魏小琴，李晗，蒲亞博，趙朋飛，王輝，朱蕾

（1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原 030051；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；3.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854）

2A12 鋁合金經(jīng)熱處理強(qiáng)化處理后，在組織中析出Al6CuMg 等金屬間化合物，具有強(qiáng)度高、密度小、力學(xué)性能、加工性能良好、耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，常制作成各類飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于航空領(lǐng)域。我國(guó)東南沿海地區(qū)主要的氣候特征是高溫、高濕、高鹽霧，當(dāng)飛機(jī)在該地區(qū)起飛或降落時(shí)，2A12 鋁合金結(jié)構(gòu)件（如各種連接接頭、鉚釘孔、緊固件、吊掛等）在飛機(jī)振動(dòng)/沖擊作用下，會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞，結(jié)構(gòu)件斷裂韌性降低，嚴(yán)重影響飛機(jī)的飛行安全。

國(guó)內(nèi)外已對(duì)2A12 鋁合金在鹽霧環(huán)境中的腐蝕行為、腐蝕規(guī)律開(kāi)展相關(guān)研究[1-6]，也對(duì)鋁合金在預(yù)腐蝕后的疲勞行為或腐蝕-疲勞交替作用下的斷裂行為開(kāi)展了大量工作，積累了很多試驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)，形成了較完備的理論[7-25]。但是由于現(xiàn)有的疲勞試驗(yàn)機(jī)不配備大氣腐蝕裝置，大多只配置高低溫環(huán)境試驗(yàn)箱，或是自制的盛裝固定濃度腐蝕溶液的簡(jiǎn)易盒子，缺乏模擬動(dòng)態(tài)變化的大氣腐蝕環(huán)境的腐蝕-疲勞專用試驗(yàn)設(shè)備，不能同時(shí)開(kāi)展動(dòng)態(tài)大氣腐蝕試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)，無(wú)法獲取動(dòng)態(tài)腐蝕-疲勞耦合作用下的腐蝕疲勞數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)真實(shí)多變大氣環(huán)境下鋁合金的腐蝕疲勞行為。

本文利用自行研發(fā)的動(dòng)態(tài)腐蝕-疲勞試驗(yàn)裝置，開(kāi)展2A12 鋁合金在預(yù)腐蝕后的腐蝕-疲勞耦合試驗(yàn)，研究腐蝕-疲勞協(xié)同作用下的斷裂失效行為，并與腐蝕-疲勞交替試驗(yàn)的斷裂機(jī)理進(jìn)行對(duì)比，揭示鋁合金預(yù)腐蝕后的腐蝕-疲勞耦合失效機(jī)理，并針對(duì)性地提出減緩腐蝕疲勞斷裂措施，提高2A12 鋁合金的使用壽命。

1 試驗(yàn)

1.1 樣品

試驗(yàn)樣品為 2A12 鋁合金，其抗拉強(qiáng)度σb為420 MPa，屈服強(qiáng)度σs為275 MPa。采用GB/T 3075—2008 推薦的T4狀態(tài)進(jìn)行熱處理。將其加工為圓形截面棒狀試樣，試樣總長(zhǎng)為150 mm，其中試驗(yàn)段直徑為8 mm、長(zhǎng)度為30 mm，兩端圓弧段長(zhǎng)度各30 mm，兩端夾持段直徑為16 mm、長(zhǎng)度各30 mm。試樣形狀、尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 2A12 鋁合金棒狀試樣尺寸Fig.1 2A12 aluminum alloy rod sample size

1.2 方法

利用自行研制的臥式動(dòng)態(tài)腐蝕-疲勞試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖2），采取預(yù)腐蝕后的腐蝕-疲勞協(xié)同試驗(yàn)方式（即預(yù)腐蝕5 d 后，同時(shí)開(kāi)展大氣腐蝕和動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)），直至試件發(fā)生斷裂破壞。作為對(duì)照組，采取腐蝕-疲勞交替試驗(yàn)方式（腐蝕5 d→疲勞5 萬(wàn)周次→腐蝕5 d→疲勞5 萬(wàn)周次→…），直至試件發(fā)生斷裂破壞。

圖2 自制臥式動(dòng)態(tài)腐蝕-疲勞試驗(yàn)裝置Fig.2 Homemade horizontal corrosion-fatigue test device

