穿透型疲勞裂紋擴展與鋁合金局部點蝕損傷特征參數的依存性分析

李旭東，孔光明，穆志韜

（海軍航空工程學院 青島校區，青島266041）

穿透型疲勞裂紋擴展與鋁合金局部點蝕損傷特征參數的依存性分析

李旭東，孔光明，穆志韜

（海軍航空工程學院 青島校區，青島266041）

鋁合金的腐蝕以點蝕特征為代表，在腐蝕介質的侵襲下，其構件表面會出現大量的腐蝕坑。這些腐蝕損傷特征對于局部的應力應變產生影響，并且伴隨著氫的滲入材料局部的脆性增強，對于臨近裂紋的擴展會產生較大的影響。通過建立與局部點蝕損傷特征參數相關的裂紋擴展表征模型表征局部腐蝕對于臨近的裂紋擴展影響程度，對于鋁合金結構的腐蝕損傷容限評估具有參考價值。

疲勞；裂紋擴展；局部腐蝕損傷；表征參數；臨界距離理論

隨著我國海洋戰略的實施，大量的鋁合金工程結構需要在沿海大氣環境中服役。這種高濕高鹽高酸的大氣會在鋁合金結構表面形成一層含鹽分的酸性液膜，產生電化學腐蝕效應，形成以腐蝕坑為典型特征的點蝕形貌［1-3］。腐蝕坑一方面伴隨著氫滲入，使得材料成分改變，脆性增強，塑性變差；另一方面改變了局部的應力應變分布，形成應力集中；裂紋在此區域內更容易萌生，裂紋擴展行為也會受到這種腐蝕坑的影響，表現為比單純的機械疲勞裂紋更為曲折復雜的擴展路徑［4-7］。本工作擬建立一種基于試驗基礎上的唯象經驗模型來評價局部腐蝕損傷對于裂紋擴展的影響程度，從而為構件的損傷容限分析提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用鋁鎂硅系合金6A02-T6，具備良好的熱塑性，其化學成分（質量分數/%）為：Al 92.5，Cu 4.5，Mg 1.42，Mn 0.74，Fe 0.26，Si 0.19，Zn 0.13，其抗拉強度450MPa、屈服強度342MPa。沿著軋制方向制成啞鈴狀的試驗件。試驗件中部邊緣預制一個曲率半徑為0.05mm的缺口，形成局部的應力集中，易于在顯微鏡下捕捉貫穿性裂紋的起裂和擴展過程，試件形狀如圖1所示。

1.2 試驗方法

首先在試驗件表面引入腐蝕損傷缺陷。預腐蝕試驗通常采用ASTM-G34標準的EXCO腐蝕試驗程序，由于這種試驗是直接將試件暴露在EXCO剝蝕溶液中，其腐蝕過程與飛機在外場的腐蝕過程差別較大。另外一種預腐蝕試驗方案是基于電化學等效原則，其根據飛機外場腐蝕的主要因素如溫度、濕度、酸、紫外輻照等因素及其作用頻次進行統計折算，得到等效的加速環境譜，根據環境譜在實驗室中利用周期浸潤環境試驗箱進行加速腐蝕，以復現飛機的外場腐蝕過程。本工作采用該腐蝕方案，試驗前先將試件一面用防腐蝕膠均勻涂抹，僅一面保留在腐蝕介質中。所采用的環境譜是基于我國南方某沿海機場的數據折算得到，如圖2所示。環境箱中每一次干-濕交變包括浸泡5 min、烘烤12 min；干濕交變384次，累計試驗時間96 h，等當量于材料在服役環境中自然腐蝕1個日歷年（a）的損傷；每間隔5個日歷年取出1個試件進行疲勞加載試驗，最高加速腐蝕20 a。

圖1 試件形狀以及尺寸Fig.1 Shape and size sketch of specimen

圖2 加速腐蝕環境譜Fig.2 Accelerated corrosion spectrum

利用KH7700三維成像顯微鏡在300倍放大倍率下對試驗件含腐蝕損傷的表面進行觀測，對距離預制缺口中心線上下各1.5mm的細長區域內的腐蝕表面區域進行精細化的3D成像，得到其表面腐蝕坑沿深度分布的信息。

