合金鋼材料服役環境下預腐蝕疲勞壽命分析方法研究

張安琴，劉治國，王江

（1.中國航發貴陽發動機設計研究所，貴陽 550081； 2.海軍航空大學青島校區，青島 266041）

引言

0Cr16Ni系列合金鋼材料目前已成為航空發動機用結構材料，在裝備臨海/瀕海服役條件下，該材料構件面臨著海洋性環境腐蝕作用，會萌發腐蝕損傷。根據以往研究可知[1]，腐蝕損傷在裝備載荷工況條件下會誘發疲勞裂紋萌生，并加快裂紋擴展，降低材料斷裂韌性，最終影響材料/結構的剩余強度和疲勞壽命。

航空裝備金屬結構腐蝕損傷對疲勞壽命的影響，物理過程可視為地面停放腐蝕損傷與空中飛行疲勞損傷交替作用的過程，即腐蝕…疲勞…再腐蝕…再疲勞…直至破壞的過程。工程上對該類問題研究總體上采用簡化物理過程的研究方法，將腐蝕與疲勞分離[1-2]，分別開展腐蝕試驗、預腐蝕后疲勞試驗，然后再依據試驗結果開展試驗分析。其中試驗分析是將材料疲勞性能和循環載荷下結構響應作為輸入，基于一定的疲勞損傷累積法則，計算、分析相關結構/材料疲勞壽命。根據固體力學中疲勞理論與斷裂力學范疇的劃分，試驗分析計算相關結構預腐蝕疲勞壽命具體可分為基于S-N曲線的腐蝕疲勞壽命分析方法、基于ε-N曲線的腐蝕疲勞壽命分析方法和基于斷裂力學da/dN～△K的曲線的腐蝕疲勞壽命分析方法[3,4]。

在上述研究的基礎上，本文根據腐蝕條件下航空裝備結構疲勞壽命評定的通用方法[4-6]，引入腐蝕影響系數，用其綜合反映環境腐蝕和疲勞載荷對結構疲勞壽命的影響，通過開展0Cr16Ni系列合金鋼材料材料試件模擬服役環境的仿真加速腐蝕試驗和預腐蝕一定當量日歷年限下試件的疲勞試驗方法，根據試驗數據，建立對疲勞壽命具有影響作用的腐蝕影響系數C-T曲線表達式，通過該曲線進行材料服役環境下疲勞壽命分析，探究該研究思路與方法的可行性。

1 加速腐蝕試驗

為使腐蝕試驗結果與裝備服役狀態下腐蝕狀態相近，依據文獻[7-11]設計0Cr16Ni系列合金鋼材料仿真加速腐蝕試驗方案，該方案中的環境介質及其作用強度、作用規律如圖1所示，其中介質環境為5 %（質量百分比）NaCl水溶液摻入稀H2SO4、使其PH=4±0.2的弱酸性溶液，一個試驗周期內溶液內浸泡與溶液外烘烤的交變次數為335次，其中每次溶液內浸泡4.35 min，溶液外烘烤14.63 min，方案中合計試驗時間為105.96 h的腐蝕作用，相當于0Cr16Ni系列合金鋼材料在服役環境下1個當量日歷年限時間的腐蝕強度。

圖1 0Cr16Ni系列合金鋼加速腐蝕試驗方案

依據試驗方案，共開展9個當量日歷年限的仿真加速腐蝕試驗，每周期試件數量為5件，采用KH-7700科視達三維顯微鏡對各個周期、各個試件表面進行腐蝕損傷觀測，部分試件表面腐蝕形貌如圖2中所示。總體而言，第5個當量日歷年限下試件表面開始出現明顯腐蝕損傷，主要表現為變色、斑點，后逐漸加重。至第9當量日歷年限，試件表面腐蝕區域較多，形成區域化斑點損傷。

圖2 典型當量日歷年限下試件表面形貌

2 預腐蝕后高溫低周疲勞試驗與數據處理

參照GB/T 15248-2008《金屬材料軸向等幅低循環疲勞試驗方法》，依托MTS 370.1電液伺服疲勞試驗機，采用軸向等幅加載的方式開展低周疲勞試驗。具體而言，首先在300 ℃、應力比R=0.05、頻率f=3 Hz條件下，使0當量日歷年限（未腐蝕）試樣的最低循環周次不低于50000次，摸索出試驗最大應力，確定最大應力后在相同試驗條件下對預腐蝕分別為4、7、9當量日歷年限的試件進行低周疲勞試驗，獲得不同預腐蝕當量日歷年限下材料的疲勞壽命。部分預腐蝕試件疲勞試驗數據如表1所示。

表1 低周疲勞試驗數據

考慮到后續數據分析的合理性，需要對上述試驗數據進行顯著性差異對比分析。具體采用兩種方法，即在置信度95 %下，使用萊文檢驗，T4與T0、T7與T0、T9與T0組間，三組數據顯著性均大于0.05，方差齊性；同時T4與T0、T7與T0、T9與T0組間，使用T檢驗，T0與T4無顯著性差異，T0與T7，T0與T9顯著性小于0.05顯著性差異，認為不同當量日歷年限下的試件疲勞壽命的均值顯著性差異，具體結果見表2所示，對數壽命統計均值見表3所示。

