李 礦， 熊峻江， 馬少俊， 陳 勃

(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191； 2.北京航空材料研究院，北京 100095)

油箱積水環(huán)境下航空鋁合金2E12-T3和7050-T7451疲勞性能實(shí)驗(yàn)

李 礦1， 熊峻江1， 馬少俊2， 陳 勃2

(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191； 2.北京航空材料研究院，北京 100095)

典型腐蝕環(huán)境下的疲勞性能是航空金屬結(jié)構(gòu)疲勞壽命設(shè)計(jì)的前提，為此，實(shí)驗(yàn)測(cè)定航空鋁合金2E12-T3和7050-T7451光滑試樣和缺口試樣在干燥大氣環(huán)境和油箱積水環(huán)境下的疲勞性能S-N曲線，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行疲勞性能對(duì)比，并對(duì)試樣斷口進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析，研究油箱積水腐蝕環(huán)境和載荷聯(lián)合作用對(duì)疲勞性能的影響機(jī)理，結(jié)果表明：油箱積水環(huán)境對(duì)材料的疲勞性能產(chǎn)生不利影響，疲勞載荷的降低和試樣的缺口均加劇腐蝕環(huán)境對(duì)材料疲勞性能的不利影響；腐蝕引起的試樣表面粗糙狀況更容易萌生疲勞裂紋，裂紋尖端發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)和氫脆效應(yīng)加快裂紋擴(kuò)展，使得疲勞性能降低和疲勞壽命縮短。

鋁合金；疲勞；腐蝕；油箱積水；缺口；SEM

民用航空器在運(yùn)行過(guò)程中需要承受復(fù)雜的交變載荷作用，疲勞損傷是影響其壽命的重要因素，同時(shí)，航空器還經(jīng)常面臨惡劣的飛行條件，如潮濕空氣、鹽霧和海水等腐蝕環(huán)境，腐蝕環(huán)境會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，嚴(yán)重威脅著航空器的運(yùn)行安全[1-2]。為此，針對(duì)不同腐蝕環(huán)境對(duì)航空金屬材料疲勞性能的影響開(kāi)展了大量研究，Meng[3]在不同濃度鹽溶液中對(duì)鋁合金進(jìn)行疲勞測(cè)試，研究了pH值和腐蝕溶液濃度等對(duì)其疲勞性能的影響；鮑蕊[4]在空氣和潮濕氣體中對(duì)2024-T3鋁合金進(jìn)行疲勞測(cè)試，研究了潮濕氣體對(duì)其疲勞性能的影響；馮先鋒[5]、劉軒[6]等在鹽溶液中對(duì)2024鋁合金和7075鋁合金進(jìn)行疲勞測(cè)試和斷口SEM分析，研究了應(yīng)力水平、溫度和缺口對(duì)腐蝕疲勞行為的影響及其微觀機(jī)理；宮玉輝[7]在油箱積水、鹽溶液和空氣中對(duì)7475-T7351鋁合金厚板進(jìn)行疲勞測(cè)試，研究了不同腐蝕環(huán)境對(duì)其裂紋擴(kuò)展性能和疲勞壽命的影響；Chlistovsky[8]對(duì)7075-T651鋁合金進(jìn)行疲勞測(cè)試，研究了恒載和周期性過(guò)載下的腐蝕疲勞特性；陳躍良[9]在剝蝕溶液中對(duì)LY12鋁合金進(jìn)行疲勞測(cè)試，對(duì)比分析了腐蝕-疲勞和腐蝕-疲勞-腐蝕交替兩種形式對(duì)疲勞性能的影響及其微觀機(jī)理；張海威[10]通過(guò)分析2A12-T4鋁合金的腐蝕-疲勞-腐蝕交替實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了相應(yīng)的疲勞壽命計(jì)算方法；Ishihara[11],Ebara[12]等對(duì)鋁合金、鋼材等金屬材料進(jìn)行斷口SEM分析，研究了腐蝕與載荷交互作用的損傷機(jī)理。此外，針對(duì)預(yù)腐蝕對(duì)金屬材料疲勞性能的影響也開(kāi)展了大量研究，Jones[13]，Hui[14-15]，馬少華[16-17]等對(duì)鹽溶液、潮濕空氣和油箱積水預(yù)腐蝕后的7B04-T74等鋁合金進(jìn)行疲勞測(cè)試，研究了不同腐蝕環(huán)境對(duì)其疲勞性能的影響及其微觀機(jī)理，并建立了相應(yīng)的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型。

