裝備關(guān)重件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜編制方法研究

趙朋飛，辛燕，孫頡，魏小琴，王剛

（1.航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

近年來，隨著飛機(jī)及機(jī)載裝備在沿海、島礁及艦載平臺(tái)部署和服役時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，在使用過程中發(fā)現(xiàn)由腐蝕和腐蝕疲勞作用造成的破壞現(xiàn)象越來越多[1-3]。例如，某艦載裝備腐蝕和老化問題嚴(yán)重，陀螺、高度表、駕駛儀、雷達(dá)及伺服機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品均出現(xiàn)各種功能失靈和性能故障；某機(jī)載裝備出現(xiàn)螺釘銹蝕、艙體涂層脫落、緊固件及關(guān)重承力構(gòu)件（如吊掛結(jié)構(gòu)）出現(xiàn)腐蝕疲勞裂紋等。由于這些地區(qū)氣候環(huán)境條件惡劣，常年高溫、高濕、高鹽霧、光照強(qiáng)、雨量充沛，部署于這些地區(qū)的機(jī)載裝備經(jīng)常面臨潮濕空氣、海水和鹽霧等氣候環(huán)境的侵襲。同時(shí)，機(jī)載裝備戰(zhàn)備值班時(shí)間延長(zhǎng)及周期不固定等要求的新變化，給裝備結(jié)構(gòu)帶來更為嚴(yán)酷的誘發(fā)力學(xué)環(huán)境和動(dòng)態(tài)載荷。裝備結(jié)構(gòu)件在存放腐蝕環(huán)境與值班交變載荷的交互、協(xié)同作用下，必然加速防護(hù)涂層失效，抗疲勞能力降低，腐蝕疲勞壽命顯著縮短。研究表明[1,4-5]，大氣腐蝕效應(yīng)影響著疲勞裂紋的起始及擴(kuò)展，而交變應(yīng)力等動(dòng)態(tài)載荷又能加速結(jié)構(gòu)裂紋表面的腐蝕進(jìn)程。因此，應(yīng)特別注意裝備腐蝕環(huán)境侵蝕與動(dòng)態(tài)疲勞載荷聯(lián)合作用引發(fā)的腐蝕疲勞破壞。針對(duì)裝備關(guān)重件服役經(jīng)歷的腐蝕-疲勞協(xié)同效應(yīng)，開展環(huán)境/載荷譜設(shè)計(jì)及腐蝕-疲勞加速試驗(yàn)方法研究，為裝備結(jié)構(gòu)件的耐久性分析、損傷容限設(shè)計(jì)及日歷壽命評(píng)定等工作提供技術(shù)支撐，不斷提升我國(guó)武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性及服役壽命評(píng)價(jià)水平。

1 腐蝕-疲勞協(xié)同作用的特點(diǎn)

裝備構(gòu)件大多數(shù)在使用過程中，除了受到環(huán)境的腐蝕作用外，還要經(jīng)歷使用載荷的協(xié)同作用，并對(duì)構(gòu)件性能及使用壽命產(chǎn)生強(qiáng)烈的影響。例如，吊掛結(jié)構(gòu)處于機(jī)身和裝備結(jié)構(gòu)連接/過渡的界面位置，將直接承受機(jī)身和裝備之間的誘發(fā)載荷和復(fù)雜應(yīng)力的傳遞，并且振動(dòng)和沖擊能量很可能在吊掛連接界面處得到有效放大，屬于飛機(jī)-裝備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)，部分類型吊掛結(jié)構(gòu)處于非密閉機(jī)艙內(nèi)，無論是地面停放和空中掛飛都將受到大氣腐蝕因素的侵蝕。尤其是裝備掛機(jī)反復(fù)值班和高難度訓(xùn)練等使用過程，吊掛構(gòu)件將經(jīng)受惡劣的交變載荷和環(huán)境腐蝕的綜合作用。結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞破壞直接關(guān)系到飛機(jī)以及掛載裝備的飛行安全，一旦損壞，引發(fā)的后果將是致命性的。