疲勞試驗針對未腐蝕（0 a）、10 a、20 a三種試件。為觀察到裂紋擴展與腐蝕損傷的相互影響，疲勞加載在帶疲勞加載裝置的 SS550 掃描電鏡（SEM）的加載腔內完成，加載時保持室溫，加載波形為正弦波，加載最大應力220MPa，應力比為0.1，加載頻率5 Hz，加載過程中利用電鏡監控裂紋表面的擴展情況，原則上每間隔10 000個應力循環（N），將頻率降低至0.5 Hz，啟用拍照功能圍繞試件表面裂紋尖端為中心拍照若干次，如果觀測到裂紋擴展變化較快較為明顯，則隨時進行拍照，并且記錄拍照時所對應的應力循環次數，直至試件斷裂為止。根據照片中的標尺得出裂紋長度l，進而得到其l-N 對應曲線，裂紋長度l計為缺口加上裂紋擴展路徑在垂直載荷加載方向上的水平投影長度。

2 結果與討論

腐蝕損傷特征具有很強的隨機性特征，且腐蝕坑在試件表面的分布是極其不均勻的，這種形狀復雜的腐蝕坑對裂紋擴展的路徑產生了非常明顯的影響，具有明顯的吸引作用，裂紋傾向于向其附近較大較深的腐蝕坑擴展，如圖3所示。

通過對試驗中得到的l-N 對應曲線進行差分計算可以得到裂紋擴展速率的變化曲線，圖4為一個腐蝕10 a的試件實測得到的裂紋擴展速率隨著裂紋長度的變化曲線。可以看出，對于該試驗件，當裂紋長度低于80μm的時候，裂紋擴展速率的波動性非常強。這種波動性與鋁合金微小晶粒之間的晶界相關性并不強，因為裂紋速率發生波折的裂紋長度并不接近于該合金晶粒平均尺寸（30～40μm）的整數倍。通過對比電鏡拍攝照片，這種裂紋擴展速率的波動性與裂紋尖端附近的腐蝕坑存在很強的相關性，當裂紋尖端存在較大較深的腐蝕坑時，其裂紋擴展速率接近于圖4中的極大值點位置。圖3和圖4充分說明了局部腐蝕損傷狀況對裂紋擴展影響極大。

3 基于局部腐蝕損傷的預腐蝕疲勞裂紋擴展模型

3.1 臨界區域范圍的確定

通過對試驗數據分析可知，裂紋的擴展不僅取決于裂紋尖端的應力情況，還取決于圍繞裂尖局部區域內的腐蝕損傷情況。首先必須定義這個“局部區域”的范圍。研究表明［6-7］：缺口件的疲勞壽命應當以距缺口根部一定距離內彈性應力的平均值作為有效應力，即疲勞評定的“局部參量”，當“局部參量”大于臨界值時，試件就發生失效破壞。Peterson，David Taylor等人［8-9］簡化并發展了這一觀點，提出距缺口根部一定距離上某一點的應力作為疲勞判定的有效應力，稱為臨界距離理論（Theory of Critical Distance，TCD）。但圖3（a）～（c）說明，裂紋在腐蝕區域內的擴展路徑存在急劇的跳轉，但是一定不會出現倒退情況，亦即裂紋擴展路徑在垂直遠場應力方向上的投影不會發生重疊現象。以此以裂紋尖端為圓心，裂紋前端半徑為L的半圓形區域作為考察腐蝕損傷狀況的臨界區域Scr，如圖5所示，其中L 由TCD理論［10］給出，即：

式中：Δσ0，ΔKth分別為光滑試樣的疲勞極限和疲勞裂紋擴展門檻值。查閱文獻可知，該材料的Δσ0= 248MPa，ΔKth=4.4MPa·m1/2［9］，帶入式（1）計算得L=0.100 2mm。

圖3 腐蝕10 a試件掃描電鏡下的裂紋擴展形貌Fig.3 Morphology of crack propagation under SEM for specimen exposed for 10 a

圖4 腐蝕10 a試驗件裂紋擴展速率隨著裂紋長度的變化曲線Fig.4 Crack growth rate versus crack length for specimen exposed for 10 a

圖5 裂紋尖端臨界區域Scr示意圖Fig.5 Schematic illustration for local damage zone Scrnear the crack tip

3.2 腐蝕損傷表征參數的確定

腐蝕損傷在試件表面的發展主要表現為兩個方面，一方面腐蝕坑的面積在擴展，另一方面腐蝕坑的深度在增加。這兩個方面的腐蝕損傷發展會造成局部的應力應變場發生變化。

試件表面的腐蝕程度可以用局部孔蝕率α表示，即：

腐蝕坑的深度可通過KH7700拍攝的3D圖像并利用其隨機處理軟件得到Scr內腐蝕坑的平均深度D。試驗發現孔蝕率α與平均深度D 對裂紋擴展的影響程度不盡相等，因此用其組合來定義腐蝕損傷表征參數H，即：

