胡家林，柳文林，郁大照，卞貴學

（海軍航空大學，山東 煙臺 264001）

蝕坑是飛機鋁合金結(jié)構(gòu)在服役過程中經(jīng)常發(fā)生的腐蝕破壞形態(tài)，蝕坑的存在導致應(yīng)力集中，加速了裂紋的萌生和擴展，對飛行安全構(gòu)成嚴重威脅。由大量的試驗觀測可知，經(jīng)受預腐蝕損傷的試驗件在進行疲勞加載的時候，裂紋是從某個蝕坑處形成并擴展的。因此，許多學者對蝕坑與裂紋的等效性進行了研究，并將主導蝕坑等效成初始裂紋，用于預腐蝕結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預測。但是，隨著腐蝕時間的延長、腐蝕損傷的加劇，該預測方法是否依然有效，這方面的研究相對較少。

本文首先對LY12CZ鋁合金試驗件進行預腐蝕試驗，獲得了不同損傷程度的點蝕試件，觀測得到了蝕坑深度、分布密度等參數(shù)的變化。隨后利用ANSYS軟件對主導蝕坑處的應(yīng)力變化情況進行研究，在此基礎(chǔ)上，對將主導蝕坑作為唯一疲勞源的疲勞壽命計算方法進行適用性分析。最后，通過對比預腐蝕試驗件疲勞壽命的計算值與試驗值，驗證前述適用性分析所得結(jié)論。

1 點蝕試驗

1.1 試驗件

試驗件材料為航空LY12CZ鋁合金，試驗件表面形貌及幾何尺寸如圖1、圖2所示。為了防止在腐蝕試驗中非試驗區(qū)域被腐蝕而影響測量結(jié)果，腐蝕試驗前要對非試驗區(qū)（試驗件背面以及試驗件夾持端）進行涂硅膠保護，待防腐蝕膠完全固化后，再進行腐蝕試驗。

圖1 試驗件表面Fig.1 surface of specimen

圖2 試驗件尺寸Fig.2 Geometry of specimen

1.2 試驗方案

考慮到飛機尤其是海洋環(huán)境下飛機服役實際情況的復雜性，參考文獻[18]中加速試驗環(huán)境譜編制需要遵循的3個原則。為模擬鹽霧和酸性氣體的作用，預腐蝕試驗采取如下的環(huán)境譜：采用酸性NaCl溶液浸泡，具體配比為5%（質(zhì)量分數(shù)）的NaCl溶液中加入5%（質(zhì)量分數(shù)）的稀硫酸，使其pH=4±0.2，溶液溫度為室溫。在試驗過程中，每隔5 d利用KH-7700光學顯微鏡對試件進行1次拍照，整個試驗周期為40 d，此時試驗件尚處于點蝕階段。腐蝕試驗過程中，則每間隔48 h更換溶液1次，以保持pH值的變化在可接受范圍內(nèi)。此外，為了避免環(huán)境不均勻?qū)υ囼灱挠绊懀鱾€試驗件之間以不相互接觸為宜，且每24 h隨機交換1次試驗件位置。

1.3 試驗結(jié)果

通過上述腐蝕試驗，獲得了不同腐蝕時間LY12CZ試件的腐蝕表面照片和腐蝕形貌三維照片，如圖3所示。其中，腐蝕表面照片和三維形貌照片均通過KH-7700光學顯微鏡拍攝得到。

從圖3中可以看出，在腐蝕試驗初期，試驗件表面腐蝕坑的所占面積較小，且分布稀疏。隨著腐蝕時間的延長，腐蝕坑所占面積明顯加大，部分相鄰蝕坑之間發(fā)生了相互交錯結(jié)合的情況。

圖3 腐蝕損傷不同時間后的顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Microscope photographs of corrosion damages after different time

利用KH-7700光學顯微鏡及其自帶軟件對點蝕坑深度進行了測量（測量依據(jù)GB/T 18590—2001中的點蝕坑深度變焦顯微測量法）。具體做法是，將狗骨狀試驗件的中間部分（腐蝕區(qū)域）進行分區(qū)，每個區(qū)域的大小與顯微鏡1次拍照時所能覆蓋的范圍相等，如圖4所示。

