔn)三點單邊開槽彎曲試樣SE（B），試樣取向為TL，在試樣上預(yù)制長度為2 mm的裂紋，尺寸如圖1所示[21-22]。

表1 LY12CZ鋁合金的力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of LY12CZ aluminum alloy

1.2 試驗方法

圖1 SE（B）標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸Fig.1 SE(B) standard specimen and size

腐蝕疲勞試驗在MTS809-5kN 型電液伺服疲勞試驗機上按照GB/T 6398—2000進(jìn)行，自制試樣上、下夾具與有機玻璃腐蝕溶液箱，腐蝕溶液箱盛放人工海水（質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.5%NaCl溶液），為防止海水滲漏，對試樣下夾具與腐蝕溶液箱進(jìn)行密封處理，同時對下夾具采取防腐處理。

疲勞試驗機采用恒幅加載方式，波形為正弦波。預(yù)制疲勞裂紋時最大載荷的誤差控制在以內(nèi)。為研究載荷頻率、應(yīng)力比以及溶液pH影響，裂紋擴展試驗加載頻率f分別取1，5，10 Hz，應(yīng)力比R分別取0.1，0.3，0.5，人工海水的pH分別取7.0，5.0，3.0（通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的H2SO4溶液調(diào)節(jié)）。在試驗過程中，用XPT-7型光學(xué)顯微鏡測量裂紋長度，并記錄相應(yīng)的循環(huán)數(shù)，直到試樣斷裂為止。所有試驗均在室溫下進(jìn)行。試驗結(jié)束后，用S-4800型掃描電鏡觀察試樣斷口形貌。采用遞增多項式方法進(jìn)行局部擬合求導(dǎo)來處理試驗數(shù)據(jù)[23]。同樣條件下，在空氣中進(jìn)行疲勞試驗作為對比。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 人工海水對裂紋擴展速率的影響

由圖2可知，LY12CZ合金在人工海水（pH為7.0）中裂紋擴展速率要遠(yuǎn)高于空氣中的擴展速率，腐蝕環(huán)境對合金裂紋擴展的加速作用非常顯著?？諝狻⒑Ｋ辛鸭y擴展速率均隨應(yīng)力強度因子幅值ΔK不斷增大，ΔK為控制LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展宏觀規(guī)律的主要因素。

圖2 LY12CZ鋁合金在空氣與pH=7.0的人工海水中的疲勞裂紋擴展速率Fig.2 Crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy in air and seawater with pH of 7

由圖3可以看出，人工海水pH對裂紋擴展速率影響非常顯著，pH越低，酸性越強，裂紋擴展速率越高。強酸性會促進(jìn)裂尖新生金屬的陽極溶解，更為重要的是氫離子與金屬材料發(fā)生置換反應(yīng)，生成氫氣吸附在裂尖表面，并通過擴散作用進(jìn)入裂尖塑性區(qū)，造成氫損傷，大大加速裂紋擴展。

圖3 人工海水pH對LY12CZ 鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.3 The effect of pH value of artificial seawater on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.2 載荷頻率對裂紋擴展速率的影響

由圖4可見，載荷頻率對LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率有明顯的影響，腐蝕疲勞裂紋擴展速率隨循環(huán)載荷頻率上升而不斷下降。因為載荷頻率越低，每個循環(huán)周期內(nèi)裂紋尖端新生材料與腐蝕環(huán)境的相互作用越為充分，裂尖材料腐蝕損傷越嚴(yán)重，加速了腐蝕疲勞裂紋的擴展。

圖4 循環(huán)載荷頻率對LY12CZ鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.4 The effect of frequency of cyclic loading on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.3 應(yīng)力比對裂紋擴展速率的影響

由圖5可知，不同應(yīng)力比下，LY12CZ鋁合金的腐蝕疲勞裂紋擴展速率隨ΔK的增大不斷增加。但是，在低水平區(qū)域，裂紋擴展速率出現(xiàn)較為明顯的門檻值特征。在近門檻值區(qū)域，應(yīng)力比對裂紋擴展速率影響顯著，裂紋擴展速率隨應(yīng)力比的增大而不斷升高。但是，應(yīng)力比對中高ΔK水平區(qū)域裂紋擴展速率的影響逐漸降低?？梢哉J(rèn)為，應(yīng)力比主要影響近門檻值區(qū)域的腐蝕疲勞裂紋擴展[24]。

圖5 應(yīng)力比對LY12CZ 鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響Fig.5 The effect of stress ratio on corrosion fatigue crack propagation rate of LY12CZ aluminum alloy

2.4 影響機理

從圖6可以看出，在中性環(huán)境中，試樣斷口陽極溶解產(chǎn)生的點蝕非常明顯，裂尖陽極溶解對加速裂紋擴展起主要作用。裂尖陽極溶解的Al3+通過水解，使裂尖溶液呈酸性。酸性溶液中裂尖表面氧化膜很不穩(wěn)定，使裂尖反復(fù)出現(xiàn)新生金屬，新生金屬不斷溶解促進(jìn)裂紋擴展。隨著頻率的上升，載荷周期內(nèi)腐蝕損傷減弱，點蝕大小、深度均有所減弱。

酸性溶液中試樣斷口上有較為清晰的疲勞輝紋，同時還出現(xiàn)一些絮狀的反應(yīng)產(chǎn)物，如圖6（b）、（d）、（f）所示。酸性溶液中氫離子與金屬置換反應(yīng)使得氫在裂紋尖端不斷聚集（析氫反應(yīng)）并吸附在裂尖表面，使裂尖金屬脆化從而促進(jìn)裂紋的擴展。同時，對比圖6（a），（b）可以發(fā)現(xiàn)，中性環(huán)境中陽極溶解對裂紋擴展起主導(dǎo)作用，然而，隨著溶液pH降低，酸性增強，陽極溶解被抑制，析氫反應(yīng)逐漸主導(dǎo)裂紋擴展過程[25-26]。

3 結(jié) 論

（1）人工海水能顯著提高LY12CZ合金疲勞裂紋擴展速率；疲勞載荷頻率越低，循環(huán)周期內(nèi)裂尖新生金屬與腐蝕環(huán)境作用越充分，裂紋擴展速率越高；應(yīng)力比主要影響近門檻值區(qū)的腐蝕疲勞裂紋擴展，對中高水平區(qū)域的裂紋擴展速率沒有顯著影響；在近門檻區(qū)，相同水平下應(yīng)力比越高，裂紋擴展速率越高；人工海水pH對裂紋擴展速率影響非常明顯，酸性越強，裂紋擴展速率越高。

圖7 不同試驗條件下LY12CZ 鋁合金斷口的SEM形貌Fig.7 SEM fractography of LY12CZ aluminum alloy in different experimental conditions

（2）中性海水中，裂尖陽極溶解對疲勞裂紋的加速擴展起主導(dǎo)作用；但是，隨著海水酸性增大這種主導(dǎo)作用逐漸減弱，被析氫反應(yīng)代替；酸性海水中氫離子與新生金屬的裂尖氫置換反應(yīng)造成裂尖材料氫脆，從而大幅提高腐蝕疲勞裂紋擴展速率。

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