陳 鑒，王向東，潘柏清，劉 雄，丁 浩，龍明生，剡蘇榮，謝紫華，邵曉峰

(中車株洲電力機車研究所有限公司 時代電氣制造中心，湖南 株洲 412001)

近年來，隨著我國交通運輸行業(yè)的飛速發(fā)展，高速列車、城軌列車相繼投入使用。Al-Zn-Mg合金因其具有不錯的強質比、優(yōu)異的成型性、合格的耐蝕性和可焊性在高速列車、城軌列車上得到了廣泛應用[1-2]。

列車的運行環(huán)境較為復雜，若鋁合金結構件表面的涂層失效，鋁合金型材將會直接接觸到潮濕空氣、Cl-離子等介質，型材表面會發(fā)生腐蝕，此外，在列車運行、停放過程中還需承受拉壓交變應力、恒拉應力的作用。由于Al-Zn-Mg合金自身存在一定的應力腐蝕敏感性，在腐蝕介質與恒拉應力的綜合作用下，會發(fā)生應力腐蝕；而在腐蝕介質與交變載荷的共同作用下，會引發(fā)腐蝕疲勞[3-5]。腐蝕會引起結構材料的損傷，使結構材料性能下降，導致服役時間縮短。但在結構設計時往往會由于涂層存在良好的防護效果而忽視環(huán)境因素在強度衰減中的作用，給結構材料的使用帶來不確定性。如今，隨著軌道車輛的服役年限增長、客容量增大以及運行速度加快，對Al-Zn-Mg合金型材及其構件的強度、耐蝕性，特別是安全性、可靠性提出了更高的要求，因此需要精細化了解腐蝕對Al-Zn-Mg合金疲勞性能衰減的影響。

灰色理論對于信息不完整的系統具有很好的預測性，在各行各業(yè)都有非常廣泛的應用，田峻山等[6]通過非等間距灰色系統理論，對混凝土結構的損傷系數進行了壽命預測并得到了較高的預測結果。曲建軍等[7]根據軌道幾何不平順的發(fā)展特性，通過灰色理論較好地預測了軌道質量隨時間發(fā)展的隨機波動特征，預測精度高。因此采用灰色理論可以對Al-Zn-Mg合金的疲勞強度衰減進行精準的預測。

本文采用恒定載荷應力腐蝕+低應力腐蝕疲勞相結合的方式模擬列車的“服役—停放”過程。首先，對Al-Zn-Mg合金樣品進行加速試驗；隨后,對加速試驗后樣品的疲勞性能與腐蝕疲勞性能進行檢測，并與已服役型材的相關性能進行對照，從而獲得Al-Zn-Mg合金型材疲勞、腐蝕疲勞極限的衰減方程；最后，采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金型材的使用壽命進行預測。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗使用的材料為Al-Zn(5.81%)-Mg(0.82%)-Cu(0.12%)-Zr(0.16%)-Mn (0.22%)，錠坯經均勻化處理后，通過熱擠壓得到型材。合金擠壓型材經470 ℃固溶處理60 min后，用水淬火，隨后進行雙級時效處理，其中預時效制度為120 ℃/6 h，終時效制度為150 ℃/10 h。

1.2 室溫拉伸性能

Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸試樣尺寸一方面參考GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》[8]標準，同時考慮到所取試樣的實際尺寸，最終選擇公稱厚度為型材原始厚度的室溫拉伸試樣，具體試樣尺寸如圖1所示。室溫拉伸試驗在萬能材料試驗機上進行，試驗過程中拉伸速率為2 mm/min，試驗溫度為室溫(25±3)℃，拉伸試驗過程中使用引伸計測量屈服點。

圖1 Al-Zn-Mg合金型材室溫拉伸試樣尺寸

1.3 常規(guī)疲勞性能

Al-Zn-Mg合金型材疲勞極限測試參照GB/T 3075—2008 《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》[9]執(zhí)行，S-N疲勞壽命曲線測試在應力比R=0.1、應力集中系數Kt=1條件下進行，循環(huán)極限壽命取107，檢測型材材料(50%置信度、95%可靠度)的疲勞性能差異，試樣尺寸如圖2所示。

圖2 Al-Zn-Mg合金型材疲勞試樣尺寸

1.4 腐蝕疲勞性能

Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞S-N曲線測試參照GB/T 3075—2008和GB/T 20120.1 —2006《金屬和合金的腐蝕 腐蝕疲勞試驗 第1部分：循環(huán)失效試驗》[10]執(zhí)行，采用成組法取3級以上應力水平對材料進行指定應力下的腐蝕疲勞壽命檢測，腐蝕溶液選取剝落腐蝕溶液(EXCO，NaCl(234 g/L)+ KNO3(50 g/L)+ HNO3(6.3 mL/L))。S-N腐蝕疲勞壽命曲線測試在R=0.1、Kt=1下進行，循環(huán)極限壽命取5×104，檢測鋁合金型材的腐蝕疲勞性能差異，試驗取樣尺寸同疲勞試樣。