根據(jù) GB/T 10123—2001中有關(guān)術(shù)語和定義[6]，腐蝕是金屬與環(huán)境間的物理-化學(xué)相互作用，其結(jié)果使金屬的性能發(fā)生變化，并常可導(dǎo)致金屬、環(huán)境或由它們作為組成部分的技術(shù)體系的功能受到損傷。腐蝕環(huán)境效應(yīng)是指裝備產(chǎn)品處于腐蝕體系的任何部分因腐蝕作用而引起的變化。疲勞定義引用美國(guó)試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（ASTM E206-72）的表述[7-9]：在某點(diǎn)或某些點(diǎn)承受擾動(dòng)應(yīng)力，且在足夠多的循環(huán)擾動(dòng)作用之后，形成裂紋或完全斷裂的材料中所發(fā)生的局部的、永久結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展過程。根據(jù)載荷因素類型的不同，一般可分為應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕可看作是腐蝕范疇的局部腐蝕破壞，對(duì)敏感材料-特定環(huán)境-拉伸應(yīng)力的組合條件要求較為苛刻；而腐蝕疲勞是由交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境協(xié)同或聯(lián)合作用引起構(gòu)件提前開裂或斷裂失效，一般具有如下特征[10-12]。

1）金屬材料腐蝕環(huán)境下抗疲勞性能的降低。相同應(yīng)力水平作用下，腐蝕疲勞壽命遠(yuǎn)比常態(tài)疲勞壽命要短，在干疲勞極限附近，壽命會(huì)縮短至10%以下。

2）材料腐蝕疲勞曲線沒有水平段。腐蝕疲勞情況下只能測(cè)定條件疲勞極限，不會(huì)出現(xiàn)與應(yīng)力水平完全無關(guān)的水平線段。

3）腐蝕疲勞性能與載荷循環(huán)加載的頻率和波形強(qiáng)烈相關(guān)。在相同循環(huán)次數(shù)下，頻率越高，腐蝕疲勞強(qiáng)度越高。加載頻率越低，每一循環(huán)內(nèi)與腐蝕環(huán)境共同作用的時(shí)間越長(zhǎng)，腐蝕疲勞破壞就越嚴(yán)重。

4）腐蝕疲勞斷裂的裂紋形態(tài)也具有特殊性。腐蝕疲勞由許多腐蝕損傷而發(fā)展的原始裂紋，斷口上有多個(gè)斷裂源，且裂紋多為穿晶型裂紋發(fā)展為沿晶斷裂或穿晶和沿晶的混合斷裂，而常態(tài)干疲勞損傷源通常只有一個(gè)，多為穿晶裂紋發(fā)展為穿晶斷裂。

5）腐蝕疲勞受尺寸效應(yīng)影響與常態(tài)干疲勞不同。常態(tài)干疲勞下碳鋼、低合金鋼、鋁合金和鈦合金的疲勞極限均隨試樣截面尺寸增加而降低，這種尺寸效應(yīng)在腐蝕疲勞條件下出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。

6）與應(yīng)力腐蝕損傷相比，腐蝕疲勞損傷沒有明顯的合金-環(huán)境組合要求。即金屬的腐蝕疲勞沒有環(huán)境選擇性，幾乎所有金屬在任何腐蝕環(huán)境下都會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞效應(yīng)。

2 腐蝕-疲勞協(xié)同作用的環(huán)境/載荷譜編制方法

2.1 腐蝕環(huán)境譜

某裝備在交付部隊(duì)使用后，除了經(jīng)受地-空-地循環(huán)重復(fù)載荷外，長(zhǎng)時(shí)間遭受著氣候環(huán)境和誘發(fā)化學(xué)、熱環(huán)境的聯(lián)合侵襲。大量研究及外場(chǎng)數(shù)據(jù)表明[3-4,13-14]，腐蝕損傷會(huì)顯著破壞裝備結(jié)構(gòu)的完整性，并降低材料的疲勞強(qiáng)度，縮短其服役壽命。建立與裝備對(duì)應(yīng)的使用環(huán)境譜，是做好腐蝕設(shè)計(jì)與控制、腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)壽命評(píng)定及耐久性分析等工作的關(guān)鍵。使用環(huán)境譜一般指裝備各個(gè)部位經(jīng)歷的無差別環(huán)境或戶外環(huán)境，主要包括地面存放環(huán)境譜和空中飛行環(huán)境譜。局部環(huán)境是造成裝備結(jié)構(gòu)具體腐蝕損傷的決定性因素，從而引起裝備各個(gè)部位的腐蝕程度不盡相同。利用自然環(huán)境譜研究裝備環(huán)境效應(yīng)和腐蝕壽命的時(shí)間是漫長(zhǎng)的，需要利用當(dāng)量加速等效關(guān)系將自然環(huán)境譜轉(zhuǎn)化為加速腐蝕試驗(yàn)譜進(jìn)行試驗(yàn)，以快速獲得裝備的腐蝕行為與性能退化規(guī)律。使用環(huán)境譜和當(dāng)量加速腐蝕試驗(yàn)譜的編制原則及一般方法可參考文獻(xiàn)[13-17]研究?jī)?nèi)容。

