用腐蝕損傷計算金屬日歷壽命的原理和模型

張福澤

空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

用腐蝕損傷計算金屬日歷壽命的原理和模型

張福澤*

空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

通過對金屬腐蝕T-H曲線和溫濕譜的腐蝕損傷研究，找到一種用腐蝕損傷計算金屬日歷壽命的原理和模型。這種計算金屬日歷壽命的模型，只要給出真實使用環(huán)境下的腐蝕T-H曲線和溫濕譜，就可計算出金屬真實使用日歷壽命。通過對30CrMnSiA鋼的日歷壽命實例計算結(jié)果與真實環(huán)境下的腐蝕試驗結(jié)果的比較得到，相對誤差是17.5%，這說明該日歷壽命計算模型和方法是有效的。

腐蝕損傷； 日歷壽命； 溫濕譜；T-H曲線； 計算模型

在國際上，至文獻[1-7]發(fā)表之前，沒有用真實使用環(huán)境參數(shù)計算金屬日歷壽命的公式和方法，機械在自然使用環(huán)境下的日歷壽命無法真正可靠地給出，由此引發(fā)了一些重大事故的發(fā)生。文獻[1-7]給出了用真實環(huán)境參數(shù)計算或試驗給出機械使用日歷壽命的理論體系，且已在少數(shù)飛機日歷壽命確定的實踐中，驗證了其正確性和有效性，可以推廣使用。為了更深化和完善這一理論體系，本文進一步從腐蝕損傷方面研究給出機械在真實使用環(huán)境下的日歷壽命計算原理和模型，使金屬日歷壽命計算又有一種技術(shù)途徑。

1 用金屬腐蝕損傷計算金屬日歷壽命的原理

1.1 金屬腐蝕試驗T-H曲線

本文作者在文獻[1]中，通過理論分析和腐蝕試驗數(shù)據(jù)找到如圖1和圖2所示的金屬腐蝕試驗溫度(T)與試驗時間(H)的T-H曲線。之后，又在北京航空材料研究院試驗出鋁合金(LY12CZ和LC4CS)以及鋼合金(30CrMnSiA)的T-H曲線，如圖3～圖5[7]所示。這些曲線表明，金屬腐蝕是存在T-H曲線的，這些試驗規(guī)律曲線是本文進一步研究用金屬腐蝕損傷計算日歷壽命的基礎(chǔ)，因此在此列出。

圖1 18種金屬混合T-H試驗曲線[1]Fig.1 T-H curve of mix test of 18 metals[1]

圖2 K5金屬腐蝕的T-H曲線[1]Fig.2 T-H curve of corrosion of K5 metal[1]

圖3 LY12CZ腐蝕1 mm的T-H曲線[7] Fig.3 T-H curve of 1 mm depth of corrosion of LY12CZ[7]

圖4 LC4CS腐蝕1 mm的T-H曲線[7] Fig.4 T-H curve of 1 mm depth of corrosion of LC4CS[7]

圖5 30CrMnSiA腐蝕1 mm的T-H曲線[7] Fig.5 T-H curve of 1 mm depth of corrosion of 30CrMnSiA[7]

1.2 T-H曲線特性分析

1)T-H曲線分布規(guī)律：從圖1～圖5表明，在給定的環(huán)境介質(zhì)、濕度(RH)和腐蝕容限D(zhuǎn)c情況下，隨腐蝕試驗溫度(T)的提高，試驗時間(H)呈降低趨勢，而且這種趨勢在不同金屬材料中是不同的，表明它們腐蝕速率不同。這與疲勞領(lǐng)域S-N曲線的規(guī)律是一致的。

2)T-H曲線是冪函數(shù)曲線：由于T-H曲線與S-N曲線分布規(guī)律一致，S-N曲線可用冪函數(shù)表達式(NSm=c)描述，因此，T-H曲線也可以用冪函數(shù)(HTm=c)來描述。式中：m和c為材料常數(shù)。

3)T-H曲線有一個臨界值：從圖1～圖5可看出，當腐蝕試驗溫度降低到某一個值時，T-H曲線趨向水平線，這個值為腐蝕溫度的臨界值(Tc)。它的物理含義是，在腐蝕試驗中，當試驗溫度降到Tc時，金屬接近不腐蝕，這也與疲勞領(lǐng)域的S-N曲線一致。