式中：η為待定常數，代表D 和α對腐蝕損傷對裂紋擴展影響的相對權重。

3.3 基于H 的裂紋擴展腐蝕加速因子

在LEFM線彈性斷裂力學理論范圍內，裂紋擴展是受裂紋尖端的應力強度因子幅控制的，即：

式中：C和m 是待定參數。應力強度因子范圍ΔK可以查閱應力強度因子手冊計算得到。王習術［4］針對預腐蝕鋁合金疲勞裂紋擴展速率的研究表明式（4）可用于預腐蝕疲勞裂紋的擴展評估，只需要將參數C修正為與腐蝕損傷相關的Ccf。顯然隨著腐蝕損傷的加重，Ccf的數值會增加，即：

該函數關系為單調遞增關系，其下限為無腐蝕試件對應的參數C，并且存在一上限值，表明腐蝕損傷的影響存在一個極值，故設Ccf具有如下的數學形式：

式中：λ＞0，κ＞0，為待定材料常數。

3.4 利用試驗數據確定待定常數

將式（3）、（4）帶入式（6），兩邊取對數，得：

由圖6可以看出，試驗數據存在有規律的分散性，尤其是當腐蝕損傷程度較大的時候，數據分散性較強，其原因：

（1）重腐蝕損傷情況下，腐蝕表面的腐蝕坑連成一片，這對數字圖像處理技術識別點蝕特征造成困難，影響孔蝕率計算的準確性；

（2）重腐蝕情況下，鋁合金材料吸氫明顯，造成局部變脆，延展性降低，“氫脆”效應的影響單純用腐蝕坑的幾何特征變化來刻畫是不全面的，本工作提供的表征模型更多是從腐蝕特征的幾何參數對于局部應力應變的影響程度來考慮的。而當腐蝕損傷程度較輕時，正好相反，點蝕特征明顯，而且氫脆影響較低，使得數據的分散性較小，這說明本評估方法對于點蝕特征明顯的輕腐蝕損傷鋁合金是合理的。式（7）中η=3.2＞1，說明腐蝕坑的深度對裂紋擴展的影響要遠大于其投影面積的影響，這也部分解釋了圖3（a）～（c）中裂紋擴展路徑會向上偏折的原因，對照三維形貌發現裂紋前上方腐蝕坑的面積雖然較小，但是深度較大，對裂紋擴展的影響更明顯。

圖6 lg［/（CΔKm）-1］隨αD3.2的變化曲線Fig.6 Variation of lg［/（C ΔKm）-1］versusαD3.2

4 結論

（1）基于局部腐蝕損傷表征組合參數αD3.2將Paris公式參數C修正為Ccf，實現了預腐蝕損傷對裂紋擴展影響程度的定量化表征。在低腐蝕損傷情況下，該修正方法合理有效，為6A02-T6鋁合金預腐蝕疲勞裂紋擴展行為的準確預測提供了一定的方法。

（2）相對于腐蝕坑投影面積，其深度對裂紋擴展的影響更明顯。

（3）所建立的修正模型主要考慮了腐蝕損傷特征幾何尺寸變化對于局部應力應變的影響規律，而對于腐蝕過程中的氫脆等效應考慮不多，因此，不適參考文獻：

用于重腐蝕損傷6A02-T6鋁合金裂紋擴展的表征。

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Dependent Analysis of Through Out Crack Propagation on Localized Pitting Corrosion Parameters of Aluminum Alloy

LI Xu-dong，KONG Guang-ming，MU Zhi-tao
（Qingdao Campus of Naval Aeronautical Academy，Qingdao 266041，China）

Pitting corrosion morphology prevails on aluminum alloy surface subjected to corrosive media in service environment，which will change the distribution of local stress and strain and local area may become brittle as the penetration of hydrogen may accompany corrosion process.Such local change will significantly influence the fatigue crack propagation in vicinity.The present thesis tries to establish a model to characterize the influence of local corrosion on fatigue crack propagation nearby based on local corrosion damage characteristic parameters，which is of reference value for corrosion damage tolerance evaluation.

fatigue；crack propagation；localized corrosion damage；characteristic parameter；theory of critical distance

TG174.3；V252

A

1005-748X（2015）11-1049-04

10.11973/fsyfh-201511008

2014-10-30

國家自然科學基金（1072124）

李旭東（1984-），講師，碩士，從事金屬結構的腐蝕疲勞問題的研究，13793269197，xdli23615064@163.com