表3 疲勞壽命數據統計

3 合金鋼材料服役環境下疲勞壽命分析

3.1 腐蝕影響系數

從上述試驗數據統計分析及表2中可知，可以認為預腐蝕不同時間，對0Cr16Ni系列合金鋼材料的疲勞壽命產生了影響，預腐蝕時間越長，影響越明顯。由此，結合文獻[11-14]中方法，采用腐蝕影響系數表征環境腐蝕對材料疲勞壽命的影響。

表2 顯著性檢驗

腐蝕影響系數的定義參考文獻[4-6]中所述，具體為：

式中：

（Ni）50—預腐蝕第i周期試件的中值疲勞壽命，單位為循環次數；

（N0）50— i在本試驗中的單位為當量日歷年限，未腐蝕條件下試件的中值疲勞壽命；

Ci—第i年的腐蝕影響系數。

（Ni）50與（N0）50按照下式進行計算：

式中：

li和l0—預腐蝕第i當量日歷年限和未腐蝕年限試件的個數；

Nij和N0j—預腐蝕第i當量日歷年限和未腐蝕的第j個試件的疲勞壽命值。

基于上述推導與分析，則可計算不同預腐蝕周期Ti（當量日歷年限）下的腐蝕影響系數Ci，且可知該系數與腐蝕周期Ti相關，即可以建立C-T曲線，該曲線表達了試件疲勞壽命隨預腐蝕周期的變化規律。

3.2 基于腐蝕影響系數的疲勞壽命分析

文獻[4-6]中C-T曲線表達式通常采用C=1-βTα和C=exp（βTα）兩種形式。則根據T0、T4、T7疲勞試驗數據和表達式（1）～（3），計算得到不同預腐蝕當量年限下的腐蝕影響系數Ci和C-T曲線擬合曲線，具體結果見表4所示，計算過程不再詳述。

采用表4中獲得的腐蝕影響系數和擬合曲線，分別計算和預測T9、T15當量日歷年限下0Cr16Ni系列合金鋼材料低周疲勞壽命，具體結果見表5所示。

表4 腐蝕影響系數計算結果

表5 基于腐蝕影響系數的疲勞壽命分析結果

4 討論

上述計算結果可見，對于預腐蝕9個當量日歷年限的試件而言，采用C=1-βTα和C=exp（βTα）兩種形式腐蝕影響系數計算疲勞壽命的結果精度都比較理想，都在3 %以內。對比而言，C=exp（βTα）形式的腐蝕影響系數計算結果精度相對較高，由該形式預測得到的15個當量日歷年限下的合金鋼對數低周疲勞壽命為3.9494，該壽命值與未腐蝕試件壽命值相比，降低了約19.7 %，即20 %左右。

從上述低周疲勞壽命計算與預測的分析結果可見，表象為0Cr16Ni系列合金鋼材料疲勞壽命與預腐蝕當量日歷年限相關，而預腐蝕當量日歷年限決定著試件的腐蝕損傷狀態，如前腐蝕試驗所述，因此合金鋼材料試件疲勞壽命演變本質是與腐蝕損傷狀態相關，眾多文獻[11-15]研究表明，在表征腐蝕損傷狀態的多個參量（腐蝕損傷表面長度/寬度/損傷深度以及點蝕率等）中，腐蝕損傷的深度參量對疲勞壽命的影響十分顯著，究其物理本質為，腐蝕損傷處的應力集中現象與其深度相關，通常隨著腐蝕損傷深度的不斷加深，在損傷處的應力集中現象就會越嚴重，從而更容易引發疲勞裂紋的萌生和擴展，降低材料的疲勞壽命。而金屬材料腐蝕損傷深度參量在其腐蝕初期與中期，通常與腐蝕周期呈正相關關系，因而，本試驗中0Cr16Ni系列合金鋼材料疲勞壽命隨其預腐蝕當量日歷年限的延長呈逐年降低變化。

5 結論

本文依次開展了0Cr16Ni系列合金鋼材料試件模擬服役環境的9個當量日歷年限仿真加速腐蝕試驗和部分預腐蝕年限后的低周疲勞試驗，采用試驗數據并基于腐蝕影響系數方法，探究了該合金鋼材料在服役環境條件下的低周疲勞性能演變規律。研究發現：

1）材料試件在加速腐蝕試驗環境下，于第5個當量日歷年限下試件表面開始出現輕微變色、斑點腐蝕損傷征狀，后逐漸加重，至第9當量日歷年限試件表面普遍形成區域化斑點損傷狀態。

2）采用萊文方差等同性檢驗和平均值等同性T檢驗方法，對不同預腐蝕當量日歷年限試件的低周疲勞試驗數據進行均值顯著性差異對比分析，各個年限下均值顯著性差異。

3）基于試驗數據建立的腐蝕影響系數C-T曲線，表達式分別為：C=1-0.00548T1.33、C=exp（-0.0053T1.37）。

4）低周疲勞壽命分析方面，兩種形式的腐蝕影響系數計算疲勞壽命的結果相對誤差都在3 %以內，C=exp（-0.0053T1.37）形式的腐蝕影響系數計算結果精度相對較高，由該形式預測得到的15個當量日歷年限下的合金鋼對數低周疲勞壽命值與未腐蝕試件壽命值相比，降低了約19.7 %，即20 %左右。