腐蝕試驗(yàn)為干濕交替的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)（模擬飛機(jī)吊掛結(jié)構(gòu)在沿海地區(qū)的大氣服役環(huán)境），參照GB/T 20854—2007《金屬和合金的腐蝕 循環(huán)暴露在鹽霧、“干”和“濕”條件下的加速試驗(yàn)》，和GB/T 24195—2009《金屬和合金的腐蝕 酸性鹽霧、“干燥”和“濕潤(rùn)”條件下的循環(huán)加速腐蝕試驗(yàn)》。試驗(yàn)譜為：在40 ℃、pH 值為4 的鹽霧氣氛（5%NaCl、0.05%Na2SO4、0.05%CaCl2混合溶液，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，全文同）中腐蝕4 h，然后在60 ℃、相對(duì)濕度為20%的環(huán)境下干燥4 h，單次循環(huán)試驗(yàn)總時(shí)間為8 h，腐蝕5 d 相當(dāng)于運(yùn)行15次干濕交替的循環(huán)鹽霧試驗(yàn)；動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)為低應(yīng)力循環(huán)作用下的疲勞試驗(yàn)，采用拉-拉載荷控制，最大應(yīng)力水平為16 kN，應(yīng)力幅σa為7.2 kN，應(yīng)力比R=0.1，頻率為1 Hz，載荷波形為正弦波。

1.3 檢測(cè)方法

1）化學(xué)成分分析。采用全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀，參照GB/T 20975.25—2008《鋁及鋁合金化學(xué)分析方法第25 部分：電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》分析鋁合金的金相組織。

2）金相組織分析。采用德國(guó)卡爾蔡司公司Observer.A1m 型數(shù)字倒置式材料顯微鏡，參照J(rèn)B/T 6289—2005《內(nèi)燃機(jī)鑄造鋁活塞金相檢驗(yàn)》和JB/T 7946.1—2017《鑄造鋁合金金相鑄造鋁硅合金變質(zhì)》，分析鋁合金樣品的金相組織。

3）腐蝕形貌分析。在鋁合金斷口附近取樣，采用Quanta200 環(huán)境掃描電鏡，觀察腐蝕疲勞樣品斷口微觀形貌。

4）元素價(jià)態(tài)分析。采用美國(guó) Thermo 公司ESCALAB250 型X 射線光電子能譜儀（XPS），分析鋁合金原始樣、腐蝕疲勞樣表面鋁元素價(jià)態(tài)。測(cè)量條件：激發(fā)源單色化的AlKa（1486.6 eV），激發(fā)功率150 W，分析室真空度4.0×10–8Pa，全掃描范圍0～1200 eV，分析器透過(guò)能50 eV，采用固定通過(guò)能量模式。

2 結(jié)果與討論

2.1 疲勞斷裂結(jié)果分析

針對(duì)不同預(yù)處理的鋁合金樣品，分別開(kāi)展腐蝕-疲勞交替試驗(yàn)、預(yù)腐蝕后的腐蝕-疲勞協(xié)同試驗(yàn)。腐蝕疲勞斷裂結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 2A12 鋁合金腐蝕疲勞斷裂結(jié)果Tab.1 2A12 aluminum alloy corrosion fatigue fracture results

對(duì)比3 種試驗(yàn)方法，對(duì)于無(wú)預(yù)制裂紋的正常樣品而言，開(kāi)展腐蝕-疲勞交替試驗(yàn)，不易發(fā)生腐蝕疲勞斷裂現(xiàn)象，但樣品在預(yù)腐蝕后同時(shí)開(kāi)展腐蝕和疲勞試驗(yàn)，迅速發(fā)生腐蝕疲勞斷裂，說(shuō)明腐蝕與疲勞的協(xié)同老化效應(yīng)十分明顯。

2.2 化學(xué)成分分析

分析2A12 鋁合金化學(xué)成分，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2A12 鋁合金各化學(xué)成分Tab.2 Mass percentage of each chemical composition of 2A12 aluminum alloy wt%

2.3 金相組織分析

在2A12 鋁合金正常位置取樣，用4%（體積分?jǐn)?shù)）的硝酸酒精腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察顯微組織并對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3 可以看出，2A12 鋁合金正常區(qū)域組織為α（Al）基體，其中彌散分布大量長(zhǎng)條狀或不規(guī)則圓球狀的合金強(qiáng)化相。

