7075鋁合金在不同溫度鹽水環境中的腐蝕疲勞行為

劉軒，劉慧叢，李衛平，*，葉序彬，朱立群

1.北京航空航天大學 材料科學與工程學院 空天先進材料與服役教育部重點實驗室，北京 100191

2.北京航空材料研究院 檢測研究中心，北京 100095

腐蝕疲勞是影響飛機壽命的一個重要因素，尤其是在沿海一帶服役的飛機，由于海水的飛濺以及白天的長時間曝曬，常常會處在高溫海水環境下，發生腐蝕的情況十分嚴重［1］，腐蝕損傷處往往會成為材料的疲勞裂紋源，降低材料的抗疲勞性能，對飛機結構材料的安全可靠性造成重大威脅，甚至引發災難事故［2-5］。

高強鋁合金由于具有比強度高、斷裂韌性好、加工性能及焊接性能優良等一系列優點，在車輛和船舶工業部門有廣泛應用，在航空航天領域更是不可或缺的材料，其中7075鋁合金廣泛用于制造飛機的主要受力零件，如大梁、桁條和起落架零件等［6-7］。但與其他牌號的結構鋁合金相比，高強鋁合金腐蝕問題更為突出，容易發生點蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕等，進而嚴重降低飛機的疲勞性能。在實際應用中，通常在鋁合金表面包覆一層包鋁層，以提高材料的耐腐蝕性［8］。

目前，國內外關于7075鋁合金的研究主要集中在腐蝕以及疲勞開裂等方面。陳素晶等針對鋁合金腐蝕平均速率與瞬時速率的差異，根據腐蝕過程中試樣橫截面的變化與歐姆電阻的對應關系，建立了新的腐蝕速率計算方法［9］；劉曉磊等用電化學噪聲表征7075鋁合金的模擬大氣腐蝕過程［10］；Burns等研究了低溫（-90℃～23℃）環境對7075鋁合金抗疲勞性能的影響，發現隨著溫度降低，裂紋生長速率下降［11］；回麗等研究了鹽水環境對預腐蝕7XXX鋁合金疲勞性能的影響［12］；馮先鋒研究了2024-T351鋁合金在室溫下3.5%NaCl溶液中平均應力對腐蝕疲勞力學行為的影響規律以及缺口對腐蝕疲勞強度的影響［13］。從上述研究可以看出，目前室溫以上更高溫度下7075鋁合金的腐蝕疲勞行為研究較為不足，而實際情況是高溫環境往往對材料的腐蝕疲勞性能損傷很大，系統研究7075鋁合金在不同溫度鹽水環境下的腐蝕疲勞行為具有重要價值。

因此，本文采用3.5%NaCl溶液環境研究了溫度對腐蝕疲勞行為的影響，設置室溫以上的35，55，75℃這3個不同環境溫度，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察斷口形貌，探討了溫度對腐蝕疲勞裂紋萌生擴展的影響機理，為鋁合金飛機結構材料在沿海高溫環境下的安全服役提供一定的技術依據。

1 試驗方法

試驗所用材料為7075鋁合金，熱處理狀態T651，化學成分（wt%）為：Cu 1.6，Mg 2.5，Zn 5.6，Si 0.4，Mn 0.3，Ti 0.2，Cr 0.22，Fe 0.5，其余為Al。疲勞試樣為平直薄板，厚度為1.5 mm，裝夾端之間為連續半徑連接，尺寸如圖1所示。試樣兩面均覆蓋有包鋁層，通過HIROX KH-7700三維視頻顯微鏡測得包鋁層厚度約為80μm。

圖1 7075鋁合金疲勞試樣平面圖Fig.1 Planar graph of 7075 aluminum alloy fatigue specimen

7075鋁合金的腐蝕疲勞試驗選取3.5%的NaCl溶液作為腐蝕介質，根據航空高強鋁合金在服役過程中可能出現的高溫環境，選擇（35±3），（55±3），（75±3）℃這3個不同的環境溫度研究其對7075鋁合金腐蝕疲勞行為的影響。

腐蝕疲勞試驗在Instron8871液壓伺服機上進行，利用Wavematrix軟件設置程序。試驗前先將疲勞試樣置于25℃的3.5%NaCl溶液中浸泡24 h進行預腐蝕，然后再進行試驗。腐蝕疲勞試驗進行時疲勞試樣處于3.5%NaCl溶液環境中，通過溶液循環保持溶液溫度。每個溫度下選擇3個應力水平進行試驗。試樣疲勞斷裂后，使用Camscan CS-3400掃描電子顯微鏡觀測斷口形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 腐蝕疲勞壽命