1.3 恒溫T-H曲線上某一點的腐蝕損傷表達式

圖6 標準的T-H曲線Fig.6 Standard T-H curve

(1)

2 用腐蝕損傷計算金屬日歷壽命的模型

2.1 溫濕譜T-H曲線上某一點腐蝕損傷的表達式

所謂溫濕譜的T-H曲線，就是各試驗點用溫濕譜試驗出的T-H曲線。假定溫濕譜T-H曲線與恒溫譜T-H曲線是等損傷的。現(xiàn)假設(shè)用k種溫度和n種濕度組成的溫濕譜試驗，共試驗λ個溫濕譜塊達到恒溫T-H曲線上第i點的腐蝕損傷值Di，由此可得溫濕譜試驗的T-H曲線上第i點腐蝕損傷的表達式為

(2)

2.2 用腐蝕損傷求日歷壽命的模型

由式(1)和式(2)，可得

(3)

(4)

式中：Hi為T-H曲線線性段中任意點i的Ti對應(yīng)的Hi值。

2.3 m的取值

1)m的理論值

HTm=c

(5)

對式(5)取對數(shù)，可得

lgH=lgc-mlgT

(6)

式中：由于lgc是常數(shù)，因此m是lgH與lgT的函數(shù)，即m可由lgH與lgT的雙對數(shù)坐標中的一條線性線求取。但需要進行多種金屬材料和多種腐蝕環(huán)境的試驗才能獲得m具體的理論計算值，有待專項研究。

2)m的經(jīng)驗取值

工程上一般是通過試驗給出一些參考經(jīng)驗值，在疲勞領(lǐng)域，試驗經(jīng)驗值是：裂紋形成壽命m=3～7，裂紋擴展壽命m=2～4。本文計算用的m值是根據(jù)已有的試驗數(shù)據(jù)，通過試算找到一個m=2的腐蝕損傷(HTm)最接近試驗結(jié)果，因此在本文日歷壽命計算的算例中，取m=2。

3 算例與試驗比較

3.1 30CrMnSiA鋼日歷壽命的計算

1) 取日歷壽命計算模型，即式(4)。

2) 設(shè)定：30CrMnSiA合金鋼的腐蝕損傷容限是200 g/m2；m=2(經(jīng)驗值)。

3) 選取計算用的溫濕譜。

取文獻[8]中的表8，列入本文的表1。

4) 選取計算用的試驗H值。

式(4)模型中的H值是從T-H曲線中得到的，文獻[9]中用海南陵水介質(zhì)成分和含量進行30CrMnSiA合金鋼的T-H曲線測試。本文為了計算該金屬材料的日歷壽命，現(xiàn)取文獻[9]中44頁上對本文計算有用的H試驗數(shù)據(jù)，列入表2。

5) 計算30CrMnSiA鋼的日歷壽命。

① 計算HT2，結(jié)果如表3所示。

用表1中的2種RH溫濕譜，計算結(jié)果如表4和表5所示。

表1海南陵水的溫濕譜[8]

Table1TemperatureandhumidityspectrumofLingshui,Hainan[8]

RH/%hi/h(每級溫度的時間)T=25℃T=30℃T=35℃合計/h901067248．4 39100 516．8212．8125．12209．1

表2 30CrMnSiA在RH=90%的H值[9]Table 2 H value of 30CrMnSiA for RH=90%[9]