圖3 2A12 鋁合金金相組織Fig.3 2A12 aluminum alloy metallographic structure

2.4 斷口形貌對(duì)比分析

2.4.1 腐蝕-疲勞交替試驗(yàn)中預(yù)裂紋下腐蝕疲勞斷裂失效

在腐蝕-疲勞交替試驗(yàn)過(guò)程中，2A12 鋁合金樣品存在預(yù)裂紋時(shí)，在腐蝕5 d、疲勞35 003 次后發(fā)生斷裂，結(jié)果見(jiàn)圖4。從微觀形貌看，腐蝕疲勞斷裂樣品的斷口分為裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)及快速斷裂區(qū)，裂紋自裂紋源處呈放射狀向芯部擴(kuò)展，斷面存在較深的縱向擴(kuò)展二次裂紋。裂紋源位于表面，并被腐蝕產(chǎn)物層覆蓋，腐蝕產(chǎn)物層呈龜裂狀態(tài)，說(shuō)明裂紋源存在腐蝕坑或腐蝕裂紋（見(jiàn)圖5）。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面平齊，微觀形貌可見(jiàn)垂直裂紋擴(kuò)展方向的疲勞輝紋，為典型疲勞斷裂特征（見(jiàn)圖6）。二次裂紋幾乎貫穿整個(gè)斷面，二次裂紋附近存在較多腐蝕產(chǎn)物（見(jiàn)圖7）?？焖贁嗔褏^(qū)斷口主要為撕裂形貌（見(jiàn)圖8）。

圖4 預(yù)裂紋后的斷口裂紋形貌（13×）Fig.4 Fracture crack morphology after pre-crack

圖5 預(yù)裂紋后的斷口裂紋源形貌（200×）Fig.5 Fracture crack source morphology after pre-crack

圖6 預(yù)裂紋后的斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌（800×）Fig.6 Fracture crack propagation zone morphology after pre-crack

圖7 預(yù)裂紋后的斷口二次裂紋形貌（500×）Fig.7 Fracture secondary crack morphology after pre-crack

圖8 預(yù)裂紋后的斷口快速斷裂區(qū)形貌（500×）Fig.8 Fracture rapid fracture zone after pre-crack

對(duì)斷口表面進(jìn)行能譜分析，發(fā)現(xiàn)斷口裂紋源主要元素包括O、Al、Ca、Na，其含量見(jiàn)表3。結(jié)果表明，斷口裂紋源的腐蝕產(chǎn)物主要為Al2O3，同時(shí)含少量的鹽霧沉積離子Na+、Ca2+。

表3 斷口裂紋源的元素含量Tab.3 Mass percentage of Fracture crack source wt%

2.4.2 預(yù)腐蝕后腐蝕-疲勞協(xié)同試驗(yàn)的斷口形貌分析

在2A12 鋁合金腐蝕疲勞斷口位置取樣，觀察斷口整體形貌（見(jiàn)圖9）。從圖9 可以看出，該鋁合金腐蝕疲勞斷口由裂紋源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)及快速斷裂區(qū)組成。其中斷面粗糙，裂紋起始于兩個(gè)位置，標(biāo)記為A 裂紋源、B 裂紋源。兩個(gè)裂紋源均可見(jiàn)扇形疲勞擴(kuò)展區(qū)，總的疲勞擴(kuò)展區(qū)較小，其中A 裂紋源扇形疲勞擴(kuò)展區(qū)相對(duì)較大，B 裂紋源扇形疲勞擴(kuò)展區(qū)相對(duì)較小。

圖9 預(yù)腐蝕后的斷口形貌（14×）Fig.9 Fracture crack morphology after pre-corrosion

分析裂紋源，發(fā)現(xiàn)A、B 裂紋源均位于表面，且見(jiàn)明顯腐蝕坑。從圖10 的A 腐蝕坑微觀形貌可以看出，其表面被腐蝕產(chǎn)物層覆蓋，腐蝕產(chǎn)物層呈龜裂狀態(tài)，A 腐蝕坑處存在疏松腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑深度約為0.41 mm。從圖11 可知，B 裂紋源處也有明顯的腐蝕坑，疲勞裂紋在腐蝕坑底部萌生并呈放射狀擴(kuò)展，腐蝕坑處存在疏松腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑深度約為0.23 mm。

圖10 預(yù)腐蝕后的A 裂紋源斷口形貌Fig.10 Fracture crack source A morphology after pre-corrosion

圖11 預(yù)腐蝕后的B 裂紋源斷口形貌Fig.11 Fracture crack source B morphology after pre-corrosion

對(duì)斷口裂紋源進(jìn)行能譜分析（見(jiàn)表3），與腐蝕疲勞交替試驗(yàn)類似，斷口裂紋源處的腐蝕產(chǎn)物主要為Al2O3，同時(shí)含有少量的鹽霧沉積離子Na+、Ca2+。