7075鋁合金試樣腐蝕疲勞試驗相關參數如表1所示。表中：Kt為理論應力集中系數；R為應力比。

表1 疲勞試驗參數Table 1 Parameters of fatigue test

對腐蝕疲勞數據進行處理時，先將疲勞壽命取成對數，成組法中值對數疲勞壽命的計算公式為

式中：為成組法中值對數疲勞壽命；n為每組試驗的試樣個數；Ni為每組試驗中第i個試樣的疲勞壽命；N50為具有50%存活率的疲勞壽命。

如果需要求出具有95%置信度的中值疲勞壽命，就應該先求出變異系數，并由表2查出滿足該置信度所需要的最少試樣個數［14-15］。變異系數的計算公式為

式中：CV為變異系數；S為子樣方差，其計算公式為

表2 需要的最少試樣數（置信度95%，相對誤差±5%）Table 2 Minimum number of specimen（confidence 95%，relative error±5%）

表3給出了7075鋁合金在3個不同溫度T下3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞壽命N與相應的應力水平σmax。經計算每組試驗的變異系數CV均小于0.020 1，因此各組試驗的試樣數量均滿足置信度95%條件下最少3個試樣的要求。

表3 不同溫度和應力水平下的腐蝕疲勞壽命Table3 Corrosion fatigue life at different temperatures and stress levels

從表3中數據可以看出，在3.5%NaCl溶液環境下，溫度對7075鋁合金的腐蝕疲勞壽命具有顯著影響：同一應力水平下，溫度越高，疲勞壽命越短。300 MPa、75℃下的中值壽命為15 346次循環，55℃下的中值壽命為30 931次循環，35℃下的中值壽命為33 001次循環。

同時腐蝕損傷與疲勞損傷之間還存在著一定的競爭關系。當應力水平較高時，試樣的壽命較短，腐蝕作用的時間短，試樣壽命主要受應力水平影響，35，55，75℃這3個溫度下1萬～5萬次循環壽命對應的應力水平都為300 MPa；而當應力水平較低時，試樣的壽命長，腐蝕作用的時間較長，環境溫度的升高加重了材料的腐蝕損傷，從而導致相同壽命對應應力水平的下降，因此在35，55，75℃這3個溫度下，30萬～40萬次循環壽命對應的應力水平依次下降，分別為180，160，150 MPa。

圖2為7075鋁合金在3個不同溫度下3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞S-N曲線。從圖中可以看出，7075鋁合金在溫度為35℃和55℃時，高應力水平下的疲勞壽命相當，而低應力水平下35℃時的疲勞壽命明顯高于55℃時的疲勞壽命；同一應力水平下，35℃和55℃下的疲勞壽命明顯高于75℃下的疲勞壽命。

2.2 腐蝕疲勞斷口形貌

圖2 不同溫度下的腐蝕疲勞S-N曲線Fig.2 Corrosion fatigue S-N curve at different temperatures

圖3是7075鋁合金試樣在300 MPa時3個溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌的SEM照片。可以看出，在較高應力水平下，試樣的疲勞壽命較短，腐蝕作用的時間短，試樣的腐蝕損傷程度小，35℃和55℃下沒有出現較明顯的腐蝕坑，試樣的失效主要是由于應力的作用；75℃下試樣出現肉眼可見的腐蝕坑，疲勞源從腐蝕坑萌生。由此可見高溫環境對腐蝕起了促進作用，且腐蝕坑作為缺陷易成為疲勞源。3個溫度下的試樣斷口都出現了較明顯的疲勞源，而疲勞源多從鋁合金與包鋁層的結合處萌生。

圖3 300 MPa時不同溫度下的斷口形貌Fig.3 Fracture morphology at different temperatures at 300 MPa

圖4為7075鋁合金試樣在200 MPa左右時3個溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌。與300 MPa時相比，中等應力水平下腐蝕疲勞時間延長，在3～4 h之間。35℃下的試樣已經出現明顯的腐蝕點，疲勞源同時從一個腐蝕點和基體包鋁結合處萌生，生成兩個疲勞源；55℃下的試樣可明顯看出疲勞源由一個較大的腐蝕坑處萌生；75℃下斷口表面腐蝕特征明顯，出現大量腐蝕產物白點，斷口不再平整，疲勞源從鋁合金基體和包鋁層結合處的大腐蝕坑萌生。

圖5為7075鋁合金試樣在160 MPa左右時3個溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌，腐蝕疲勞時間在9～11 h之間。從圖5中可以看出較低應力水平下試樣斷口腐蝕均比較嚴重，斷口都不平整，表面高度差較大。35℃下的試樣斷口出現大量腐蝕坑，疲勞源同時從兩個大腐蝕坑萌生；55℃下，疲勞裂紋從一個腐蝕坑較多的區域萌生，沒有很明顯的疲勞源；75℃下的試樣斷口表面出現大量腐蝕產物，并出現龜裂現象，已經看不出裂紋擴展的方向。