2.2 疲勞載荷譜

對(duì)于裝備關(guān)重件結(jié)構(gòu)地面耐久性試驗(yàn)，載荷譜是一項(xiàng)很關(guān)鍵的輸入內(nèi)容和前提條件，直接影響到試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短和試驗(yàn)結(jié)果的可信性。編制的疲勞載荷譜應(yīng)合理可行、符合結(jié)構(gòu)件實(shí)際承載歷程，且盡可能與其預(yù)期使用工況一致，這對(duì)裝備構(gòu)件的耐久性分析及試驗(yàn)驗(yàn)證具有十分重要的意義。疲勞試驗(yàn)原則上應(yīng)盡可能模擬構(gòu)件載荷歷程的實(shí)際狀況，但由于受到地面模擬試驗(yàn)?zāi)芰蛟囼?yàn)成本等因素的限制，疲勞試驗(yàn)譜一般需要進(jìn)行簡(jiǎn)化以達(dá)到便于實(shí)施的目的。結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)通常首先需要進(jìn)行簡(jiǎn)化和加重處理，然后按照損傷等效方法對(duì)載荷譜進(jìn)行合并和排序，即可得到結(jié)構(gòu)件的疲勞載荷試驗(yàn)譜（如程序塊譜），具體數(shù)據(jù)處理方法和編制原則可參考文獻(xiàn)[9,18-19]內(nèi)容。

2.3 環(huán)境/載荷譜編制原則

編制環(huán)境/載荷譜的目的是在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬和加速裝備結(jié)構(gòu)使用過程中經(jīng)歷的腐蝕-疲勞協(xié)同作用環(huán)境效應(yīng)。腐蝕-疲勞試驗(yàn)的模擬性與加速性較好，確保結(jié)構(gòu)失效機(jī)理與裝備實(shí)際使用情況保持一致。編制裝備腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷譜一般包括以下基本考慮和原則[9,18,20]。

1）推薦按照“環(huán)境服從載荷”的原則編制，以疲勞載荷精確設(shè)計(jì)為主，粗略考慮腐蝕環(huán)境因素。交變載荷是造成結(jié)構(gòu)損傷和開裂的主導(dǎo)因素，環(huán)境的作用是“雪上加霜”。

2）載荷幅值、載荷作用順序及加載頻率是載荷譜編制的重要參數(shù)，對(duì)裝備結(jié)構(gòu)疲勞損傷起到了關(guān)鍵作用。

3）腐蝕環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷取決于環(huán)境因素強(qiáng)度及環(huán)境譜作用時(shí)間的長(zhǎng)短，作用時(shí)間短，環(huán)境譜造成腐蝕破壞作用就非常有限。

4）地面環(huán)境條件嚴(yán)酷，腐蝕介質(zhì)濃度高，且存放時(shí)間長(zhǎng)，該腐蝕過程對(duì)裝備腐蝕損傷起到了主導(dǎo)作用。空中環(huán)境量值較低，腐蝕介質(zhì)濃度隨高度增加而逐漸降至非常低的水平，同時(shí)單次飛行暴露時(shí)間短暫（相對(duì)于地面存放時(shí)間），對(duì)裝備腐蝕的貢獻(xiàn)比例從工程意義上通常可以忽略不計(jì)。

5）應(yīng)嚴(yán)格保證疲勞載荷的大小、作用順序、頻次按照典型任務(wù)剖面的載荷順序進(jìn)行排列，然后將地面環(huán)境和空中環(huán)境合理地匹配和組合，從而保證了載荷作用的順序效應(yīng)及與環(huán)境作用的疊加、協(xié)同效應(yīng)，在機(jī)理上貼合裝備實(shí)際使用的客觀事實(shí)。

2.4 環(huán)境/載荷譜編制方法

裝備結(jié)構(gòu)件的環(huán)境/載荷譜通常以裝備的典型任務(wù)剖面為基礎(chǔ)，遵循載荷譜細(xì)化及環(huán)境譜覆蓋的原則，采用環(huán)境譜和載荷譜按照“地—空—地”順序組合的方式進(jìn)行編制。按照裝備環(huán)境譜和載荷譜各自的幅值變化和組成形式，一般可分為恒載單一常環(huán)境型、恒載組合常環(huán)境型、變載單一常環(huán)境型、變載單一環(huán)境型、變載組合常環(huán)境型和變載組合變環(huán)境型等類型環(huán)境/載荷譜[9,18]。以編制變載組合變環(huán)境型環(huán)境/載荷譜為例，一般包括如下步驟。

