腐蝕環境對飛機梁結構連接件疲勞壽命和裂紋擴展的影響

鄭 捷 劉 洋,2 童明波

1.南京航空航天大學飛行器先進設計技術國防重點學科實驗室，南京，2100162.中航工業成都飛機設計研究所，成都，610091

0 引言

7475鋁合金是美國研究人員于20世紀70年代為滿足航空材料高強度和高韌性的要求，在7075鋁合金的基礎上研制出的高純鋁合金。7475鋁合金具有良好的綜合性能，廣泛地應用于一些民機與軍機的主體結構(如F-16的機身隔板、殲轟-7飛機主體結構部位、殲10戰斗機機翼的下壁板)。與7075鋁合金相比，7475鋁合金的抗疲勞性能和斷裂韌性得到了較大的改善[1-2]，但海洋大氣環境中含有硝酸根離子、氯離子和硫酸根離子等，這些離子會在飛機結構表面形成酸性液膜，進而會破壞7475鋁合金表面的保護膜，并發生嚴重的局部腐蝕，這將嚴重影響其疲勞性能[3-6]。

國內外許多學者已對多種環境下(如海洋大氣環境、室溫環境和高溫環境等)的7475鋁合金材料的力學性進行了研究[7-11]。劉銘等[7]分析比較了不同溫度下和應力比下7475鋁合金的耐損傷疲勞性能，他們發現，高溫使得材料的疲勞極限減小，材料在高溫下缺口敏感性有所降低；應力比的增大會導致厚板材料的裂紋擴展門檻值減小，裂紋擴展速率增大。宮玉輝等[10]對不同腐蝕環境下7475-T7351鋁合金材料的抗疲勞性能和裂紋擴展特性進行了研究，得到了質量分數為3.5%的NaCl溶液環境和油箱積水對材料耐損傷疲勞性能的影響程度基本相同的結論。SCHEEL等[11]研究了分別采用低可塑性打磨(low-plasticity burnishing，LPB)方法和噴丸(shot peening,SP)方法處理的7475-T7351鋁合金試件在腐蝕環境下的性能, 研究結果表明：與噴丸處理方法相比，采用LPB處理方法形成的熱機械穩定殘余壓力層更深，其深度遠大于腐蝕坑的深度，因此LPB處理方法能增強7475-T7351鋁合金的抗腐蝕疲勞性能。

綜觀國內外的研究，目前的研究對象多為尺寸較小的標準件試樣，采用的載荷譜也基本為等幅譜，而有關隨機譜作用下連接件的抗腐蝕疲勞性能的研究報道較少。本文采用標記載荷法和詳細目視檢測法，分析了在隨機載荷譜下腐蝕環境對7475鋁合金連接件的耐損傷疲勞性能的影響。

1 試驗件與材料

本研究的試驗件為梁下緣條根部連接區模擬件，試驗件由三部分組成，分別為內側梁結構、下壁板、肋中段，其中內側梁結構、下壁板的材料是7574-T7351鋁合金(其材料力學性能參數見表1[12])，而肋中段的材料是TA15合金，三板之間采用多排螺栓連接，螺栓連接段為試驗段，而梁模擬件、下壁板模擬件端頭采用15個鉚釘連接，如圖1所示。為模擬實際的結構，試驗件表面均涂有防護漆，連接處填充有密封膠。

表1 7475-T7351鋁合金力學性能Tab.1 Mechanical properties of 7475-T7351 aluminum alloy

2 試驗方法

圖1 試驗件外觀圖Fig.1 Appearance drawing of the specimen

試驗件分為兩組：第一組試驗件僅在室溫環境中受到疲勞載荷作用，該組試驗過程為：循環加載隨機載荷譜塊，直至試驗件受到破壞；第二組試驗件受到腐蝕環境與疲勞載荷循環作用，以模擬沿海飛機停放-飛行-停放過程，該組試驗的具體過程為：每進行10個周期的耐久性試驗后，再進行1次環境腐蝕試驗，腐蝕時間為18 h，以此反復，直至試驗件受到破壞。

