張安琴，劉治國，王江

（1.中國航發(fā)貴陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，貴陽 550081； 2.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041）

引言

0Cr16Ni系列合金鋼材料目前已成為航空發(fā)動機(jī)用結(jié)構(gòu)材料，在裝備臨海/瀕海服役條件下，該材料構(gòu)件面臨著海洋性環(huán)境腐蝕作用，會萌發(fā)腐蝕損傷。根據(jù)以往研究可知[1]，腐蝕損傷在裝備載荷工況條件下會誘發(fā)疲勞裂紋萌生，并加快裂紋擴(kuò)展，降低材料斷裂韌性，最終影響材料/結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和疲勞壽命。

航空裝備金屬結(jié)構(gòu)腐蝕損傷對疲勞壽命的影響，物理過程可視為地面停放腐蝕損傷與空中飛行疲勞損傷交替作用的過程，即腐蝕…疲勞…再腐蝕…再疲勞…直至破壞的過程。工程上對該類問題研究總體上采用簡化物理過程的研究方法，將腐蝕與疲勞分離[1-2]，分別開展腐蝕試驗(yàn)、預(yù)腐蝕后疲勞試驗(yàn)，然后再依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果開展試驗(yàn)分析。其中試驗(yàn)分析是將材料疲勞性能和循環(huán)載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)作為輸入，基于一定的疲勞損傷累積法則，計算、分析相關(guān)結(jié)構(gòu)/材料疲勞壽命。根據(jù)固體力學(xué)中疲勞理論與斷裂力學(xué)范疇的劃分，試驗(yàn)分析計算相關(guān)結(jié)構(gòu)預(yù)腐蝕疲勞壽命具體可分為基于S-N曲線的腐蝕疲勞壽命分析方法、基于ε-N曲線的腐蝕疲勞壽命分析方法和基于斷裂力學(xué)da/dN～△K的曲線的腐蝕疲勞壽命分析方法[3,4]。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)腐蝕條件下航空裝備結(jié)構(gòu)疲勞壽命評定的通用方法[4-6]，引入腐蝕影響系數(shù)，用其綜合反映環(huán)境腐蝕和疲勞載荷對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，通過開展0Cr16Ni系列合金鋼材料材料試件模擬服役環(huán)境的仿真加速腐蝕試驗(yàn)和預(yù)腐蝕一定當(dāng)量日歷年限下試件的疲勞試驗(yàn)方法，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立對疲勞壽命具有影響作用的腐蝕影響系數(shù)C-T曲線表達(dá)式，通過該曲線進(jìn)行材料服役環(huán)境下疲勞壽命分析，探究該研究思路與方法的可行性。

1 加速腐蝕試驗(yàn)

為使腐蝕試驗(yàn)結(jié)果與裝備服役狀態(tài)下腐蝕狀態(tài)相近，依據(jù)文獻(xiàn)[7-11]設(shè)計0Cr16Ni系列合金鋼材料仿真加速腐蝕試驗(yàn)方案，該方案中的環(huán)境介質(zhì)及其作用強(qiáng)度、作用規(guī)律如圖1所示，其中介質(zhì)環(huán)境為5 %（質(zhì)量百分比）NaCl水溶液摻入稀H2SO4、使其PH=4±0.2的弱酸性溶液，一個試驗(yàn)周期內(nèi)溶液內(nèi)浸泡與溶液外烘烤的交變次數(shù)為335次，其中每次溶液內(nèi)浸泡4.35 min，溶液外烘烤14.63 min，方案中合計試驗(yàn)時間為105.96 h的腐蝕作用，相當(dāng)于0Cr16Ni系列合金鋼材料在服役環(huán)境下1個當(dāng)量日歷年限時間的腐蝕強(qiáng)度。

圖1 0Cr16Ni系列合金鋼加速腐蝕試驗(yàn)方案

依據(jù)試驗(yàn)方案，共開展9個當(dāng)量日歷年限的仿真加速腐蝕試驗(yàn)，每周期試件數(shù)量為5件，采用KH-7700科視達(dá)三維顯微鏡對各個周期、各個試件表面進(jìn)行腐蝕損傷觀測，部分試件表面腐蝕形貌如圖2中所示?？傮w而言，第5個當(dāng)量日歷年限下試件表面開始出現(xiàn)明顯腐蝕損傷，主要表現(xiàn)為變色、斑點(diǎn)，后逐漸加重。至第9當(dāng)量日歷年限，試件表面腐蝕區(qū)域較多，形成區(qū)域化斑點(diǎn)損傷。

