不同环境下对2D70铝合金低周疲劳性能的研究

施翔晶， 马 华

（洪都航空工业集团，南昌330024）

通常依据实验室空气环境下材料的低周疲劳 性能数据来估算飞机疲劳寿命。然而，飞机构件在服役期内会受到工业废气、潮湿天气等腐蚀，实际所处环境与实验室是不同的[1]。研究不同环境对金属材料低周疲劳行为的影响，对飞机结构的安全性和耐久性设计具有非常深远的意义。2D70铝合金是航空工业重要的难变形材料，在航空领域中应用广泛。目前国内外对2D70力学性能的研究，集中在拉伸性能[2－3]、持久蠕变性能[4]以及应力腐蚀敏感性[5]，对2D70在腐蚀环境的疲劳性能没有报道，对其他金属材料在腐蚀环境的疲劳性能研究也很少，仅限于湿空气、盐雾（NaCl）环境对疲劳裂纹扩展的影响[6－7]，硫化氢（H2S）环境疲劳试验的自动测控系统研制，腐蚀装置的设计[8]。本文通过对2D70铝合金在常规空气、湿空气、NaCl及NaCl＋SO24种环境进行低周疲劳试验，研究了不同环境对2D70铝合金低周疲劳性能的影响，并探讨了金属材料在腐蚀环境下低周疲劳试验研究策略。该研究成果已被成功应用于预测飞机机身在腐蚀环境下的低周疲劳寿命，对于修正机身在真实大气环境下的低周疲劳寿命意义重大，也可为类似环境下的工业设计提供参考。

1 试验方法和材料

在试验室空气、湿空气（RH≥90%）、3.5%NaCl和3.5%NaCl＋SO24种环境对2D70铝合金进行 低 周 疲 劳 试 验，参 照 GB／T15248—1994、ASTM B117—85及相关资料[8－9]进行。加载方式为轴向应变控制（应变比R＝－1），循环波形为三角波，应变速率为4×10－3（mm／mm）／s。每条应变—寿命曲线做6个应变水平，每个应变水平置信度达到90%。低周疲劳的循环应力—应变曲线（即循环σ－ε曲线）通常用Δσ／2－Δεp／2曲线表示，低周疲劳的应变—寿命曲线，通常用Δεt／2－2 Nf曲线表示。其中，εe为弹性应变；εt为总应变；εp为塑性应变；σ为循环应力；Nf为断裂循环周次；Δεe／2为弹性应变幅，值为（εemax－εemin）／2；Δεp／2为塑性应变幅，值为（εpmax－εpmin）／2；Δεt／2为总应变幅，值为Δεe／2＋Δεp／2；Δσ／2为循环应力幅，值为（σmax－σmin）／2；2 Nf为考虑到一个循环中包括载荷的两个方向，所以引出一个完整的循环中包括两个“反向”，即2 Nf称为反向次数。

试验结束后，在双对数坐标纸上绘制Δσ／2－Δεp／2曲线（即得到低周疲劳的循环应力—应变曲线）。绘制Δεe／2－2 Nf曲线及Δεp／2－2 Nf曲线，两者拟合得到Δεt／2－2 Nf曲线（即得到低周疲劳的应变—寿命曲线）。

试验材料为2D70铝合金，板厚40 mm，热处理状态为T6态，取样方向L向，性能参数见表1。试样采用直径分别为7 mm和6 mm等截面试样，标距10 mm。

表1 材料性能

2 试验装置

试验装置包括MTS 810液压伺服疲劳试验机、引伸计、腐蚀盒、保鲜膜、加湿器及SO2气瓶、气管等。

腐蚀盒参考吴宝娟等的设计[9]：用3 mm厚有机玻璃加工成圆柱形盒子，底部通过法兰连接试样，但上盖并未采用有机玻璃，而是使用保鲜膜用橡皮筋密封，这样有效解决了腐蚀盒中试样上安装引伸计难的难题。为了在实验室中制出NaCl＋SO2介质环境，创造性地运用了医用吊针，吊针针头扎在进气管上，吊针皮管则与SO2气瓶连接，腐蚀盒及进气管的连接如图1所示。

图1 腐蚀盒及进气管的连接示意图

3 试验难点

3.1 引伸计的安装

由于是低周疲劳试验，采用的是引伸计应变控制方式。在对每根试样进行试验时，发现因引伸计失稳，造成应变控制失效，最终试验失败的问题较严重。经过分析，得出几点原因：① 引伸计上、下两刀口分别通过橡皮筋固紧在试样上，如果两根橡皮筋固紧力相差较大，试验中引伸计极易失稳；② 腐蚀环境中，引伸计刀口固紧在试样上一段时间后，试样固紧处易过早出现疲劳损伤，造成应变控制失效；③引伸计刀口在腐蚀环境长期试验后，易产生缺口，使得试验中引伸计滑动。

针对以上影响因素，通过大量试验摸索，作出可行的解决办法：①引伸计刀口固紧在试样上时，调整两根橡皮筋固紧力一致；② 在试样与引伸计固紧处贴上透明胶带，使引伸计刀口不直接接触试样表面，防止试样过早破坏；③引伸计使用一段时间后，取下引伸计刀口，用金相砂纸打磨后再继续使用，或者更换刀口。避免因刀口损伤造成的应变控制失效。

