魏雨晨,李旭東,劉治國,穆志韜
(海軍航空大學(xué)青島校區(qū),青島 266041)
鋁合金材料由于其低密度、高強度、成本低等優(yōu)點,被廣泛地應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)材料當(dāng)中。但是高溫、高濕、高鹽霧的氣候環(huán)境會使在沿海地區(qū)服役的飛機結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生腐蝕損傷,在循環(huán)載荷的作用下,這些腐蝕損傷部位會加速疲勞裂紋的萌生和擴展,縮短飛機結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[1-4]。因此研究腐蝕損傷條件下鋁合金材料疲勞壽命的退化規(guī)律對于保持飛機結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性具有十分重要的意義。
許多學(xué)者[5-8]研究腐蝕疲勞問題,往往從斷裂力學(xué)的角度出發(fā),通過研究腐蝕損傷條件下材料疲勞裂紋擴展的規(guī)律,來預(yù)測其疲勞壽命。這種方法雖然被廣泛使用,但依然存在許多問題,如:未考慮裂紋萌生壽命,短裂紋擴展存在奇異性等等。為彌補這些不足,本文從材料損傷演化的角度出發(fā),將腐蝕損傷、疲勞裂紋萌生和擴展視為損傷演化過程,建立損傷模型對6A02鋁合金預(yù)腐蝕疲勞壽命進行預(yù)測。
對于無損傷條件下的各向同性鋁合金材料而言,其本構(gòu)關(guān)系為:
式中:
σij、εij—分別為應(yīng)力、應(yīng)變分量;
λ與μ為拉梅常數(shù),其表達式為:
式中:
E—無損傷條件下材料的彈性模量;
v—泊松比。
鋁合金材料在疲勞載荷的作用下,其材料性能的退化可由其剛度的下降來進行描述,在此處引入損傷度D來描述材料剛度的下降:
式中:
E—無損傷條件下材料的彈性模量;
Ed—有損傷材料的彈性模量。
由于0≤Ed≤E,所以0≤D≤1。
由(1)~(3)式可得到有損傷鋁合金材料的本構(gòu)關(guān)系為:
當(dāng)材料受到單軸疲勞載荷作用時,其本構(gòu)關(guān)系可簡化為:
此時,材料的損傷驅(qū)動力Y可表示為:
式中:
W—材料的應(yīng)變能密度。
其表達式如下: 聯(lián)立(5)~(7)式可得:
根據(jù)熱力學(xué)定律,不同條件下材料的損傷演化方程可表示為:
式中:
a、b—材料常量;
Ymax和Yth—最大損傷驅(qū)動力和臨界損傷驅(qū)動力;
N—載荷循環(huán)次數(shù)。
由式(8)可知:
式中:
σmax—循環(huán)載荷下的最大應(yīng)力;
σth—材料的應(yīng)力門檻值,在腐蝕損傷條件下,假設(shè)材料應(yīng)力門檻值的退化規(guī)律為:
式中:
σth0—材料在無腐蝕損傷條件下的應(yīng)力門檻值;
Dc—腐蝕損傷;
d—材料常數(shù)。
聯(lián)立(9)~(11)式可得到材料的損傷演化方程為:
式中:
對式(12)分離變量并積分可得:
式中:
NF—材料在不同預(yù)腐蝕程度下的疲勞壽命,式中還有許多未知參數(shù),這些參數(shù)需要利用試驗來進行確定。
表2 6A02鋁合金主要力學(xué)性能指標
2.1.1 試驗材料
試驗采用某型直升機動部件常用的6A02鋁合金材料,其主要成分含量及力學(xué)性能指標如表1、2所示,試驗件的尺寸形狀如圖1所示。
表1 6A02鋁合金成分(%)
圖1 試驗件尺寸形狀(單位:mm,厚度為7 mm)
2.1.2 腐蝕等級制備試驗
腐蝕等級制備試驗以我國沿海某機場環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計、折算等方法編制地面停放環(huán)境譜,再根據(jù)機場自然環(huán)境與實驗室人工環(huán)境的腐蝕損傷當(dāng)量折算關(guān)系,編制當(dāng)量加速腐蝕環(huán)境譜[9,10],如圖2所示,其中浸泡4.8 min,烘烤12 min,實驗室加速腐蝕255個循環(huán)等效于在外場環(huán)境服役一年所遭受的腐蝕損傷。
圖2 鋁合金加速腐蝕試驗環(huán)境譜