圖2 典型當(dāng)量日歷年限下試件表面形貌

2 預(yù)腐蝕后高溫低周疲勞試驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

參照GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞試驗(yàn)方法》，依托MTS 370.1電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，采用軸向等幅加載的方式開展低周疲勞試驗(yàn)。具體而言，首先在300 ℃、應(yīng)力比R=0.05、頻率f=3 Hz條件下，使0當(dāng)量日歷年限（未腐蝕）試樣的最低循環(huán)周次不低于50000次，摸索出試驗(yàn)最大應(yīng)力，確定最大應(yīng)力后在相同試驗(yàn)條件下對預(yù)腐蝕分別為4、7、9當(dāng)量日歷年限的試件進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，獲得不同預(yù)腐蝕當(dāng)量日歷年限下材料的疲勞壽命。部分預(yù)腐蝕試件疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

考慮到后續(xù)數(shù)據(jù)分析的合理性，需要對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異對比分析。具體采用兩種方法，即在置信度95 %下，使用萊文檢驗(yàn)，T4與T0、T7與T0、T9與T0組間，三組數(shù)據(jù)顯著性均大于0.05，方差齊性；同時T4與T0、T7與T0、T9與T0組間，使用T檢驗(yàn)，T0與T4無顯著性差異，T0與T7，T0與T9顯著性小于0.05顯著性差異，認(rèn)為不同當(dāng)量日歷年限下的試件疲勞壽命的均值顯著性差異，具體結(jié)果見表2所示，對數(shù)壽命統(tǒng)計均值見表3所示。

表3 疲勞壽命數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 合金鋼材料服役環(huán)境下疲勞壽命分析

3.1 腐蝕影響系數(shù)

從上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及表2中可知，可以認(rèn)為預(yù)腐蝕不同時間，對0Cr16Ni系列合金鋼材料的疲勞壽命產(chǎn)生了影響，預(yù)腐蝕時間越長，影響越明顯。由此，結(jié)合文獻(xiàn)[11-14]中方法，采用腐蝕影響系數(shù)表征環(huán)境腐蝕對材料疲勞壽命的影響。

表2 顯著性檢驗(yàn)

腐蝕影響系數(shù)的定義參考文獻(xiàn)[4-6]中所述，具體為：

式中：

（Ni）50—預(yù)腐蝕第i周期試件的中值疲勞壽命，單位為循環(huán)次數(shù)；

（N0）50— i在本試驗(yàn)中的單位為當(dāng)量日歷年限，未腐蝕條件下試件的中值疲勞壽命；

Ci—第i年的腐蝕影響系數(shù)。

（Ni）50與（N0）50按照下式進(jìn)行計算：

式中：

li和l0—預(yù)腐蝕第i當(dāng)量日歷年限和未腐蝕年限試件的個數(shù)；

Nij和N0j—預(yù)腐蝕第i當(dāng)量日歷年限和未腐蝕的第j個試件的疲勞壽命值。

基于上述推導(dǎo)與分析，則可計算不同預(yù)腐蝕周期Ti（當(dāng)量日歷年限）下的腐蝕影響系數(shù)Ci，且可知該系數(shù)與腐蝕周期Ti相關(guān)，即可以建立C-T曲線，該曲線表達(dá)了試件疲勞壽命隨預(yù)腐蝕周期的變化規(guī)律。

3.2 基于腐蝕影響系數(shù)的疲勞壽命分析

文獻(xiàn)[4-6]中C-T曲線表達(dá)式通常采用C=1-βTα和C=exp（βTα）兩種形式。則根據(jù)T0、T4、T7疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)和表達(dá)式（1）～（3），計算得到不同預(yù)腐蝕當(dāng)量年限下的腐蝕影響系數(shù)Ci和C-T曲線擬合曲線，具體結(jié)果見表4所示，計算過程不再詳述。