1）根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)組成及自然環(huán)境暴露情況，選取遭受疲勞載荷作用和腐蝕環(huán)境影響嚴(yán)重的關(guān)鍵部位和典型結(jié)構(gòu)件。

2）依據(jù)裝備結(jié)構(gòu)使用載荷譜，確定所選結(jié)構(gòu)載荷作用點(diǎn)的局部載荷譜（或應(yīng)力譜）。

3）將選定結(jié)構(gòu)部位的局部載荷譜轉(zhuǎn)化為相應(yīng)構(gòu)件的試驗(yàn)載荷譜。

4）根據(jù)裝備結(jié)構(gòu)型式及使用環(huán)境譜，確定所選結(jié)構(gòu)部位的局部環(huán)境譜。

5）將所選結(jié)構(gòu)部位的局部環(huán)境譜當(dāng)量轉(zhuǎn)化為加速腐蝕環(huán)境譜，并包括地面存放加速環(huán)境譜和空中加速環(huán)境譜。

6）地面存放加速環(huán)境譜主要用于結(jié)構(gòu)試件預(yù)腐蝕和疲勞試驗(yàn)間隙的交替腐蝕作用，空中加速環(huán)境譜用于結(jié)構(gòu)試件疲勞試驗(yàn)過程中腐蝕環(huán)境應(yīng)力的協(xié)同加載。

7）將疲勞載荷譜與加速腐蝕環(huán)境按照任務(wù)剖面順序組成“地—空—地”或程序塊譜的環(huán)境/載荷譜，并確定空中腐蝕疲勞試驗(yàn)間隙（兩個(gè)疲勞加載周期之間）對(duì)試件施加何種環(huán)境（空中加速環(huán)境譜、地面存放環(huán)境譜或干燥空氣條件），以用于裝備結(jié)構(gòu)試件的腐蝕疲勞試驗(yàn)。

在上述步驟中，第 3）步試驗(yàn)載荷譜的編制和第 5）步加速腐蝕環(huán)境譜的編制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)試件腐蝕-疲勞試驗(yàn)的模擬性與加速效果，將對(duì)裝備結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)和壽命評(píng)定工作產(chǎn)生重要影響。

3 裝備關(guān)重件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜實(shí)例

3.1 裝備壽命-環(huán)境剖面分析

某型裝備的服役壽命歷程一般包括地（艦）面庫(kù)房存放、測(cè)試維護(hù)、待命準(zhǔn)備、戰(zhàn)備值班、掛飛等主要事件，大致可以劃分為地（艦）面存放—空中飛行—地面存放（即“地—空—地”）的周期循環(huán)過程。其中地（艦）面存放及測(cè)試維護(hù)時(shí)間占據(jù)大部分的服役日歷壽命（約占 95%以上），并經(jīng)受地面存放大氣環(huán)境的腐蝕作用，其余時(shí)間主要為裝備戰(zhàn)備值班的掛飛過程，經(jīng)受載機(jī)掛飛振動(dòng)引起的交變載荷與空中腐蝕環(huán)境的協(xié)同作用。環(huán)境/載荷譜表示裝備結(jié)構(gòu)件經(jīng)受環(huán)境-載荷作用的時(shí)間歷程，典型地—空—地環(huán)境/載荷-時(shí)間歷程如圖1所示。

圖1 裝備結(jié)構(gòu)件典型地—空—地環(huán)境/載荷時(shí)間歷程Fig.1 Typical time period of ground-sky-ground environment & load spectrum for materiel structure

3.2 腐蝕環(huán)境試驗(yàn)譜

以裝備服役期面臨的島礁或艦面海洋大氣環(huán)境為例，按照腐蝕環(huán)境試驗(yàn)譜的設(shè)計(jì)方法，由環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析和當(dāng)量腐蝕加速得到的地面存放大氣環(huán)境譜[15]及加速腐蝕試驗(yàn)譜見表1。目前，加速腐蝕試驗(yàn)譜一般包括鹽溶液周期浸潤(rùn)試驗(yàn)和鹽霧噴淋試驗(yàn)等類型，文中采用一種典型的酸性鹽霧干濕循環(huán)試驗(yàn)方法進(jìn)行說明，以便于實(shí)現(xiàn)腐蝕應(yīng)力與疲勞載荷的原位交替或協(xié)同施加。

表1 加速腐蝕試驗(yàn)譜（酸性鹽霧干濕循環(huán)）Tab.1 Accelerated corrosion test spectrum(dry and wet cycle of acidic salt mist)