1.5 組織觀察

Al-Zn-Mg合金的掃描電鏡(SEM)和透射電鏡(TEM)組織觀察分別采用FEI-Quanta200掃描電子顯微鏡和Tecnai G2 20透射電子顯微鏡。掃描電鏡樣品為Al-Zn-Mg合金室溫拉伸斷口樣品；透射電鏡樣品為厚度小于80 μm、直徑為3 mm且中間有薄區(qū)的小圓片。

1.6 衰減規(guī)律探索

采用恒定載荷應力腐蝕+低應力腐蝕疲勞對樣品進行加速試驗。恒定載荷應力為50～200 MPa，加載時間為1～3天，腐蝕溶液為NaCl(3.5%)+ NaHSO3(0.01 mol/L)，同時考慮了氯離子及工業(yè)廢氣中的硫元素對合金性能的影響；腐蝕疲勞最大載荷為10～110 MPa，R=0.1，加載時間為1～3天，腐蝕溶液同樣為NaCl(3.5% )+ NaHSO3(0.01 mol/L)，1組應力腐蝕加1組腐蝕疲勞為1個加速周期，分別測試得到未加速、加速1個周期和加速2個周期下合金的疲勞性能、腐蝕疲勞性能。最后通過灰色理論模型對不同加速周期下的疲勞強度進行計算，得到合金型材衰減多周期后的疲勞極限，并將不同周期的疲勞極限進行擬合，得到擬合曲線。

2 試驗結果

2.1 組織分析

通過透射電鏡觀察Al-Zn-Mg合金型材雙級時效后的第二相分布及晶界結構。圖3(a)～圖3(b)為合金透射電鏡明場像，圖3(c)為圖3(a)中沿<100>Al的選區(qū)電子衍射圖片。由圖3(a)可知，基體內有許多細小均勻分布的第二相粒子，粒子主要呈點狀。根據其對應的衍射圖片(圖3(c))，能看到明顯的η′相的衍射斑點，GP區(qū)的衍射強度微弱。從圖3(b)中可以看到晶界處的第二相粒子呈島狀分布，析出的η相呈棒狀，彼此沒有直接連接。這種不連續(xù)分布的粗大η相，將腐蝕過程中的陽極溶解通道隔斷，降低了腐蝕介質沿晶界的擴散速率，從而可提高合金的耐蝕性能。在應力腐蝕過程中，粗大η相有利于使富集在上面的氫原子形成氫氣逸出，抑制氫脆，因此在雙級時效態(tài)下，Al-Zn-Mg合金具有良好的抗腐蝕性能。

圖3 Al-Zn-Mg合金型材雙級時效處理后的TEM組織

2.2 室溫拉伸性能

表1為Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸結果，平行試樣共3根。通過對比強度和伸長率可知，3根Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸性能穩(wěn)定，其中平均抗拉強度(Rm)、平均屈服強度(RP0.2)和平均斷后伸長率(A)分別為345.95 MPa、315.77 MPa和22.67%。

表1 Al-Zn-Mg合金型材室溫拉伸性能

通過觀察Al-Zn-Mg合金型材的室溫拉伸斷口(圖4)可以發(fā)現在斷裂面上存在大量的等軸韌窩，這些韌窩尺寸分布密集；在韌窩底部，發(fā)現了許多第二相粒子。表明該Al-Zn-Mg合金型材在經過雙級時效處理后具有不錯的韌性。

圖4 Al-Zn-Mg合金室溫拉伸斷口形貌

2.3 常規(guī)疲勞性能

表2為Al-Zn-Mg合金型材疲勞性能檢測結果，對應的升降法疲勞強度如圖5所示。依據升降法計算規(guī)則得到在應力比R=0.1、應力梯度Δσ=10 MPa條件下，Al-Zn-Mg合金型材試樣中值疲勞強度為219.29 MPa。

表2 Al-Zn-Mg合金型材疲勞性能檢測結果

圖5 Al-Zn-Mg合金型材疲勞強度

2.4 腐蝕疲勞性能

表3為Al-Zn-Mg合金型材的腐蝕疲勞性能檢測結果，對應的S-N曲線如圖6所示。Al-Zn-Mg合金型材在加載超過210 MPa的條件下很難達到5×104的循環(huán)周次，而在200 MPa時則可以通過。根據計算可知，Al-Zn-Mg合金的腐蝕疲勞極限強度為208.93 MPa。

表3 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞性能檢測結果

圖6 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞強度

2.5 型材衰減規(guī)律

表4、表5為Al-Zn-Mg合金型材在經過1個加速周期后的常規(guī)疲勞和腐蝕疲勞試驗結果。由表4可知，在R=0.1、Δσ=10 MPa條件下，依據升降法測試得到的Al-Zn-Mg合金型材中值疲勞強度為203.00 MPa。根據表5所列數據，依據成組法計算規(guī)則，可知Al-Zn-Mg合金型材經加速試驗后的腐蝕疲勞強度為169.46 MPa。