采用表4中獲得的腐蝕影響系數(shù)和擬合曲線，分別計算和預(yù)測T9、T15當(dāng)量日歷年限下0Cr16Ni系列合金鋼材料低周疲勞壽命，具體結(jié)果見表5所示。

表4 腐蝕影響系數(shù)計算結(jié)果

表5 基于腐蝕影響系數(shù)的疲勞壽命分析結(jié)果

4 討論

上述計算結(jié)果可見，對于預(yù)腐蝕9個當(dāng)量日歷年限的試件而言，采用C=1-βTα和C=exp（βTα）兩種形式腐蝕影響系數(shù)計算疲勞壽命的結(jié)果精度都比較理想，都在3 %以內(nèi)。對比而言，C=exp（βTα）形式的腐蝕影響系數(shù)計算結(jié)果精度相對較高，由該形式預(yù)測得到的15個當(dāng)量日歷年限下的合金鋼對數(shù)低周疲勞壽命為3.9494，該壽命值與未腐蝕試件壽命值相比，降低了約19.7 %，即20 %左右。

從上述低周疲勞壽命計算與預(yù)測的分析結(jié)果可見，表象為0Cr16Ni系列合金鋼材料疲勞壽命與預(yù)腐蝕當(dāng)量日歷年限相關(guān)，而預(yù)腐蝕當(dāng)量日歷年限決定著試件的腐蝕損傷狀態(tài)，如前腐蝕試驗(yàn)所述，因此合金鋼材料試件疲勞壽命演變本質(zhì)是與腐蝕損傷狀態(tài)相關(guān)，眾多文獻(xiàn)[11-15]研究表明，在表征腐蝕損傷狀態(tài)的多個參量（腐蝕損傷表面長度/寬度/損傷深度以及點(diǎn)蝕率等）中，腐蝕損傷的深度參量對疲勞壽命的影響十分顯著，究其物理本質(zhì)為，腐蝕損傷處的應(yīng)力集中現(xiàn)象與其深度相關(guān)，通常隨著腐蝕損傷深度的不斷加深，在損傷處的應(yīng)力集中現(xiàn)象就會越嚴(yán)重，從而更容易引發(fā)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，降低材料的疲勞壽命。而金屬材料腐蝕損傷深度參量在其腐蝕初期與中期，通常與腐蝕周期呈正相關(guān)關(guān)系，因而，本試驗(yàn)中0Cr16Ni系列合金鋼材料疲勞壽命隨其預(yù)腐蝕當(dāng)量日歷年限的延長呈逐年降低變化。

5 結(jié)論

本文依次開展了0Cr16Ni系列合金鋼材料試件模擬服役環(huán)境的9個當(dāng)量日歷年限仿真加速腐蝕試驗(yàn)和部分預(yù)腐蝕年限后的低周疲勞試驗(yàn)，采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)并基于腐蝕影響系數(shù)方法，探究了該合金鋼材料在服役環(huán)境條件下的低周疲勞性能演變規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：

1）材料試件在加速腐蝕試驗(yàn)環(huán)境下，于第5個當(dāng)量日歷年限下試件表面開始出現(xiàn)輕微變色、斑點(diǎn)腐蝕損傷征狀，后逐漸加重，至第9當(dāng)量日歷年限試件表面普遍形成區(qū)域化斑點(diǎn)損傷狀態(tài)。

2）采用萊文方差等同性檢驗(yàn)和平均值等同性T檢驗(yàn)方法，對不同預(yù)腐蝕當(dāng)量日歷年限試件的低周疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值顯著性差異對比分析，各個年限下均值顯著性差異。

3）基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立的腐蝕影響系數(shù)C-T曲線，表達(dá)式分別為：C=1-0.00548T1.33、C=exp（-0.0053T1.37）。

4）低周疲勞壽命分析方面，兩種形式的腐蝕影響系數(shù)計算疲勞壽命的結(jié)果相對誤差都在3 %以內(nèi)，C=exp（-0.0053T1.37）形式的腐蝕影響系數(shù)計算結(jié)果精度相對較高，由該形式預(yù)測得到的15個當(dāng)量日歷年限下的合金鋼對數(shù)低周疲勞壽命值與未腐蝕試件壽命值相比，降低了約19.7 %，即20 %左右。