盐水环境对预腐蚀铝合金腐蚀疲劳性能的影响

回 丽， 周 松， 许 良， 马少华， 王 岩， 张莹莹

（沈阳航空航天大学航空制造工艺数字化国防重点学科实验室，沈阳 110136）

飞机在实际使用中会遇到各种各样的有害环境，如潮湿空气、海水、盐雾、大气中的工业污染以及来自机舱内的污染等［1，2］。大量飞机失效、破坏、灾难实例分析的结果表明，腐蚀损伤和疲劳损伤是两类最主要的飞机损伤形式，而疲劳损伤又多半在腐蚀环境中产生［2，3，12］。

近年来，国外对以飞机结构损伤为背景的疲劳及腐蚀疲劳做了大量的研究［4～9］，如北大西洋公约组织在70年代后期就对典型飞机结构连接件展开了温度、湿度、盐雾、盐雾+SO2等典型环境对疲劳寿命影响的系统研究，包括单一环境或其组合的预腐蚀后的疲劳试验、单一或组合环境与载荷谱共同作用的腐蚀疲劳试验，以及预腐蚀后的腐蚀疲劳试验等。国内关于腐蚀对铝合金材料疲劳寿命的影响做了大量的研究［10～12，3］，但是在预腐蚀损伤对材料疲劳寿命影响的研究方面很少，只有对几种典型材料经过预腐蚀后的腐蚀疲劳寿命的研究，如张有宏［4］、匡林［13］等对 LY12CZ 铝合金预腐蚀后疲劳和腐蚀疲劳试验，得出S-N曲线，初步建立了腐蚀损伤与疲劳寿命降低之间的关系。

本工作研究了航空金属材料7XXX铝合金预腐蚀后在实验室空气环境和盐水环境下的疲劳寿命试验，研究盐水环境对疲劳寿命和疲劳强度及其分散性的影响。

1 试验过程

1.1 试样

轴向疲劳试件，L方向取样，光滑试样（Kt=1）和缺口试样（Kt=3）。试样由φ＜22mm棒材加工而成，为了便于在腐蚀环境下进行试验，选用漏斗形试样（见GJB1997—94），其形状如图1所示。化学成分见表1，部分力学性能见表2。

图1 Kt=1和Kt=3的低周疲劳试样形状图Fig.1 the shape of specimens（Kt=1and Kt=3）under low cycle fatigue

1.2 试验环境

（1）实验室空气:温度 20±5℃，湿度小于50%。

（2）盐水环境:含3.5%NaCl去离子水，试验段完全浸没于盐水溶液中，溶液为连续循环。

表1 7XXX铝合金棒材化学成分含量（质量分数/%）Table 1 The chemical composition of 7XXX Aluminum alloy bar（mass fraction/%）

表2 7XXX铝合金棒材的部分力学性能Table 2 Part of mechanical properties of 7XXX aluminum alloy bar

1.3 试验内容

试验在MTS 810-100KN电液伺服材料疲劳试验机上进行，其静态拉向示值相对误差为±0.20%，动态拉向示值相对误差为±1.86%（试验机满足HB5287的要求），腐蚀疲劳试验的加载频率为10Hz，加载波形为正弦波，应力比为0.5。腐蚀装置为自制介质盒，保证试验数据分散在4～5级应力水平上，试件个数要满足由变异系数确定的最少试件数，中值疲劳疲劳寿命区间104～5×105。

2 试验结果与分析

2.1 寿命曲线的对比

7XXX铝合金疲劳寿命结果如表3所示。其宏观断口形貌如图2所示。

图2 7XXX铝合金疲劳宏观断口形貌Fig.2 macro-fracture surface of 7XXX aluminum alloy （a）Kt=1，R=0.5，salt water environment;（b）Kt=1，R=0.5，wet air environment;（c）Kt=3，R=0.5，salt water environment;（d）Kt=3，R=0.5，wet air environment

用小子样数据估计母体参数，根据表3数据及式（1），（2），（3）分别计算盐水环境、实验室空气环境下子样的平均值¯x、标准差s和子样变异系数Cv，结果如表3。

在本研究的试验中，疲劳试验子样的个数并不很多，未能满足测定具有一定可靠度和置信度的安全疲劳寿命和安全疲劳强度所需的试验个数的要求（只满足置信度95%，误差限5%），此时可借助单侧容限因数k，给出具有置信度γ和可靠度P的安全疲劳寿命或安全疲劳强度。

假设对数疲劳寿命遵循正态分布，可靠度P的对数安全寿命可表示为

表3 7XXX铝合金疲劳寿命试验结果Table 3 Fatigue life experiment results of 7XXX Aluminum alloy

式中uP和uγ分别是与可靠度和置信度γ相关的标准正态偏量，可由P查表获得uP，在置信度 γ为95%时，uγ=1.645。

在上述基础上，具有置信度γ和可靠度P的安全对数寿命有下式计算

2.2 断口形貌

利用KYKY-2800B扫描电子显微镜对不同实验环境下的疲劳断口形貌进行了观察，如图5所示。由图5可知，试样在盐水环境中腐蚀疲劳裂纹萌生部位与空气中疲劳裂纹萌生部位位置基本上一致，均在表面点蚀处，如图中箭头所示。这说明预腐蚀损伤对其寿命的长短起很大影响，腐蚀坑加剧了试样的应力集中，盐水环境只是改变了裂纹的萌生时间，但对应力集中点的改变却不明显，盐水环境只是加剧了这种应力集中效应，从而引起疲劳寿命的改变。从图中可以观察到疲劳断口上多呈解理、准解理形貌，以疲劳源为中心向一方辐射的放射台阶和条纹，放射台阶和条纹与裂纹扩展的方向一致。通常情况下，Kt=1的试样在两种环境下疲劳源数目为一个（图5a，d），而Kt=3的试样在两种环境下疲劳源数目不止一个，有两个或两个以上，图5c，d中只给出其中的一处疲劳源。

图5 7XXX铝合金疲劳显微断口形貌Fig.5 The micro fracture appearance of 7XXX aluminum alloy fatigue

3 结论

（1）得到可靠度为50%的预腐蚀7XXX铝合金在盐水环境和实验室空气环境下的中值疲劳寿命曲线和在可靠度为99%、置信度为95%时的安全疲劳寿命曲线。

（2）预腐蚀7XXX铝合金在盐水环境下的中值疲劳寿命低于空气环境下的疲劳寿命。空气环境下子样的疲劳寿命数据比较分散，应力水平越低越分散。

（3）Kt=1时在高应力水平上，盐水环境下疲劳寿命降低不多，是空气环境疲劳寿命的22.71%，而在低应力水平上盐水环境的疲劳寿命降低显著，是其空气环境疲劳寿命的2.22%。Kt=3时的盐水疲劳寿命在不同应力水平上的降低几乎相当，是其空气环境疲劳寿命的20.25%。

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