由于空中大氣環(huán)境及腐蝕介質(zhì)數(shù)據(jù)隨飛行高度變化的規(guī)律復(fù)雜，且實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M和加速等效較為困難。空中掛飛總時(shí)間相對(duì)于地面存放時(shí)間較短，并且腐蝕環(huán)境與疲勞載荷的協(xié)同效應(yīng)是一個(gè)緩慢的促進(jìn)過程。從便于工程實(shí)施的角度考慮，偏冒險(xiǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以忽略空中腐蝕時(shí)間及腐蝕作用效果，即在結(jié)構(gòu)試件掛飛疲勞加載期間不疊加腐蝕環(huán)境。偏安全設(shè)計(jì)時(shí)，可以在結(jié)構(gòu)試件疲勞加載期間疊加與地面腐蝕模擬相同的試驗(yàn)條件，以對(duì)試件腐蝕-疲勞協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行加嚴(yán)考核。

3.3 疲勞試驗(yàn)載荷譜

以裝備吊掛結(jié)構(gòu)件為例，按照疲勞試驗(yàn)載荷譜的設(shè)計(jì)方法，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)編制的疲勞試驗(yàn)載荷譜見圖2和表2。載荷譜根據(jù)飛機(jī)典型飛行任務(wù)剖面，給出地面滑行、離場(chǎng)機(jī)動(dòng)、爬升突風(fēng)、平飛突風(fēng)、平飛機(jī)動(dòng)、下滑突風(fēng)、進(jìn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)和著陸撞擊共8種任務(wù)段，并按任務(wù)段組合了吊掛結(jié)構(gòu)載荷作用點(diǎn)的疲勞載荷值及施加次數(shù)。

圖2 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞載荷施加示意Fig.2 Schematic drawing of hanging structure fatigue load imposed

3.4 腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜

基于編制的腐蝕環(huán)境試驗(yàn)譜及疲勞試驗(yàn)載荷譜，利用腐蝕-疲勞協(xié)同作用環(huán)境/載荷譜的編制原則和方法，結(jié)合某裝備服役壽命-環(huán)境剖面，按照“地—空—地”的周期循環(huán)過程對(duì)環(huán)境譜和載荷譜進(jìn)行組合和編排，即可得到裝備吊掛結(jié)構(gòu)試件的腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜（如圖3所示），也稱為試驗(yàn)剖面。試驗(yàn)時(shí)，吊掛結(jié)構(gòu)試件需要循環(huán)執(zhí)行如圖3所示的環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜（試驗(yàn)剖面），直至試件發(fā)生失效或達(dá)到其它試驗(yàn)終止條件。

在圖3所示參數(shù)中，地面存放腐蝕試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間t1=tm/a。a為加速腐蝕試驗(yàn)譜對(duì)于目標(biāo)存放環(huán)境的加速系數(shù)，tm為實(shí)際地面存放時(shí)間平均值。空中掛飛疲勞試驗(yàn)譜施加次數(shù)N=（N0·t0）/L，N0為擬驗(yàn)證的裝備掛飛次數(shù)，t0=(tm+t2)·a，表示執(zhí)行完 1次“地—空”應(yīng)力加速試驗(yàn)所等效的實(shí)際使用時(shí)間，L為擬驗(yàn)證的裝備設(shè)計(jì)使用壽命。空中掛飛腐蝕試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間t2等同于執(zhí)行完N次疲勞試驗(yàn)譜的時(shí)間。

表2 吊掛結(jié)構(gòu)疲勞載荷譜數(shù)據(jù)Tab.2 Fatigue load spectrum data of hanging structure

圖3 吊掛結(jié)構(gòu)試件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜（試驗(yàn)剖面）Fig.3 Corrosion-fatigue environment & load test spectrum of hanging structure specimen (test section)

4 結(jié)語

文中針對(duì)某裝備關(guān)重件在服役過程中經(jīng)歷的大氣腐蝕與動(dòng)態(tài)疲勞綜合應(yīng)力，分析了腐蝕環(huán)境與疲勞載荷的協(xié)同作用過程與環(huán)境效應(yīng)特點(diǎn)，歸納出基于腐蝕-疲勞協(xié)同作用的環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜編制原則及一般方法，并給出吊掛結(jié)構(gòu)件腐蝕-疲勞環(huán)境/載荷譜及當(dāng)量加速試驗(yàn)譜的編制實(shí)例。裝備相關(guān)耐腐蝕及腐蝕-疲勞性能試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該環(huán)境/載荷試驗(yàn)譜激發(fā)的結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律與外場(chǎng)失效過程大致相近，可用于研究裝備關(guān)重件的腐蝕-疲勞協(xié)同環(huán)境效應(yīng)及加速試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法等工作。