不同環(huán)境下對2D70鋁合金低周疲勞性能的研究

施翔晶， 馬 華

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)，南昌330024）

通常依據(jù)實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下材料的低周疲勞 性能數(shù)據(jù)來估算飛機(jī)疲勞壽命。然而，飛機(jī)構(gòu)件在服役期內(nèi)會(huì)受到工業(yè)廢氣、潮濕天氣等腐蝕，實(shí)際所處環(huán)境與實(shí)驗(yàn)室是不同的[1]。研究不同環(huán)境對金屬材料低周疲勞行為的影響，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性設(shè)計(jì)具有非常深遠(yuǎn)的意義。2D70鋁合金是航空工業(yè)重要的難變形材料，在航空領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。目前國內(nèi)外對2D70力學(xué)性能的研究，集中在拉伸性能[2－3]、持久蠕變性能[4]以及應(yīng)力腐蝕敏感性[5]，對2D70在腐蝕環(huán)境的疲勞性能沒有報(bào)道，對其他金屬材料在腐蝕環(huán)境的疲勞性能研究也很少，僅限于濕空氣、鹽霧（NaCl）環(huán)境對疲勞裂紋擴(kuò)展的影響[6－7]，硫化氫（H2S）環(huán)境疲勞試驗(yàn)的自動(dòng)測控系統(tǒng)研制，腐蝕裝置的設(shè)計(jì)[8]。本文通過對2D70鋁合金在常規(guī)空氣、濕空氣、NaCl及NaCl＋SO24種環(huán)境進(jìn)行低周疲勞試驗(yàn)，研究了不同環(huán)境對2D70鋁合金低周疲勞性能的影響，并探討了金屬材料在腐蝕環(huán)境下低周疲勞試驗(yàn)研究策略。該研究成果已被成功應(yīng)用于預(yù)測飛機(jī)機(jī)身在腐蝕環(huán)境下的低周疲勞壽命，對于修正機(jī)身在真實(shí)大氣環(huán)境下的低周疲勞壽命意義重大，也可為類似環(huán)境下的工業(yè)設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)方法和材料

在試驗(yàn)室空氣、濕空氣（RH≥90%）、3.5%NaCl和3.5%NaCl＋SO24種環(huán)境對2D70鋁合金進(jìn)行 低 周 疲 勞 試 驗(yàn)，參 照 GB／T15248—1994、ASTM B117—85及相關(guān)資料[8－9]進(jìn)行。加載方式為軸向應(yīng)變控制（應(yīng)變比R＝－1），循環(huán)波形為三角波，應(yīng)變速率為4×10－3（mm／mm）／s。每條應(yīng)變—壽命曲線做6個(gè)應(yīng)變水平，每個(gè)應(yīng)變水平置信度達(dá)到90%。低周疲勞的循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線（即循環(huán)σ－ε曲線）通常用Δσ／2－Δεp／2曲線表示，低周疲勞的應(yīng)變—壽命曲線，通常用Δεt／2－2 Nf曲線表示。其中，εe為彈性應(yīng)變；εt為總應(yīng)變；εp為塑性應(yīng)變；σ為循環(huán)應(yīng)力；Nf為斷裂循環(huán)周次；Δεe／2為彈性應(yīng)變幅，值為（εemax－εemin）／2；Δεp／2為塑性應(yīng)變幅，值為（εpmax－εpmin）／2；Δεt／2為總應(yīng)變幅，值為Δεe／2＋Δεp／2；Δσ／2為循環(huán)應(yīng)力幅，值為（σmax－σmin）／2；2 Nf為考慮到一個(gè)循環(huán)中包括載荷的兩個(gè)方向，所以引出一個(gè)完整的循環(huán)中包括兩個(gè)“反向”，即2 Nf稱為反向次數(shù)。

試驗(yàn)結(jié)束后，在雙對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制Δσ／2－Δεp／2曲線（即得到低周疲勞的循環(huán)應(yīng)力—應(yīng)變曲線）。繪制Δεe／2－2 Nf曲線及Δεp／2－2 Nf曲線，兩者擬合得到Δεt／2－2 Nf曲線（即得到低周疲勞的應(yīng)變—壽命曲線）。

試驗(yàn)材料為2D70鋁合金，板厚40 mm，熱處理狀態(tài)為T6態(tài)，取樣方向L向，性能參數(shù)見表1。試樣采用直徑分別為7 mm和6 mm等截面試樣，標(biāo)距10 mm。

