李萬(wàn)，張紅飛，韓亮，趙連紅，梅曉峰，李世龍

（1.海裝駐武漢地區(qū)第五軍事代表室，武漢 440205；2.中國(guó)特種飛行器研究所 結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與控制航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，荊門 448035；3.北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083）

引言

鋁合金的比強(qiáng)度和比剛度高、塑性好、易于成形，是目前飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料，其中2000系列高強(qiáng)度鋁合金與7000系列超高強(qiáng)度鋁合金因其優(yōu)良的高強(qiáng)度和高抗疲勞性能[1,2]，被用作F22飛機(jī)機(jī)體內(nèi)部的框架、加強(qiáng)肋、腹板、接頭件及部分蒙皮，其用量占前機(jī)身的50 %、中機(jī)身的35 %、后機(jī)身的22 %、中央翼的23 %。隨著飛機(jī)在沿海地區(qū)和海域的服役機(jī)會(huì)逐漸增多，嚴(yán)酷海洋環(huán)境引起鋁合金材料產(chǎn)生腐蝕，在腐蝕環(huán)境和載荷的共同作用下，極易發(fā)生疲勞開裂等現(xiàn)象，降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此腐蝕環(huán)境對(duì)鋁合金力學(xué)性能——特別是裂紋擴(kuò)展性能的影響引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。劉銘、宮玉輝等[3,4]對(duì)7475鋁合金在不同腐蝕環(huán)境下的疲勞性能與裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了研究。Wang[5]研究了應(yīng)力比、載荷頻率對(duì)LY12CZ鋁合金CT試樣裂紋擴(kuò)展速率的影響。張波等[6]研究了頻率對(duì)LY12CZ鋁合金在3.5 % NaCl溶液中腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的影響。本文選取7140-T7451典型鋁合金材料，通過開展實(shí)驗(yàn)室空氣與室溫、潮濕空氣、3.5 % NaCl、油箱積存水4種環(huán)境下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，得到不同環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展速率影響系數(shù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試樣材料為7140-T7451厚板，熱處理狀態(tài)為固溶熱處理，其化學(xué)成分如表1所示。試樣形式采用標(biāo)準(zhǔn)中心-拉伸M（T）疲勞裂紋擴(kuò)展速率試樣，長(zhǎng)度350 mm，寬度100 mm，厚度1.6 mm，中心線切割缺口長(zhǎng)度12 mm，材料取向?yàn)長(zhǎng)-T，如圖1所示。

圖1 中心裂紋拉伸M（T）試樣

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

1.2 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備

疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)方法參考GB/T 6398-2017《金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法》進(jìn)行。

試驗(yàn)設(shè)備為INSTRON 8801-100 kN疲勞試驗(yàn)機(jī)，腐蝕環(huán)境盒由透明有機(jī)玻璃制成，套在試件工作段，用高分子膠密封；環(huán)境盒內(nèi)部空間足夠大，確保含水介質(zhì)體積與試樣被浸表面比值大于20 ml/cm2；環(huán)境盒上有液體入口和出口，外接循環(huán)裝置。

裂紋長(zhǎng)度通過表面直讀系統(tǒng)觀測(cè)，系統(tǒng)由電移臺(tái)控制器、OISC0033步進(jìn)電機(jī)控制器、顯微觀測(cè)裝置（數(shù)字化照相系統(tǒng)）、環(huán)形燈四部分組成，裂紋長(zhǎng)度判讀精度：0.005 mm。

1.3 裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境分別為：

1）室溫大氣環(huán)境

溫度為（25±4）℃，相對(duì)濕度RH=（20～70）%。

2）潮濕空氣環(huán)境

溫度為（25±4）℃，相對(duì)濕度RH≥90 %。

3）3.5 % NaCl溶液環(huán)境

3.5 % NaCl溶液，它的配置按質(zhì)量計(jì)算在96.5份蒸餾水溶解3.5（±0.5）份鹽。

4）油箱積存水環(huán)境

根據(jù)《飛機(jī)結(jié)構(gòu)金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)》中油箱積存水配置，如表2所示。