雖然現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道了腐蝕和預(yù)腐蝕對(duì)金屬材料疲勞性能的影響，但這些研究多集中于潮濕空氣和鹽溶液環(huán)境，而鮮見(jiàn)油箱積水腐蝕環(huán)境對(duì)航空金屬材料疲勞性能影響方面的研究[7]。事實(shí)上，油箱作為飛機(jī)的重要結(jié)構(gòu)部分，易受到外部雨雪和內(nèi)部冷凝水的影響而形成油箱積水環(huán)境，油箱積水中含有的氯離子、硫酸根離子和金屬離子等會(huì)造成腐蝕損傷，嚴(yán)重影響材料的疲勞性能和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[18]，因此，有必要開(kāi)展油箱積水環(huán)境對(duì)疲勞性能影響的研究。為此，本工作以2E12-T3和7050-T7451鋁合金作為研究對(duì)象，實(shí)驗(yàn)測(cè)定其在干燥大氣環(huán)境和油箱積水環(huán)境下的疲勞性能，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比以及疲勞斷口SEM分析，研究油箱積水環(huán)境對(duì)航空鋁合金材料疲勞性能的影響機(jī)理，為工程應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2E12和7050鋁合金具有良好的力學(xué)性能和抗腐蝕性能，常用作油箱結(jié)構(gòu)材料[19]，為了實(shí)驗(yàn)研究油箱積水腐蝕環(huán)境對(duì)其疲勞性能的影響，分別制備了2E12-T3和7050-T7451鋁合金的光滑試樣(應(yīng)力集中系數(shù)Kt=1)和缺口試樣(Kt=3)，其中，2E12-T3鋁合金選用沿軋制方向的板材試樣，而7050-T7451鋁合金選用縱向取樣的棒材試樣，材料的力學(xué)性能和化學(xué)成分分別如表1和表2所示(表中，E為彈性模量，σb為強(qiáng)度極限，σs為屈服極限，δ為伸長(zhǎng)率)，試樣的幾何形狀和尺寸如圖1所示。

表2 鋁合金材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

疲勞實(shí)驗(yàn)分別在干燥大氣環(huán)境和油箱積水環(huán)境下進(jìn)行，干燥大氣環(huán)境溫度為25±2℃；油箱積水腐蝕溶液按照去離子水和油箱原液99∶1的體積比配置，溶液pH值在6.7～7.5之間，其介質(zhì)成分如表3所示，進(jìn)行腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)時(shí)，用潛水泵把油箱積水溶液通入腐蝕盒內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，保證試樣工作部分始終處于溶液介質(zhì)中，并且，流速不小于每分鐘更換一次腐蝕盒內(nèi)的溶液介質(zhì)。

按照ASTM E468—90實(shí)驗(yàn)方法，在MTS-880-100 kN疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上，進(jìn)行應(yīng)力比R為0.06(軸向拉伸-拉伸循環(huán))的恒幅加載疲勞試驗(yàn)(如圖2所示)，加載波形為正弦波，加載頻率f為10 Hz。首先，采用成組法，進(jìn)行3個(gè)不同應(yīng)力水平下的疲勞實(shí)驗(yàn)，所測(cè)壽命區(qū)間為1×104～5×105次循環(huán)(油箱積水)和1×104～1×107次循環(huán)(干燥大氣)，每個(gè)應(yīng)力水平下滿足95%置信度的有效試樣數(shù)不少于5個(gè)；然后，采用升降法，測(cè)定壽命Nf為5×105次循環(huán)(油箱積水)和1×107次循環(huán)(干燥大氣)對(duì)應(yīng)的疲勞極限，即選定某應(yīng)力水平進(jìn)行疲勞加載，如果試樣在未達(dá)到指定疲勞壽命Nf時(shí)發(fā)生斷裂(即破壞)，則將應(yīng)力水平減少不超過(guò)5%加載新試樣；如果試樣達(dá)到指定疲勞壽命Nf時(shí)未發(fā)生破壞(即越出)，則將應(yīng)力水平增加不超過(guò)5%加載新試樣；如果試樣在第i級(jí)最大應(yīng)力Si作用下破壞，而在較低的第i+1級(jí)最大應(yīng)力Si+1下越出，應(yīng)力差值(Si-Si+1)小于Si+1的5%，則(Si,Si+1)為一個(gè)有效數(shù)據(jù)對(duì)子，升降法測(cè)定疲勞極限的有效數(shù)據(jù)對(duì)子不少于3對(duì)。

實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，試樣均從最小截面位置兩側(cè)(光滑試樣)或缺口位置(缺口試樣)處產(chǎn)生裂紋，并最終沿最小截面斷裂(如圖2所示)，原因在于最小截面處的應(yīng)力最大，應(yīng)力集中現(xiàn)象最為明顯。成組法測(cè)試得到的數(shù)據(jù)和升降法匹配的數(shù)據(jù)對(duì)子分別如圖3和表4所示，其中，帶箭頭的黑色實(shí)心點(diǎn)代表達(dá)到指定疲勞壽命Nf時(shí)未發(fā)生破壞(即越出)的數(shù)據(jù)，從圖3中可以看出，隨著應(yīng)力水平的降低，試樣的疲勞壽命逐漸增加。