圖4 200 MPa左右時不同溫度下的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology at different temperatures at about 200 MPa

圖5 160 MPa左右時不同溫度下的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology at different temperatures at about 160 MPa

2.3 不同溫度鹽水環境下的腐蝕疲勞分析討論

上述實驗結果表明，高溫環境顯著加速了7075鋁合金在3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞斷裂。

從3個不同溫度下的腐蝕疲勞S-N 曲線可知，35℃和55℃的曲線在應力水平為220～300 MPa階段基本重合，而在220 MPa以下的應力水平段兩條曲線分開，且隨應力水平下降，同一應力下35℃的腐蝕疲勞壽命比55℃下高得多。這說明在較高應力水平下，55℃的高溫環境相對于35℃時還不足以顯著加速腐蝕疲勞斷裂，而當應力水平逐漸下降時，55℃下的腐蝕損傷對疲勞損傷的競爭力上升，對腐蝕疲勞斷裂的加速效果逐漸顯著。同一應力水平下，75℃的腐蝕疲勞S-N曲線明顯位于35℃和55℃曲線的左側，這說明75℃的高溫環境對腐蝕損傷有強烈促進作用，導致了在300 MPa及以下的應力水平段腐蝕損傷對疲勞損傷有著顯著的優勢，從而同一應力下75℃時的腐蝕疲勞壽命均明顯低于35℃和55℃時的腐蝕疲勞壽命。因此，海洋環境下服役的高強鋁合金材料，在對它們的疲勞壽命進行預測時，必須考慮高溫對其腐蝕疲勞的強烈加速作用。

從各溫度和應力水平下對應的腐蝕疲勞斷口形貌來看，低溫高應力時，腐蝕損傷對疲勞斷裂影響不大，裂紋多從鋁合金基體與包鋁層結合處萌生，這是由于包鋁層與鋁合金基體的機械性能差異較大，在循環應力的不斷作用下，二者的結合處易成為應力集中的部位，導致裂紋從此處萌生。當環境溫度升高時，斷口表面開始出現腐蝕坑，這是由于溫度升高時點蝕演化的臨界熱激活能降低，加快了點蝕演化的速率［16］。出現腐蝕坑后，疲勞源多從腐蝕坑處萌生，根據蝕孔應力集中-滑移不可逆性增強模型，這是由于形成的腐蝕坑會成為應力集中源，在拉應力作用下腐蝕坑底部產生滑移臺階，滑移臺階暴露出的新鮮金屬表面因腐蝕作用逆向滑移受阻，造成了裂紋源的產生［17］。腐蝕疲勞斷口表面腐蝕坑多呈兩種形貌并存，一種為均勻分布麻點狀，腐蝕表面平整；另一種為不均勻的深坑狀，局部腐蝕嚴重，且溫度越高表面越不平整。深坑狀腐蝕坑口多被粘附性腐蝕產物覆蓋，這形成了閉塞電池，由于自催化酸化效應，腐蝕坑從而具有向深處和寬處延伸的動力。而斷口形貌表明，腐蝕疲勞裂紋均自深坑狀腐蝕坑處萌生，這說明深坑狀腐蝕坑較麻點狀腐蝕坑應力集中效果更顯著，對疲勞源的萌生影響更大。因此，高溫腐蝕環境主要是通過加速腐蝕坑的形成來影響疲勞源的產生，而深坑狀腐蝕坑應力集中嚴重，對疲勞性能傷害較大。

3 結 論

1）在3.5%NaCl溶液中，溫度對7075鋁合金腐蝕疲勞壽命影響的規律為：同一應力水平下，溫度越高，腐蝕疲勞壽命越短，300 MPa時35，55，75℃下的中值壽命分別為33 001、30 931、15 346次循環。

2）腐蝕損傷和疲勞損傷存在一定的競爭關系。應力水平較高時，腐蝕較輕，試樣壽命主要受應力水平影響，溫度對疲勞壽命的影響較弱，疲勞源多從鋁合金基體與包鋁層結合處萌生；應力水平較低時，腐蝕較嚴重，溫度的升高將導致相同壽命對應應力水平的明顯下降，溫度對疲勞壽命的影響較顯著，疲勞源多從腐蝕坑處萌生。

3）高溫環境主要通過加速腐蝕坑的形成來影響疲勞源的萌生，深坑狀腐蝕坑應力集中嚴重，對疲勞性能傷害較大。

參 考 文 獻

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