表2 油箱積存水成份

裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)采用恒幅加載方式，波形為正弦波，試驗(yàn)頻率為5 Hz，應(yīng)力比為0.06，根據(jù)GB/T 6398-2017《金屬材料疲勞試驗(yàn)疲勞裂紋擴(kuò)展方法》，試驗(yàn)過程中，通過表面直讀系統(tǒng)對(duì)裂紋長(zhǎng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每3 000次循環(huán)間隔記錄裂紋擴(kuò)展（a，N）數(shù)據(jù)，并觀察裂紋擴(kuò)展路徑。

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 裂紋擴(kuò)展公式

迄今為止，工程上比較實(shí)用的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率表達(dá)式尚缺少[7-11]。為了方便工程應(yīng)用，通常采用的標(biāo)準(zhǔn)裂紋擴(kuò)展公式如下：

式中：

R—應(yīng)力比；

Kmax—試驗(yàn)交變應(yīng)力峰值對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子；

△K—應(yīng)力強(qiáng)度因子變程，△K=Kmax（1-R）；

MT—材料的裂紋擴(kuò)展許用值，以各種環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展許用值和該環(huán)境百分比系數(shù)加權(quán)給出；其中單一環(huán)境下的材料裂紋擴(kuò)展許用值用MT表示。

式中：

MB—標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下材料的裂紋擴(kuò)展額定值；

me—計(jì)及非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的修正系數(shù)。

2.2 公式的等價(jià)變換

1） 室溫大氣環(huán)境下裂紋擴(kuò)展速率公式

室溫大氣環(huán)境下載荷頻率和應(yīng)力比給定，且me=mf=mr=1，則式（1）為Paris公式：

其中，Paris公式的斜率參數(shù)n0=p，

2）腐蝕環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率公式

腐蝕環(huán)境下載荷頻率和應(yīng)力比給定，則me、mf和mr為確定值，則式（1）同樣等價(jià)于常用的Paris公式形式：

其中，Paris公式的斜率參數(shù)nT=p，

2.3 室溫大氣環(huán)境下裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)確定

取穩(wěn)定裂紋擴(kuò)展段的裂紋擴(kuò)展公式為Paris公式，將Paris公式兩邊取對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)化為：

由試驗(yàn)測(cè)得的（ΔK，da/dN）數(shù)據(jù)按線性回歸方法確定參數(shù)n和C，估計(jì)方法如下：

2.4 環(huán)境影響因子確定

1）以R=0.06、f=5 Hz下的數(shù)據(jù)進(jìn)行環(huán)境因子估計(jì)、以室溫大氣環(huán)境下的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)；

2） 由室溫大氣環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展數(shù)據(jù)，按Paris公式估計(jì)特定頻率F0和應(yīng)力比0對(duì)應(yīng)的裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)nB及CB；

3）按室溫大氣環(huán)境下的估計(jì)腐蝕環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)CT；

3 結(jié)果與分析

3.1 7140-T7451試樣在不同環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并利用Paris公式進(jìn)行擬合，擬合曲線參數(shù)估計(jì)表如表3，在不同環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率曲線如圖2。為了直觀對(duì)比環(huán)境對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的影響，將擬合得到的在不同環(huán)境下得到的裂紋擴(kuò)展速率曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示。

圖2 7140-T7451試樣在不同環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率

圖3 不同環(huán)境對(duì)7140-T7451試樣裂紋擴(kuò)展速率影響

表3 7140-T7451試樣da/dN-△K曲線參數(shù)估計(jì)表

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及擬合的曲線可知：

1）潮濕空氣中的裂紋擴(kuò)展速率曲線整體位于室溫大氣上方，說明該材料在潮濕空氣中的裂紋擴(kuò)展速率大于室溫大氣中的裂紋擴(kuò)展速率，其原因是在潮濕空氣的高濕度環(huán)境下，水蒸氣與含氧量較高，在裂紋尖端發(fā)生反應(yīng)，生成氫原子吸附在裂紋尖端，通過擴(kuò)散作用進(jìn)入裂尖塑性區(qū)，在循環(huán)載荷的作用下引發(fā)氫脆反應(yīng)，加速裂紋擴(kuò)展。