表3 油箱積水溶液組分及含量

表4 升降法數(shù)據(jù)對(duì)子(單位：MPa)

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

(1)

(2)

(3)

(S-S0)mN=C

(4)

式中，S0，m和C均為材料常數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的疲勞極限，可以獲得油箱積水環(huán)境下疲勞性能的腐蝕影響系數(shù)，即

(5)

(6)

式中：Ssa為干燥大氣環(huán)境下光滑試樣5×105次循環(huán)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度；Ssc為油箱積水環(huán)境下光滑試樣的疲勞極限；Snc為油箱積水環(huán)境下缺口試樣的疲勞極限；ε1為油箱積水腐蝕環(huán)境影響系數(shù)；ε2為試樣缺口和腐蝕環(huán)境的聯(lián)合影響系數(shù)。

根據(jù)式(1)到式(4)，由圖3和表4所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各實(shí)驗(yàn)條件下的疲勞極限(如表5所示)，通過(guò)擬合，得到相應(yīng)的疲勞性能S-N曲線(如圖3和表6所示)，再由式(5)到式(6)，獲得試樣缺口和腐蝕環(huán)境對(duì)疲勞極限的影響系數(shù)(如表7所示)。從圖3、表5和表7，可以看出：(1)光滑試樣的無(wú)腐蝕疲勞S-N曲線明顯高于腐蝕疲勞S-N曲線，2E12-T3鋁合金腐蝕影響系數(shù)為63.8%，而7050-T7451鋁合金腐蝕影響系數(shù)為38.5%，說(shuō)明油箱積水腐蝕環(huán)境能明顯降低材料的疲勞性能，這與文獻(xiàn)[7, 17]的研究結(jié)果吻合，并且，7050-T7451鋁合金對(duì)油箱積水環(huán)境更為敏感，其疲勞性能的下降更為明顯；(2)隨著應(yīng)力水平的降低，光滑試樣的腐蝕疲勞S-N曲線和無(wú)腐蝕疲勞S-N曲線之間的差距逐漸增大，說(shuō)明疲勞載荷的降低使得腐蝕與疲勞載荷交互作用更充分，加劇了油箱積水環(huán)境對(duì)材料疲勞性能的不利影響，這與文獻(xiàn)[14,16]的研究結(jié)果吻合；(3)光滑試樣的腐蝕疲勞S-N曲線高于缺口試樣的腐蝕疲勞S-N曲線，2E12-T3鋁合金缺口試樣的腐蝕影響系數(shù)為27.5%，低于光滑試樣腐蝕影響系數(shù)的63.8%；7050-T7451鋁合金缺口試樣的腐蝕影響系數(shù)為20.4%，也低于光滑試樣腐蝕影響系數(shù)的38.5%，說(shuō)明試樣缺口在油箱積水環(huán)境下同樣對(duì)航空鋁合金材料疲勞性能產(chǎn)生不利影響，這與干燥大氣環(huán)境下的相關(guān)研究結(jié)論一致。

表5 疲勞極限中值(單位：MPa)

表6 疲勞性能S-N曲線參數(shù)值

表7 疲勞極限影響系數(shù)

2.2 斷口SEM分析

為了探究油箱積水環(huán)境影響航空鋁合金材料疲勞性能的微觀機(jī)理，利用JSM6010LA型掃描電子顯微鏡，觀測(cè)2E12-T3和7050-T7451鋁合金破壞試樣的疲勞斷口(如圖4和圖5所示)。

對(duì)比疲勞斷口，可以看出：(1)無(wú)腐蝕的光滑試樣通常只有一個(gè)疲勞源(見(jiàn)圖4(a)和圖5(a))，而油箱積水環(huán)境下的試樣疲勞斷口表面粗糙度增加，試樣邊沿處產(chǎn)生大量腐蝕產(chǎn)物(見(jiàn)圖4(e)和圖5(b))和腐蝕坑(見(jiàn)圖5(c))，引起應(yīng)力集中，疲勞裂紋更容易萌生，疲勞源的數(shù)量增多(見(jiàn)圖4(a)圖4(c))，因此，油箱積水環(huán)境對(duì)材料的疲勞性能產(chǎn)生不利影響；(2)與無(wú)腐蝕的光滑試樣相比，腐蝕環(huán)境下的缺口試樣邊緣的應(yīng)力集中更為顯著，疲勞源數(shù)量明顯增多(見(jiàn)圖5(a)和圖5(e))，加劇了疲勞裂紋的萌生，因此，油箱積水環(huán)境和試樣缺口的共同作用對(duì)材料的疲勞性能產(chǎn)生更不利的影響，這與文獻(xiàn)[14,16]的研究結(jié)果吻合。