以往研究表明，腐蝕坑處極易引起應(yīng)力集中現(xiàn)象，疲勞裂紋在腐蝕坑底部萌生并呈放射狀擴(kuò)展。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)斷面平齊，微觀形貌可見(jiàn)垂直裂紋擴(kuò)展方向的疲勞輝紋，為典型疲勞斷裂特征（見(jiàn)圖12），快速斷裂區(qū)斷口主要為撕裂形貌見(jiàn)圖13。

圖12 預(yù)腐蝕后的疲勞擴(kuò)展區(qū)斷口形貌Fig.12 Fracture crack propagation zone morphology after pre- corrosion

圖13 預(yù)腐蝕后的斷口快速斷裂區(qū)形貌Fig.13 Fracture rapid fracture zone after pre-corrosion

自然條件下，2A12 鋁合金表層會(huì)自發(fā)形成一層氧化膜，分為與基體相連的致密層以及外部的疏松層，其連續(xù)地覆蓋在鋁合金表面，阻礙了大氣中的腐蝕介質(zhì)與基體直接接觸，具有一定的保護(hù)作用。因此，在鋁合金表面，Al2O3和Al 共存，見(jiàn)圖14a。

2A12 鋁合金在受到預(yù)腐蝕作用時(shí)，水分、鹽霧在鋁合金表面形成富含Cl–的電解質(zhì)液膜，隨后由于Cl-對(duì)氧化膜的破壞作用，氧化膜上會(huì)形成點(diǎn)蝕源，隨之發(fā)展成點(diǎn)蝕孔。點(diǎn)蝕孔內(nèi)暴露出的鋁合金基體與氧化膜在電解液中共同形成腐蝕電池，鋁合金表面出現(xiàn)的電化學(xué)反應(yīng)為見(jiàn)式(1)—(2)。

由此，點(diǎn)蝕孔中形成的小陽(yáng)極大陰極的電化學(xué)狀態(tài)加速了鋁合金基體的溶解，點(diǎn)蝕孔快速發(fā)展形成較大較深的點(diǎn)蝕坑，形成圖7 和圖8 中較為明顯的腐蝕坑，并形成大量腐蝕產(chǎn)物Al2O3，見(jiàn)圖14b。

圖14 2A12 鋁合金表面鋁元素價(jià)態(tài)分析Fig.14 Aluminum element valence state on aluminum alloy surface: a) original sample, b) corrosion pit

2.4.3 對(duì)比分析

當(dāng)2A12 鋁合金存在預(yù)裂紋時(shí)，在腐蝕-疲勞交替作用下很快發(fā)生疲勞斷裂，且裂紋幾乎貫穿了整個(gè)斷面，在整個(gè)裂紋附近均存在較多腐蝕產(chǎn)物Al2O3。當(dāng)2A12 鋁合金不存在原始裂紋、非金屬夾雜、疏松等原始缺陷時(shí)，在腐蝕-疲勞交替作用下，樣品不會(huì)很快發(fā)生腐蝕疲勞斷裂現(xiàn)象。當(dāng)2A12 鋁合金預(yù)腐蝕后，其表面很快出現(xiàn)多個(gè)腐蝕坑，存在較多腐蝕產(chǎn)物Al2O3，腐蝕坑底部在腐蝕-疲勞協(xié)同作用下，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，在最大應(yīng)力處萌生裂紋并呈放射狀擴(kuò)展，很快發(fā)生疲勞斷裂行為，故在裂紋擴(kuò)展區(qū)尚未來(lái)得及形成腐蝕產(chǎn)物。

3 結(jié)論

1）2A12 鋁合金不存在原始缺陷時(shí)，在腐蝕與疲勞交替作用下，不易發(fā)生腐蝕疲勞斷裂，但在預(yù)腐蝕的腐蝕-疲勞耦合作用下，卻很快發(fā)生腐蝕疲勞斷裂。

2）2A12 鋁合金在預(yù)腐蝕后的腐蝕-疲勞耦合作用下，樣品表面有多個(gè)腐蝕坑，腐蝕坑底部由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，在最大應(yīng)力集中點(diǎn)處萌生裂紋并呈放射狀擴(kuò)展，很快發(fā)生疲勞斷裂行為，故在裂紋擴(kuò)展區(qū)未出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物，而是在裂紋源處形成較多腐蝕產(chǎn)物Al2O3。