表4 加速1個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材疲勞檢測結果

表5 加速1個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞檢測結果

通過對比未加速之前與加速1個周期后Al-Zn-Mg合金型材的常規(guī)疲勞強度、腐蝕疲勞強度可知，合金型材的常規(guī)疲勞強度衰減約16 MPa，而腐蝕疲勞強度衰減約39 MPa。可見，在腐蝕條件下，合金力學性能的衰減比未腐蝕時更為明顯。

表6、表7為Al-Zn-Mg合金型材在經過2個加速周期后的常規(guī)疲勞和腐蝕疲勞試驗結果。依據升降法計算表6的數據，得到在R=0.1、Δσ=10 MPa條件下，加速2個周期后Al-Zn-Mg合金型材的疲勞極限為182.50 MPa；根據表7所列數據計算得到加速2個周期后Al-Zn-Mg合金型材循環(huán)5×104周次后的腐蝕疲勞極限強度為125.13 MPa?？梢?，相較于加速1個周期后的常規(guī)疲勞與腐蝕疲勞強度又有一定程度的下降，其中常規(guī)疲勞強度下降約20 MPa，腐蝕疲勞強度下降約44 MPa，Al-Zn-Mg合金型材的性能衰減降幅有增大趨勢。

表6 加速2個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材疲勞檢測結果

以表2～表7中Al-Zn-Mg合金型材加速試驗前后的常規(guī)疲勞強度值和腐蝕疲勞強度值為基礎，將其數據統計如表8所示。采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金在不同加速周期下的疲勞性能、腐蝕疲勞性能進行分析，得到合金的常規(guī)疲勞性能發(fā)展系數為0.106，灰色作用量為237.12；而腐蝕疲勞性能的發(fā)展系數為0.30，灰色作用量為257.84?？梢?，Al-Zn-Mg合金型材的腐蝕疲勞性能發(fā)展趨勢更快。

表7 加速2個周期試驗后Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞檢測結果

表8 加速試驗前后Al-Zn-Mg合金型材性能數據及灰色理論參數值

使用灰色理論模型對長周期下的Al-Zn-Mg合金型材的疲勞強度及腐蝕疲勞強度進行預測，可以得知在6個加速周期后，合金的疲勞強度仍可達到119.17 MPa，而腐蝕疲勞強度則只有37.39 MPa(表9)，充分說明腐蝕對于Al-Zn-Mg合金性能衰減的加速作用。腐蝕介質中絕大多數結構件的疲勞壽命降低，裂紋擴展速率增加。在腐蝕介質中，Cl-和H+會優(yōu)先作用于沿晶界分布的MgZn2相，引起腐蝕。由于該Al-Zn-Mg合金型材經過雙級時效處理，MgZn2相呈島狀分布，因此在金屬表面形成點蝕坑，使型材表面的粗糙度上升，同時引起局部損傷與應力集中，會成為疲勞加載下的疲勞源頭，引起疲勞強度降低；同時由于H+尺寸較小，在合金內部有一定的自由度，會隨裂紋尖端逐漸向型材內部擴張，進一步破壞構件。

表9 Al-Zn-Mg合金型材腐蝕疲勞性能預測表

對灰色理論模型預測數據進行擬合分析，擬合曲線如圖7所示。常規(guī)疲勞強度和腐蝕疲勞強度都隨加速周期呈指數形式衰減。通過擬合可知常規(guī)疲勞強度、腐蝕疲勞強度隨加速周期的衰減方程分別為：

圖7 疲勞和腐蝕疲勞強度隨加速周期的擬合曲線

FA=-12.31+234.05exp(-0.095t)

(1)

FC=-4.02+217.33exp(-0.27t)

(2)

式中：FA——常規(guī)疲勞強度；

FC——腐蝕疲勞強度；

t——加速周期。

2個衰減方程的擬合系數分別為0.999 43和0.998 17，說明具有良好的擬合效果。

3 結論

本文通過腐蝕疲勞、應力腐蝕相結合的方法模擬 “服役—停放”狀態(tài)，測試了不同加速周期下Al-Zn-Mg合金型材的疲勞強度、腐蝕疲勞強度。采用灰色理論模型對Al-Zn-Mg合金在不同加速周期下的疲勞性能、腐蝕疲勞性能進行分析，得出合金型材常規(guī)疲勞性能發(fā)展系數和灰色作用量分別為0.11和237.12，腐蝕疲勞性能發(fā)展系數和灰色作用量分別為0.30和257.84?？梢?，Al-Zn-Mg合金型材的常規(guī)疲勞強度、腐蝕疲勞強度會隨模擬加速試驗周期的延長而衰減，腐蝕疲勞條件下Al-Zn-Mg合金型材的性能衰減比常規(guī)疲勞條件下的性能衰減更快。