圖4 尋找蝕坑示意圖Fig.4 Schematic diagram of searching pitting

2 主導蝕坑應(yīng)力分布分析

文獻[12]的研究表明，鋁合金腐蝕試件的疲勞源通常為單一蝕坑。因此，本文暫不考慮點蝕條件下多個蝕坑同時誘發(fā)裂紋產(chǎn)生，最終導致試件破壞的情況，而是假設(shè)疲勞源只有1個，且位于主導蝕坑的底部。隨著腐蝕程度的加深，試件上的點蝕坑數(shù)量不斷增多，密度也在增大，在可能引起試件疲勞破壞的主導蝕坑附近區(qū)域的其他點蝕坑在數(shù)量和尺寸上也呈上升趨勢。這些蝕坑會對主導蝕坑處試件的應(yīng)力狀況產(chǎn)生影響，使得多蝕坑試件的疲勞壽命急劇下降。

2.1 計算模型與方法

試件材料為LY12CZ鋁合金，材料的彈性模量為7.6 MPa，泊松比為0.32，尺寸與1.1小節(jié)試驗件相同。采用三維20節(jié)點六面體等參單元，應(yīng)用ANSYS軟件進行三維有限元分析，有限元網(wǎng)格劃分情況見圖5。

圖5 有限元模型及局部細化網(wǎng)格Fig.5 Finite element model and local detailed mesh

根據(jù)計算結(jié)果可知，當光滑試件沿長度方向受載時，中間部位（即腐蝕區(qū)域）的應(yīng)力分布均勻。因此，在研究試件腐蝕區(qū)域的蝕坑應(yīng)力集中情況時，可先不考慮試件其他部位，僅將試件中間部位等效為一個受拉伸載荷作用的平板（40 mm×30 mm×2.5 mm）加以分析。此時，本節(jié)研究的問題簡化為，當三維平板表面的主導蝕坑一定時，其周邊的蝕坑尺寸、位置的變化對主導蝕坑底部應(yīng)力分布是否產(chǎn)生顯著影響。研究思路如下：首先計算只存在主導蝕坑時，蝕坑處的應(yīng)力情況，再在主導蝕坑附近區(qū)域加入其他蝕坑，同時不斷調(diào)整后加蝕坑與主導蝕坑之間的距離，以觀察不同情況下主導蝕坑處的應(yīng)力變化情況。在實際觀察中，蝕坑間的相互位置是隨機的，為了便于研究，僅考慮了主導蝕坑與后加蝕坑垂直和沿載荷方向排列2種情況。同時，根據(jù)真實蝕坑形貌特點，在建模時將蝕坑簡化為半球形。

2.2 計算結(jié)果

根據(jù)試驗觀測結(jié)果，按照不同腐蝕階段的典型蝕坑尺寸，在建模時主導蝕坑半徑分別取0.025、0.05 mm，與之相對應(yīng)的距主導蝕坑最近的蝕坑半徑尺寸分別取0.025、0.02 mm和0.05、0.03 mm。在建模時，采用三維20節(jié)點六面體等參單元，彈性模量和泊松比不變。單蝕坑和雙蝕坑時有限元網(wǎng)格劃分情況見圖6。

圖6 有限元模型及局部細化網(wǎng)格Fig.6 Finite element model and local detailed mesh:a) single pit; b) double pit

在計算中發(fā)現(xiàn)，最大正應(yīng)力點并不總是處在半球形蝕孔的底部，當2個蝕坑中心位置之間的距離較小時，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在蝕坑的相切位置上。不同條件下蝕坑處的第一主應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 應(yīng)力分布Fig.7 Stress distribution: a) pits plumb the load;b) pits along the load