從疲勞斷口的擴(kuò)展區(qū)形貌，還可以看出：(1)干燥大氣環(huán)境下，裂紋尖端發(fā)生明顯塑性變形，形成細(xì)致、連續(xù)的塑性疲勞條帶，同時(shí)，伴隨有等軸韌窩的出現(xiàn)(見(jiàn)圖4(b))，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展以韌性斷裂機(jī)制為主；(2)油箱積水環(huán)境下，油箱積水與新生成的裂紋表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，并在裂紋尖端發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生具有較強(qiáng)活性的原子氫[H]，[H]通過(guò)擴(kuò)散或位錯(cuò)輸送進(jìn)入裂紋尖端塑性區(qū)，引起氫脆效應(yīng)，導(dǎo)致材料塑性降低，從而，形成短促、不連續(xù)的脆性條帶(見(jiàn)圖4(f)和圖5(f))，部分條帶還伴隨有等軸韌窩的出現(xiàn)(見(jiàn)圖4(d))，說(shuō)明裂紋擴(kuò)展以韌脆混合或者脆性斷裂機(jī)制為主，氫脆效應(yīng)加快了裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞壽命縮短，這與文獻(xiàn)[16,21]的研究結(jié)果吻合；(3)油箱積水溶液中的氯離子、硫酸根離子和金屬離子等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)在裂紋尖端發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，還形成大量的腐蝕產(chǎn)物(見(jiàn)圖4(d)、圖4(f)、圖5(d)和圖5(f))，部分腐蝕產(chǎn)物在載荷作用下還形成龜裂特征(見(jiàn)圖5d)，加快了裂紋擴(kuò)展，同樣導(dǎo)致材料的疲勞壽命縮短，疲勞性能降低。

3 結(jié) 論

(1)2E12-T3鋁合金的腐蝕影響系數(shù)為63.8%，而7050-T7451鋁合金的腐蝕影響系數(shù)為38.5%，說(shuō)明油箱積水環(huán)境能明顯降低材料的疲勞性能，7050-T7451鋁合金對(duì)油箱積水環(huán)境更為敏感，其疲勞性能的下降更為明顯。

(2)2E12-T3鋁合金缺口試樣的腐蝕影響系數(shù)為27.5%，7050-T7451鋁合金缺口試樣的腐蝕影響系數(shù)為20.4%，均低于光滑試樣的腐蝕影響系數(shù)，說(shuō)明試樣缺口在油箱積水環(huán)境下同樣對(duì)航空鋁合金材料疲勞性能產(chǎn)生不利影響。

(3)油箱積水環(huán)境下疲勞斷口表面粗糙度增加，疲勞源數(shù)量增多，導(dǎo)致疲勞裂紋更容易萌生，同時(shí)，裂紋尖端發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)和氫脆效應(yīng)加快了裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致疲勞壽命縮短，疲勞性能降低，此時(shí)裂紋擴(kuò)展以韌脆混合或脆性斷裂機(jī)制為主，而干燥大氣環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展則以韌性斷裂機(jī)制為主。

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(責(zé)任編輯：張 崢)

Contrasty Tests on Fatigue Properties of Aluminum Alloys 2E12-T3 and 7050-T7451 in Pooding Environment of Fuel Tank

LI Kuang1， XIONG Junjiang1， MA Shaojun2， CHEN Bo2

(1.School of Transportation Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China； 2.Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China)

Fatigue properties in typical corrosion environments are the premise of fatigue life design for metallic structures in aircraft. Therefore, fatigue tests were performed on smooth and notched specimens subjected to constant amplitude loading in two environments of dry air and fuel tank ponding respectively to determine pure and corrosion fatigue properties of aluminum alloys 2E12-T3 and 7050-T7451. Corrosion fatigue properties in the two environments were analyzed and compared with each other, and the interaction mechanisms between corrosion and fatigue were deduced from fractographical studies by using scanning election microscope (SEM). It is showed that fuel tank ponding has a detrimental influence on fatigue properties and the adverse effect increases with the decreasing stress level. In addition, the notch of specimen enhances the severity of corrosion effects. Fatigue crack is easily initiate from the corrosion pits on the rough fatigue surface, and crack propagation is enhanced by the corrosion products and the hydrogen embrittlement effects at crack tips, thus the degradation of fatigue properties and the reduction of fatigue life are caused.

aluminum alloy；fatigue；corrosion；fuel tank ponding；notch；SEM

2016-05-27；

2016-07-01

國(guó)家自然科學(xué)基金(51375033)

熊峻江(1966—)，男，博士，教授，主要從事飛機(jī)結(jié)構(gòu)適航性、航空復(fù)合材料新結(jié)構(gòu)研究，(E-mail)jjxiong@buaa.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000093

V252.2；TG115.5+7

A

1005-5053(2017)01-0065-08