2.1 環境譜

環境譜參考北大西洋公約組織在9個國家的實驗室開展預腐蝕對結構壽命影響研究時所用的實驗室加速環境譜[13]，由如下兩部分構成。

(1)酸性NaCl溶液浸泡。考慮飛機腐蝕環境要素主要為鹽霧、酸性氣體和潮濕空氣等，在質量分數為5%的NaCl溶液中加入少量稀H2SO4，使pH值達到4.0～4.5，以模擬鹽霧和酸性氣體的作用。

(2)溫濕環境下表面溶液的烘干過程。在40 ℃左右及相對濕度為90%～95%條件下，用遠紅外燈照射烘干試驗件，以模擬潮濕空氣及凝露的作用過程。

一個加速譜周期共45 min,其中，浸泡15 min,外烘烤30 min，分別見圖2、圖3。

圖2 浸泡腐蝕過程Fig.2 The process of soaking corrosion

圖3 烘干過程Fig.3 The drying process

本試驗在MTS電液伺服疲勞試驗機上進行，載荷加載采用力控制模式，加載頻率為50 Hz。為保證夾具與試驗件接觸良好，增加了墊片，疲勞試驗在室溫空氣介質中進行，見圖4。

圖4 疲勞試驗Fig.4 Fatigue test

2.2 標記載荷的確定

本疲勞試驗采用的是隨機譜，該譜塊包含約2.5萬對峰谷值。由于試驗譜是隨機的，每個載荷譜塊在試驗件斷裂時，在斷口處很難留下明顯的痕跡，尤其是螺栓連接件裂紋多從內部產生，先產生角裂紋后擴展到表面形成穿透裂紋，該段裂紋難以判讀，無法確定裂紋起裂的載荷譜塊數，因此需借助標記載荷留下的裂紋條帶進行分析[14]。依據雨流處理后的柱狀分布圖(圖5)和裂紋閉合效應，來確定標記載荷譜的應力比為0.6[15-16]，峰值為80 kN，谷值為48 kN，循環數為500。由于標記載荷譜的等效幅值小于疲勞極限即可認為標記載荷不會對試驗件的壽命產生影響，但當單個載荷譜塊加載完成后，能在斷口截面留下條帶標記，因此，標記載荷可用于記錄載荷譜塊的加載次數。圖6為加入標記載荷后的載荷譜局部圖。

圖5 雨流處理后載荷譜柱狀分布圖Fig.5 Columnar distribution of loading spectrum after rain

圖6 載荷譜局部圖(含標記載荷)Fig.6 The part drawing of load spectrum (including maker loads)

3 試驗結果分析

從下壁板的一面(即梁模擬件正面)可以看出，試驗件螺栓連接處(釘頭周圍)存在少量白色粉狀的腐蝕脫落物以及少量的鹽漬，如圖7所示。由此可知，此次試驗設定的腐蝕環境對下壁板螺栓連接處造成了輕微的腐蝕。

圖7 下壁板腐蝕情況(模擬件正面)Fig.7 The corrosion of the lower wall panel (front side of the specimen)

如圖8所示,從梁模擬件的反面可以看出，腐蝕環境對螺母、墊片以及外部的螺栓造成了較為明顯的腐蝕效果。但從試驗件(除去螺釘、螺栓與墊片部分)表面來看，此次試驗設定的腐蝕環境并未對試驗件表面的噴漆造成明顯的影響，表面的噴漆未出現明顯的脫落現象，結構件之間的密封膠也沒有脫落。

圖8 梁側腐蝕情況(模擬件反面)Fig.8 The corrosion of the beam side (back side of the specimen)