應(yīng)力集中系數(shù)定義為：

式中：=1 000 Pa；S為不同條件下主導蝕坑處的最大正應(yīng)力。

應(yīng)力集中系數(shù)的計算結(jié)果如圖8、9所示。通過分析圖8、9可以得到如下結(jié)論：當2個蝕坑排列方向與加載方向相同時，相對于單蝕坑的情況，主導蝕坑處的應(yīng)力集中能夠得到緩和。隨著/（取與主導蝕坑相近蝕坑的半徑）的增加，這種緩和作用趨于消失。當2個蝕坑排列方向與加載方向垂直時，相對于單蝕坑的情況，主導蝕坑處的應(yīng)力會增加，尤其當/接近2時（因為不考慮蝕坑相互融合的情況，故所研究的/均大于2），應(yīng)力集中系數(shù)明顯增加。隨著/的增加，這種加強作用趨于緩和，當/的值處在4左右時，應(yīng)力集中系數(shù)基本恢復到單蝕坑時的大小。

圖8 蝕坑排列方向與加載方向相同時的應(yīng)力集中系數(shù)Fig.8 SIF distribution when pits along the load

圖9 蝕坑排列方向與加載方向垂直時的應(yīng)力集中系數(shù)Fig.9 SIF distribution when pits plumb the load

綜上所述，當腐蝕情況較輕，蝕坑密度較低，/大于4時，方可忽略其他蝕坑對主導蝕坑應(yīng)力分布的影響。結(jié)合圖3拍攝得到的腐蝕表面照片，在本文設(shè)置的試驗條件下，認為當腐蝕時間小于20 d，/大于4時，可以將主導蝕坑等效為裂紋，并作為唯一疲勞源用于預腐蝕試件的疲勞壽命預測。

3 算例分析

為驗證第2節(jié)所得結(jié)論，將主導裂紋作為唯一疲勞源，對文獻[23]中LY12CZ預腐蝕試驗件的疲勞壽命進行計算，計算所用方法與文獻[24]中相同。文獻[23]中腐蝕試驗后的試件蝕坑尺寸見表1。

表1 腐蝕坑測量結(jié)果Tab.1 Measured value of pit size

疲勞壽命計算值及試驗值見表2。從表2可以看出，點蝕模型計算得到的疲勞壽命與腐蝕20 d時（/>4）的試驗結(jié)果相比，最大誤差為15.01%，平均相對誤差僅為3.74%；與腐蝕30 d時（/<4）的試驗結(jié)果相比，最大誤差為41.83%，平均相對誤差為19.94%?？梢?，隨著腐蝕時間的延長，點蝕模型對試件疲勞壽命的估算誤差呈增大趨勢。本文用于比對疲勞壽命計算方法的試驗件共計10組，當進一步增加比對數(shù)量時，所用疲勞壽命預測方法是否還能保持較高的精度，需要進一步研究。

表2 疲勞壽命計算值與試驗值Tab.2 The calculated results of fatigue life for pre-corroded specimen

4 結(jié)論

本文通過點蝕試驗，獲得了實驗室條件下不同腐蝕階段的試驗件點蝕狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，對將主導蝕坑作為唯一疲勞源的疲勞壽命計算方法進行了適用性分析，得到如下結(jié)論：

隨著腐蝕時間的延長，原本稀疏、彼此孤立的腐蝕坑逐漸變得稠密，部分相鄰蝕坑之間發(fā)生了相互交錯結(jié)合的情況。用/來表征主導蝕坑與鄰近蝕坑之間的距離。當腐蝕情況較輕，即/>4時，可以忽略其他蝕坑對主導蝕坑應(yīng)力分布的影響，此時將主導蝕坑作為唯一疲勞源進行壽命計算是合理的。當腐蝕情況較重，即/<4時，主導蝕坑處的應(yīng)力分布受到其他蝕坑的影響，此時將主導蝕坑作為唯一疲勞源進行壽命計算時將出現(xiàn)較大誤差。

作為初步研究，本文進行了一系列簡化。如何考慮蝕坑數(shù)量增加、蝕坑相互間位置變化后試件主導蝕坑處的受力情況，是后續(xù)進一步研究的重點。