表1 材料性能

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置包括MTS 810液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)、引伸計(jì)、腐蝕盒、保鮮膜、加濕器及SO2氣瓶、氣管等。

腐蝕盒參考吳寶娟等的設(shè)計(jì)[9]：用3 mm厚有機(jī)玻璃加工成圓柱形盒子，底部通過法蘭連接試樣，但上蓋并未采用有機(jī)玻璃，而是使用保鮮膜用橡皮筋密封，這樣有效解決了腐蝕盒中試樣上安裝引伸計(jì)難的難題。為了在實(shí)驗(yàn)室中制出NaCl＋SO2介質(zhì)環(huán)境，創(chuàng)造性地運(yùn)用了醫(yī)用吊針，吊針針頭扎在進(jìn)氣管上，吊針皮管則與SO2氣瓶連接，腐蝕盒及進(jìn)氣管的連接如圖1所示。

圖1 腐蝕盒及進(jìn)氣管的連接示意圖

3 試驗(yàn)難點(diǎn)

3.1 引伸計(jì)的安裝

由于是低周疲勞試驗(yàn)，采用的是引伸計(jì)應(yīng)變控制方式。在對每根試樣進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)因引伸計(jì)失穩(wěn)，造成應(yīng)變控制失效，最終試驗(yàn)失敗的問題較嚴(yán)重。經(jīng)過分析，得出幾點(diǎn)原因：① 引伸計(jì)上、下兩刀口分別通過橡皮筋固緊在試樣上，如果兩根橡皮筋固緊力相差較大，試驗(yàn)中引伸計(jì)極易失穩(wěn)；② 腐蝕環(huán)境中，引伸計(jì)刀口固緊在試樣上一段時(shí)間后，試樣固緊處易過早出現(xiàn)疲勞損傷，造成應(yīng)變控制失效；③引伸計(jì)刀口在腐蝕環(huán)境長期試驗(yàn)后，易產(chǎn)生缺口，使得試驗(yàn)中引伸計(jì)滑動(dòng)。

針對以上影響因素，通過大量試驗(yàn)摸索，作出可行的解決辦法：①引伸計(jì)刀口固緊在試樣上時(shí)，調(diào)整兩根橡皮筋固緊力一致；② 在試樣與引伸計(jì)固緊處貼上透明膠帶，使引伸計(jì)刀口不直接接觸試樣表面，防止試樣過早破壞；③引伸計(jì)使用一段時(shí)間后，取下引伸計(jì)刀口，用金相砂紙打磨后再繼續(xù)使用，或者更換刀口。避免因刀口損傷造成的應(yīng)變控制失效。

3.2 腐蝕介質(zhì)的流通

試驗(yàn)環(huán)境包括空氣、濕空氣、3.5%NaCl及3.5%NaCl＋SO24種環(huán)境，其中濕空氣、3.5%NaCl及3.5%NaCl＋SO23種環(huán)境為腐蝕環(huán)境。試驗(yàn)時(shí)間一長，濕空氣在連接管中冷凝成水，NaCl堵塞加濕器，造成腐蝕介質(zhì)流通不暢，影響試驗(yàn)。為此，在試驗(yàn)過程中須經(jīng)常觀察腐蝕介質(zhì)的流通狀況，經(jīng)常清潔加濕器易堵塞處，并經(jīng)常疏通連接管。另外在NaCl＋SO2環(huán)境中，因SO2氣體有劇毒，一定要將門窗打開，將SO2氣體隨時(shí)排出。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 循環(huán)σ－ε曲線及應(yīng)變—壽命曲線

4種環(huán)境試驗(yàn)得到的循環(huán)σ－ε曲線及應(yīng)變—壽命曲線分別見圖2和圖3。

循環(huán)應(yīng)力和低周疲勞壽命都是材料疲勞損傷的關(guān)鍵指標(biāo)。循環(huán)應(yīng)力表征的是材料在循環(huán)載荷下抵抗變形的能力。大多飛機(jī)構(gòu)件由于拐角、圓孔、溝槽等的存在都有應(yīng)力集中，當(dāng)構(gòu)件受循環(huán)應(yīng)力時(shí)，雖然總體處于彈性范圍內(nèi)，但局部已進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，處于循環(huán)應(yīng)變的疲勞過程中，這類服役條件下的疲勞壽命一般小于105周次，稱為低周疲勞。低周疲勞壽命即構(gòu)件破壞前能承受應(yīng)力循環(huán)的次數(shù)。