3.2 腐蚀介质的流通

试验环境包括空气、湿空气、3.5%NaCl及3.5%NaCl＋SO24种环境，其中湿空气、3.5%NaCl及3.5%NaCl＋SO23种环境为腐蚀环境。试验时间一长，湿空气在连接管中冷凝成水，NaCl堵塞加湿器，造成腐蚀介质流通不畅，影响试验。为此，在试验过程中须经常观察腐蚀介质的流通状况，经常清洁加湿器易堵塞处，并经常疏通连接管。另外在NaCl＋SO2环境中，因SO2气体有剧毒，一定要将门窗打开，将SO2气体随时排出。

4 试验结果及分析

4.1 循环σ－ε曲线及应变—寿命曲线

4种环境试验得到的循环σ－ε曲线及应变—寿命曲线分别见图2和图3。

循环应力和低周疲劳寿命都是材料疲劳损伤的关键指标。循环应力表征的是材料在循环载荷下抵抗变形的能力。大多飞机构件由于拐角、圆孔、沟槽等的存在都有应力集中，当构件受循环应力时，虽然总体处于弹性范围内，但局部已进入弹塑性状态，处于循环应变的疲劳过程中，这类服役条件下的疲劳寿命一般小于105周次，称为低周疲劳。低周疲劳寿命即构件破坏前能承受应力循环的次数。

图2 4种环境的循环σ－ε曲线

图3 4种环境的应变—寿命曲线

由图2可看出，在同一坐标中对比4种环境下2D70的循环σ－ε曲线，应变相同时，循环应力大小为：空气＞湿空气＞NaCl＞NaCl＋SO2（横坐标为应变，纵坐标为应力）。

由图3可看出，在同一坐标对比4种环境下2D70的应变—寿命曲线，应变相同时，低周疲劳寿命大小为：空气＞湿空气＞NaCl及NaCl＋SO2，NaCl和NaCl＋SO2环境下2D70的低周疲劳寿命相近并为最低（横坐标为低周疲劳寿命，纵坐标为应变）。

4.2 低周疲劳试样断口

空气环境下的低周疲劳试样断口见图4和图5。腐蚀环境低周疲劳试样断口见图6和图7。由图4知，空气环境低周疲劳断口高差较大，裂纹起始于试样表面在图5中可见明显二次裂纹，并出现疲劳条带、韧窝，多为塑性条带。在图6和图7中，肉眼无法辨别腐蚀环境低周疲劳断口的疲劳源和裂纹扩展区，经200 ml∶80gCr2O3∶H2O的溶液清洗后微观观察，断裂起始于试样表面，断口呈沿晶特征，脆性条带较多。腐蚀环境由于含有水蒸气，与铝合金试样表面反应生成氯，易导致氢脆。若腐蚀介质中有NaCl，则会加速氢脆的发生。这也就验证了4.1节的结果分析。

图4 空气环境宏观断口

图5 空气环境微观断口

图6 腐蚀环境宏观断口

图7 腐蚀环境微观断口

5 结 语

在试验室空气、湿空气、NaCl及NaCl＋SO24种环境，当应变相同时，随腐蚀环境增强，2D70铝合金的循环应力降低；当应变相同时，2D70铝合金在NaCl及NaCl＋SO2两种环境下低周疲劳寿命相近，并且随腐蚀环境增强，低周疲劳寿命降低；随腐蚀环境增强，材料疲劳损伤程度越大。

[1] 李志义，丁信伟.金属材料的腐蚀疲劳[J].化工机械，1995，22（4）：239－242.

[2] 王国军，吕新宇，金龙兵，等.控制2D70铝合金热挤压棒材截面粗晶和力学性能的研究[J].铝加工，2008（3）：26－29.

[3] 王国军，熊柏青，张永安，等.固溶热处理对2D70合金挤压棒材组织与性能的影响[J].金属热处理，2010（3）：37－42.

[4] 杨守杰，黄 敏，朱 娜，等.2D70铝合金热稳定性研究[J].航空材料学报，2003（S1）：73－77.

[5] 张晓云，霍乾明，孙志华，等.高强铝合金在不同环境下的应力腐蚀行为[J].科学通报，2008（23）：2860－2864.

[6] Shih T T，Clark Jr W G.An evaluation of envir－onment enhanced fatigue crack growth rate testing as an accelerated static load corrosion test[J].Environment Sentive Fracture，1984（821）：325－340.

[7] Fabis T P.Computer－controlled fatigue crack gr－owth rate testing on bend bars in a corrosive environ－ment[J].Environment Sensitive Fracture，1984（821）：470－483.

[8] 董延军，张亦良，张 伟.低周腐蚀疲劳试验自动测控系统的研制[J].工程力学，2003，17（8）：169－172.

[9] 吴宝娟，於孝春.疲劳机上腐蚀装置的设计[J].管道技术与设备，1995（6）：10－12.