3.1 斷口裂紋條帶分析

本研究采用GE5顯微鏡分析斷口裂紋條帶，該設備可實現高分辨率圖像觀察、測量與存儲。因連接件的下壁板最先受到破壞而斷裂，故以下壁板為研究對象。由疲勞斷口的宏觀形貌(圖9)可知：疲勞裂紋均萌生于試驗件表面(即螺栓沉頭處)，這是因為裂紋形成時內部發生滑移和相互摩擦而使裂紋源處發亮。疲勞裂紋從源區向試驗件內部擴展，裂紋擴展區較為平坦。在空氣疲勞試驗中，因標記載荷法得到的條帶標記明顯，故可測得各標記條帶之間的間距，如圖10所示。

圖9 試驗件局部斷口(未經腐蝕處理)Fig.9 The fracture section of the test specimen (without corrosion)

圖10 試驗件中的裂紋條帶(未經腐蝕處理)Fig.10 Strip-band of the test specimen (without corrosion)

試驗中，在腐蝕介質與循環載荷交替作用下，穿透裂紋形成之后，腐蝕溶液進入到裂紋中，使得腐蝕裂紋條帶變得較為模糊，如圖11所示，且疲勞源附近的裂紋條帶均無法辨識，如圖12所示。

圖11 試驗件中的裂紋條帶(經腐蝕處理)Fig.11 Strip-band of the test specimen (with corrosion)

圖12 試驗件的疲勞源(經腐蝕處理)Fig.12 The fatigue source of the test specimen (with corrosion)

采用詳細目視檢測和裂紋條帶判讀的方法，記錄形成穿透裂紋所需的載荷譜塊數和下壁板斷裂破壞所需的載荷譜塊數，見表2，其中每個譜塊對應2.5萬個循環周次，可用來表征裂紋的擴展壽命。

表2 各階段所需的載荷譜塊數Tab.2 The number of load blocks required for each stage

由于試驗件表面的防護漆抗腐蝕性能較好，且連接處存在密封膠，因此腐蝕介質在裂紋穿透之前，對試驗件螺栓連接處內部造成的影響較小。通過對比兩種試驗形成裂紋穿透所需的載荷譜塊數可得，兩者裂紋擴展至表面形成穿透裂紋的擴展壽命僅相差5.5%。

當裂紋擴展至表面形成穿透裂紋時，腐蝕介質會進入試驗件內部，這會對試驗件裂紋擴展過程產生一定的影響。將穿透后的裂紋擴展壽命作對比得出：當受腐蝕作用的影響時，在指定的隨機載荷作用下，穿透裂紋的擴展壽命縮短了23.1%。

由下壁板完全斷裂時所加載的載荷譜塊數可得到下壁板完全斷裂時的循環次數，即可視為梁結構連接件的失效破壞時的循環次數，由此可知：該連接件受到腐蝕作用的影響時，整體壽命縮短了11.5%。

3.2 裂紋擴展過程分析

受到腐蝕作用的影響時，試驗件中由標記載荷法產生的裂紋條帶辨識度降低；而詳細目視檢測法可辨別出的最小可檢裂紋為3.75 mm。綜上所述，本文結合詳細目視檢測法與標記載荷法，對下壁板的裂紋擴展過程進行研究。選取初始長度約為4 mm的裂紋進行擴展，并對比分析未經腐蝕處理和腐蝕環境對裂紋擴展過程的影響，分別見圖13和圖14。

圖13 裂紋擴展曲線(未經腐蝕處理)Fig.13 The curve of the crack propagation (without corrosion)

圖14 裂紋擴展曲線(經腐蝕處理)Fig.14 The curve of the crack propagation (with corrosion)

由圖13和圖14可知，在隨機載荷作用下，腐蝕環境對裂紋擴展過程有明顯的加速作用，腐蝕環境還加劇了穿透裂紋擴展過程的分散性。

4 結論

(1)在裂紋成核及裂紋穿透階段，試驗件受到表面的防護漆及連接處的密封膠保護，腐蝕環境對該階段梁結構模擬件的疲勞壽命影響不明顯。

(2)腐蝕環境不僅加速了穿透裂紋的擴展過程，還加劇了穿透裂紋擴展過程的分散性。

(3)在腐蝕環境與疲勞載荷循環作用下，標記載荷法效果較差，需結合詳細目視檢測法或更先進的方法進行研究。