圖2 4種環(huán)境的循環(huán)σ－ε曲線

圖3 4種環(huán)境的應(yīng)變—壽命曲線

由圖2可看出，在同一坐標(biāo)中對比4種環(huán)境下2D70的循環(huán)σ－ε曲線，應(yīng)變相同時(shí)，循環(huán)應(yīng)力大小為：空氣＞濕空氣＞NaCl＞NaCl＋SO2（橫坐標(biāo)為應(yīng)變，縱坐標(biāo)為應(yīng)力）。

由圖3可看出，在同一坐標(biāo)對比4種環(huán)境下2D70的應(yīng)變—壽命曲線，應(yīng)變相同時(shí)，低周疲勞壽命大小為：空氣＞濕空氣＞NaCl及NaCl＋SO2，NaCl和NaCl＋SO2環(huán)境下2D70的低周疲勞壽命相近并為最低（橫坐標(biāo)為低周疲勞壽命，縱坐標(biāo)為應(yīng)變）。

4.2 低周疲勞試樣斷口

空氣環(huán)境下的低周疲勞試樣斷口見圖4和圖5。腐蝕環(huán)境低周疲勞試樣斷口見圖6和圖7。由圖4知，空氣環(huán)境低周疲勞斷口高差較大，裂紋起始于試樣表面在圖5中可見明顯二次裂紋，并出現(xiàn)疲勞條帶、韌窩，多為塑性條帶。在圖6和圖7中，肉眼無法辨別腐蝕環(huán)境低周疲勞斷口的疲勞源和裂紋擴(kuò)展區(qū)，經(jīng)200 ml∶80gCr2O3∶H2O的溶液清洗后微觀觀察，斷裂起始于試樣表面，斷口呈沿晶特征，脆性條帶較多。腐蝕環(huán)境由于含有水蒸氣，與鋁合金試樣表面反應(yīng)生成氯，易導(dǎo)致氫脆。若腐蝕介質(zhì)中有NaCl，則會(huì)加速氫脆的發(fā)生。這也就驗(yàn)證了4.1節(jié)的結(jié)果分析。

圖4 空氣環(huán)境宏觀斷口

圖5 空氣環(huán)境微觀斷口

圖6 腐蝕環(huán)境宏觀斷口

圖7 腐蝕環(huán)境微觀斷口

5 結(jié) 語

在試驗(yàn)室空氣、濕空氣、NaCl及NaCl＋SO24種環(huán)境，當(dāng)應(yīng)變相同時(shí)，隨腐蝕環(huán)境增強(qiáng)，2D70鋁合金的循環(huán)應(yīng)力降低；當(dāng)應(yīng)變相同時(shí)，2D70鋁合金在NaCl及NaCl＋SO2兩種環(huán)境下低周疲勞壽命相近，并且隨腐蝕環(huán)境增強(qiáng)，低周疲勞壽命降低；隨腐蝕環(huán)境增強(qiáng)，材料疲勞損傷程度越大。

[1] 李志義，丁信偉.金屬材料的腐蝕疲勞[J].化工機(jī)械，1995，22（4）：239－242.

[2] 王國軍，呂新宇，金龍兵，等.控制2D70鋁合金熱擠壓棒材截面粗晶和力學(xué)性能的研究[J].鋁加工，2008（3）：26－29.

[3] 王國軍，熊柏青，張永安，等.固溶熱處理對2D70合金擠壓棒材組織與性能的影響[J].金屬熱處理，2010（3）：37－42.

[4] 楊守杰，黃 敏，朱 娜，等.2D70鋁合金熱穩(wěn)定性研究[J].航空材料學(xué)報(bào)，2003（S1）：73－77.

[5] 張曉云，霍乾明，孫志華，等.高強(qiáng)鋁合金在不同環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕行為[J].科學(xué)通報(bào)，2008（23）：2860－2864.

[6] Shih T T，Clark Jr W G.An evaluation of envir－onment enhanced fatigue crack growth rate testing as an accelerated static load corrosion test[J].Environment Sentive Fracture，1984（821）：325－340.

[7] Fabis T P.Computer－controlled fatigue crack gr－owth rate testing on bend bars in a corrosive environ－ment[J].Environment Sensitive Fracture，1984（821）：470－483.

[8] 董延軍，張亦良，張 偉.低周腐蝕疲勞試驗(yàn)自動(dòng)測控系統(tǒng)的研制[J].工程力學(xué)，2003，17（8）：169－172.

[9] 吳寶娟，於孝春.疲勞機(jī)上腐蝕裝置的設(shè)計(jì)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，1995（6）：10－12.