試驗設(shè)備為ZJF-09G周期浸潤環(huán)境試驗箱,如圖3所示,其適用于各種金屬材料在模擬大氣腐蝕環(huán)境條件下的腐蝕試驗。加速腐蝕試驗的過程當(dāng)中,試驗件水平擺放在擱架上,且相互之間保持一定距離。試驗件放置如圖4所示。腐蝕溶液配制按照5份NaCl和95份蒸餾水的比例配制5 %的NaCl溶液,加入適量的H2SO4進行滴定,直到溶液的PH值為4.0±0.2,每隔24 h,測定溶液PH值,若PH值不符合要求,則加入NaOH或H2SO4進行調(diào)整。
圖3 ZJF-09G周期浸潤試驗箱
圖4 試驗件擺放圖
參考文獻[11,12]的方法,對加速腐蝕后的試驗件進行腐蝕等級評定。在腐蝕試驗進行的過程當(dāng)中,當(dāng)加速腐蝕到一定的日歷時間,試驗件表面形貌與某一腐蝕等級標準試驗件相似時,隨機選取3件試驗件,經(jīng)過清洗烘干后,利用KH-7700顯微鏡對試件表面進行拍照,并進行腐蝕等級評定,若達到規(guī)定的腐蝕等級,取出相應(yīng)數(shù)量的試驗件,若未達到,則試驗繼續(xù)。圖5為制備完畢的腐蝕等級為2、4、6級試驗件的局部腐蝕形貌。
圖5 制備完畢的腐蝕等級試驗件局部腐蝕形貌
按照《金屬軸向疲勞試驗方法》(GB 3075-82)中所規(guī)定的標準試驗方法,對已經(jīng)制備完畢的不同腐蝕等級(0、2、4、6級)下的試驗件進行疲勞壽命試驗。試驗設(shè)備為QBG-100型疲勞試驗機,如圖6所示,該設(shè)備被廣泛應(yīng)用于測試材料的斷裂性能和應(yīng)力壽命曲線等。試驗應(yīng)力比R=0.1,加載頻率f=100~125 Hz,波形為正弦,試驗環(huán)境為大氣室溫。試驗時先進行3組短壽命區(qū)的成組試驗,再做長壽命區(qū)升降法試驗,通過疲勞試驗可得到不同腐蝕等級(0、2、4、6級)下試件的S-N曲線。
圖6 QBG-100型疲勞試驗機
在第一部分推導(dǎo)的材料預(yù)腐蝕疲勞損傷模型中存在許多未知參數(shù),這些參數(shù)可以利用不同腐蝕等級下試件的S-N曲線擬合確定,參數(shù)的確定過程如下:
當(dāng)試件未腐蝕時,Dc=0此時式(14)變?yōu)椋?/p>
利用未腐蝕試件的疲勞試驗數(shù)據(jù),擬合其S-N曲線,如圖7所示,其表達式為:
圖7 未腐蝕試件的S-N曲線
將式(15)與(16)進行對比可得:σth0= 56.97,b= 3.33,c=2.4616×10-14。
由于不同的腐蝕等級僅僅是改變了材料的預(yù)腐蝕程度,即:Dc發(fā)生了變化,而對于損傷模型中的其他材料常數(shù)并不會產(chǎn)生影響,因此通過擬合腐蝕等級為2、6級試件的S-N曲線,求解損傷模型中的其他材料常數(shù),并利用腐蝕等級為4級試件的疲勞試驗數(shù)據(jù)對模型的有效性進行驗證。
通過擬合腐蝕等級為2、6級試件的S-N曲線得到類似式(14)的方程,聯(lián)立求解可得:d=3.8906,Dc|2級=0.0876,Dc|6級=0.1364,由此可以得到不同腐蝕等級試件的S-N曲線的表達式為:
腐蝕損傷Dc隨腐蝕等級F的關(guān)系如圖8所示。
由圖8可知,腐蝕前期,腐蝕損傷隨腐蝕等級的增長速率較快;腐蝕后期,腐蝕損傷隨腐蝕等級的增長速率逐漸放緩,趨于穩(wěn)定。腐蝕損傷Dc隨腐蝕等級F的變化關(guān)系式為:
圖8 腐蝕損傷Dc隨腐蝕等級F的變化曲線
通過式(18)可以計算得到不同腐蝕等級下的Dc,將其代入式(17),即可計算得到不同腐蝕等級下不同應(yīng)力水平試件的疲勞壽命。
當(dāng)試件的腐蝕等級為4級時,Dc|4級=0.1212時,其疲勞壽命的預(yù)測值與實際值的對比結(jié)果如表3所示,可以看出模型預(yù)測值比試驗平均值要小,且相對誤差不超過15 %,證明所建立的損傷模型能夠很好的預(yù)測試件的疲勞壽命。
表3 腐蝕等級為4級時試件疲勞壽命預(yù)測值與試驗值對比
1)運用損傷力學(xué)原理構(gòu)建了計算預(yù)腐蝕條件下鋁合金疲勞壽命的損傷模型,通過腐蝕等級制備實驗制備了不同腐蝕等級的6A02鋁合金試件,并測定了其應(yīng)力-壽命曲線,利用所得的試驗數(shù)據(jù)計算了模型中的待定參數(shù)。
2)利用建立的損傷模型計算了腐蝕等級為4級的試件的疲勞壽命,并將其與試驗平均值進行比較。結(jié)果證明,所建立的損傷模型的預(yù)測精度在工程范圍內(nèi)可以接受,對該型鋁合金材料的壽命估算具有一定的工程價值。