圖4 裂紋擴(kuò)展參數(shù)估計(jì)曲線圖

2）3.5 % NaCl溶液環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展速率曲線整體位于室溫大氣上方，大部分位于潮濕空氣上方，說明該材料在3.5 % NaCl溶液中的裂紋擴(kuò)展速率大于室溫大氣和潮濕空氣中的裂紋擴(kuò)展速率，由于NaCl溶液中Cl-的存在，加速了對(duì)鈍化膜破壞，并且加劇了試樣的應(yīng)力集中效應(yīng)，提高了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而裂紋擴(kuò)展速率增加。

3）油箱積存水中的裂紋擴(kuò)展速率曲線整體位于室溫大氣和潮濕空氣上方，說明油箱積存水中的裂紋擴(kuò)展速率明顯大于室溫大氣和潮濕空氣中的。與3.5 % NaCl溶液環(huán)境中的相比，前半部分速率要大于3.5 % NaCl溶液中的，后半部分則小于3.5 % NaCl溶液中的。從表2油箱積存水的成分可以看出，該溶液與NaCl溶液類似，存在大量的Cl-，因此油箱積存水環(huán)境下裂紋擴(kuò)展速率增加的原因與3.5 % NaCl溶液環(huán)境下相同，前半部分由于油箱積存水溶液中Cl-濃度高于3.5 % NaCl溶液中Cl-濃度，因此裂紋擴(kuò)展速率比3.5 % NaCl溶液中更快，然而由于油箱積存水環(huán)境中還存在大量的其他金屬離子，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，

3.2 環(huán)境影響因子

按照第2節(jié)方法再次對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先得到在室溫大氣環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展參數(shù)估計(jì)結(jié)果，然后按室溫大氣環(huán)境下的nB估計(jì)腐蝕環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率參數(shù)CT。將nB代入式（7）可得CT，計(jì)算da/dN=10-4mm/cycle對(duì)應(yīng)的ΔKT,f=5Hz,R=0.06,da/dN=10-4，將之與室溫大氣環(huán)境下對(duì)應(yīng)的KΔ對(duì)比，最后得到不同環(huán)境下的影響因子如表4所示。

表4 環(huán)境影響因子

查《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)》，已有類似材料測(cè)得的相關(guān)環(huán)境影響因子如下表。從表5可[12]以看出，由于試件材料、熱處理狀態(tài)、制造批次等不同，這導(dǎo)致了本次試驗(yàn)結(jié)果和《民機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與損傷容限設(shè)計(jì)手冊(cè)》給出的Paris公式斜率參數(shù)n的不同，也造成了me的不同，但根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得到7140-T7451鋁合金在潮濕空氣、3.5 % NaCl、油箱積存水三種環(huán)境下的環(huán)境影響因子與手冊(cè)中給出的環(huán)境影響因子相近。

表5 已有鋁合金環(huán)境影響因子

4 結(jié)論

本文通過開展7140-T7451鋁合金在室溫大氣、潮濕空氣、3.5 % NaCl、油箱積存水四種環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)，并確定了不同環(huán)境的影響因子，得到如下結(jié)論：

1）7140 -T7451鋁合金在不同環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率不同，各種環(huán)境下裂紋擴(kuò)展速率排序如下：油箱積存水≈3.5 % NaCl溶液＞潮濕空氣＞室溫大氣；

2）對(duì)于7140-T7451鋁合金材料，潮濕空氣環(huán)境影響因子=0.88，3.5 % NaCl溶液環(huán)境影響因子=0.73，油箱積存水環(huán)境影響因子=0.75。