表330CrMnSiA在RH=90%、Dc=200g/m2下的HT2計算結(jié)果

Table3HT2calculationresultsof30CrMnSiAforRH=90%andDc=200g/m2

T/℃253035H/h375082701616525HT2234425002431440020243125

注：表中H值取自表2。

表4RH=90%的溫濕譜損傷計算結(jié)果

Table4DamagecalculationresultsoftemperatureandhumidityspectrumforRH=90%

T/℃253035hi/h1067248．439hiT2i66687522356047775(∑ki=1hiTmi)1938210

注：表中hi值取自表1。

表5RH=100%的溫濕譜損傷計算結(jié)果

Table5DamagecalculationresultsoftemperatureandhumidityspectrumforRH=100%

T/℃253035hi/h516．8212．8125．1hiT2i323000191520153248(∑ki=1hiTmi)2667768

注：表中hi值取自表1。

938 210+667 768=1 605 978

③ 計算30CrMnSiA鋼的日歷壽命。

把表4中的3種溫度對應(yīng)的HT2值分別除以溫濕譜的總損傷值，即得

λ平均=14.1 a

3.2 30CrMnSiA鋼日歷壽命的試驗結(jié)果

30CrMnSiA鋼的試驗日歷壽命取自文獻[10]，試驗溫濕譜與本文計算用的溫濕譜相同，都是海南陵水地區(qū)的實測數(shù)據(jù)并按等腐蝕損傷編制而成，如表1所示，腐蝕容限值也與3.1節(jié)中計算取值相同。

文獻[10]根據(jù)海南陵水地區(qū)介質(zhì)成份、濃度和表1的溫濕譜進行腐蝕試驗得出(具體試驗過程不重復(fù))：30CrMnSiA鋼在海南陵水地區(qū)，腐蝕損傷容限D(zhuǎn)c=200 g/m2，試驗的日歷壽命為12.0 a。

3.3 30CrMnSiA鋼日歷壽命計算值與試驗值的比較

在同一海南陵水環(huán)境和各自同一腐蝕損傷容限情況下，用本文模型理論計算的日歷壽命和文獻[10]中試驗的日歷壽命如表6所示。由表6可知，對于30CrMnSiA鋼，試驗結(jié)果比理論計算結(jié)果低17.5% 。

關(guān)于本文模型式(4)中m的取值問題。由于國際上在腐蝕領(lǐng)域尚未開展對m值的研究，給不出準確的m值，因此本文在算例中經(jīng)驗地用m=2進行30CrMnSiA鋼的日歷壽命計算，計算結(jié)果與試驗值還較吻合，但在同樣條件下，用m=2計算LY12CZ鋁的日歷壽命，其結(jié)果與試驗值相差237%。這說明不同材料有不同的m值，不能混用，也說明只要給出準確的m值，用模型式(4)計算的日歷壽命是有效的。因此在腐蝕領(lǐng)域應(yīng)加強對不同材料、不同結(jié)構(gòu)的m值研究，以提供準確的m值，供日歷壽命計算使用。

表6 30CrMnSiA鋼日歷壽命的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較

4 結(jié) 論

2) 為了日歷壽命計算需要，應(yīng)加強腐蝕領(lǐng)域不同材料和不同結(jié)構(gòu)的m值研究，只要給出準確的m值，用模型式(4)計算的日歷壽命是準確有效的。

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Theoryandmodelformetalcalendarlifecalculatedbycorrosiondamage

ZHANGFuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

ThetheoryandmodelforthemetalcalendarlifecalculatedbycorrosiondamageisdiscussedbasedontheresearchontheT-Hcurveandtemperatureandhumidityspectrumofmetalcorrosiondamage.Thismodelproposedisabletocalculatethemetal’srealcalendarlifewhenthecorrosionT-Hcurveandthetemperatureandhumidityspectrumintherealoperationalenvironmentareprovided.Acomparisonoftheresultsofthecalendarlifecalculationof30CrMnSiAsteel,withtheexperimentresultsintherealenvironmentshowsthattherelativeerrorofthesteelis17.5%.Thecomparisonresultshowsthatthismodelandmethodforcalculatingthemetalcalendarlifeisfeasible.

corrosiondamage;calendarlife;temperatureandhumidityspectrum;T-Hcurve;calculationmodel

2017-01-06；Revised2017-03-10；Accepted2017-04-26；Publishedonline2017-05-220914

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171116.html

.E-mailzhangfuzemail@163.com

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.221111

V215.5

A

1000-6893(2017)11-221111-06

2017-01-06；退修日期2017-03-10；錄用日期2017-04-26；< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間

時間：2017-05-220914

http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171116.html

.E-mailzhangfuzemail@163.com

張福澤. 用腐蝕損傷計算金屬日歷壽命的原理和模型J． 航空學報,2017,38(11):221111.ZHANGFZ.TheoryandmodelformetalcalendarlifecalculatedbycorrosiondamageJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(11):221111.

(責任編輯：徐曉)