2B25铝合金材料腐蚀疲劳性能试验研究

李新宇，付 裕，熊峻江

（北京航空航大学交通科学与工程学院，北京 100191）

0 引 言

飞机金属材料结构件往往在腐蚀的环境中工作，同时还承受着交变载荷的作用；因此，飞机金属材料腐蚀疲劳问题必须受到高度重视。在航空用金属材料中，铝合金材料占到60%～90%，而这种材料对腐蚀疲劳非常敏感[1]。文献[2]研究发现，在3.5%盐水中，铝合金材料疲劳寿命甚至会降低一半以上。腐蚀环境加速铝合金疲劳裂纹形成的作用形式主要有点腐蚀、局部变形、氢脆及吸附作用4种[3]。张正贵等[4]研究发现，在3.5%盐水腐蚀条件下铝合金构件断口上不仅会出现疲劳裂纹，还会出现沿晶等断裂特征，疲劳失效形式是多裂纹断裂。孟祥琦[5]提出用腐蚀电极的电流强度来测量腐蚀速率的方法，并搭建了测量模型，研究铝合金在拉压状态下腐蚀开裂问题，发现了受压状态下新的开裂行为，并提出“腐蚀速率-时间-频率”的等效假设和以腐蚀速率和荷载频率为参量的腐蚀疲劳寿命评价模型。吴达鑫[6]在研究疲劳断口时发现，盐雾环境下，合金式样的腐蚀疲劳断口裂纹主要起源于表面，并且随着应力比的增加多疲劳源特征变得显著，腐蚀疲劳裂纹源区的解理特征更加明显，扩展区的疲劳条纹则也变得更加细密。黄小光[7]对腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理进行了研究，获得了点蚀演化与裂纹扩展过程的热力学判据，并且提出了腐蚀疲劳寿命评价模型。

在工程应用中，不同腐蚀环境对航空用铝合金材料构件疲劳寿命的影响大不相同；且对于不同外形（如是否具有沟槽等）的铝合金结构件，其腐蚀疲劳寿命受腐蚀环境的影响程度也不同。本文采用成组法分别研究了在3.5%NaCl溶液和1%油箱积水溶液两种腐蚀环境下，2B25铝合金材料的有沟槽圆杆试验件和光滑圆杆试验件的腐蚀疲劳性能。

1 腐蚀疲劳试验

试验件材料为2B25铝合金，试验件尺寸按照GB3075——1982《金属轴向疲劳试验方法》和HB/Z112——1986《材料疲劳试验统计分析》设计，如图1、图2所示。各自制作50件（试验件如图3、图4所示），分别取20件研究3.5%NaCl溶液环境下的腐蚀疲劳试验，再分别取20件研究1%油箱积水溶液环境下的腐蚀疲劳试验。

图1 有沟槽圆杆试验件设计图（单位：mm）

图2 光滑圆杆试验件设计图（单位：mm）

图3 有沟槽圆杆试验件实物图

图4 光滑圆杆试验件实物图

本次腐蚀疲劳试验按照GB3075——1982《金属轴向疲劳试验方法》和HB/Z112——1986《材料疲劳试验统计分析》的要求设计试验方案，以获得可靠的S-N曲线。为充分发挥溶液腐蚀作用，试验必须在低频试验机上进行，本次试验使用instron8801疲劳试验机。静载误差≤±1%；动载误差≤±3%，经国家计量部门检定合格。腐蚀疲劳试验装置还包括腐蚀介质盒、过滤器、测量仪、溶液箱、溶液循环泵和恒温器等设备（如图5所示）。

图5 腐蚀溶液循环系统

试验分为4类，即3.5%NaCl溶液环境下有沟槽圆杆试验件腐蚀疲劳试验、3.5%NaCl溶液环境下光滑圆杆试验件腐蚀疲劳试验、1%油箱积水溶液环境下有沟槽圆杆试验件腐蚀疲劳试验和1%油箱积水溶液环境下光滑圆杆试验件腐蚀疲劳试验。以上均采用成组法进行试验，每组5件试验件，对应于4种不同载荷值进行4组腐蚀疲劳试验，应力比为0.1，加载频率为10Hz/s。试验开始时，需要对试验件进行分组编号，然后在instron8801试验机上安装试验件，并使试验段完全浸于介质盒内的腐蚀液体环境中，一切就绪后，开始腐蚀疲劳试验。3.5%NaCl溶液环境下光滑圆杆试验件腐蚀疲劳试验过程如图6所示，中部拉断结果如图7所示。

2 试验数据处理与分析

在疲劳性能测试和可靠性设计过程中，在104～106寿命区间的S-N曲线常用双参数幂函数[8]表达式：

将式（1）作对数变换，得到：

令因变量 X=lgN；自变量 Y=lgSmax；a=lgC；b=-m，式（2）可写成：

此时，X与Y成直线关系。根据线性回归方法，可估计出待定常数m和C：

图6 3.5%NaCl溶液环境下光滑圆杆试验件腐蚀疲劳试验过程图

图7 3.5%NaCl溶液环境下光滑圆杆试验件腐蚀疲劳试验中部拉断结果图

将实验结果按照上述双参数法进行处理得到：有沟槽圆杆试验件在两种不同腐蚀环境下S-N曲线如图8所示；光滑圆杆试验件在两种不同腐蚀环境下S-N曲线如图9所示。可以看出，对于同种试验件，3.5%Nacl溶液和1%油箱积水溶液两种腐蚀环境对材料腐蚀疲劳性能的影响效果并不相同，3.5%Nacl溶液对试验件疲劳性能的影响更为显著，即在相同载荷条件下，3.5%Nacl溶液使得试验件腐蚀疲劳寿命变得更低。

图8 有沟槽圆杆试验件在两种不同腐蚀环境下S-N曲线

图9 光滑圆杆试验件在两种不同腐蚀环境下S-N曲线

图10 3.5%NaCl溶液腐蚀环境下两种不同试验件S-N曲线

图11 1%油箱积水溶液腐蚀环境下两种不同试验件S-N曲线

3.5%NaCl溶液腐蚀环境下两种不同试验件S-N曲线如图10所示；1%油箱积水溶液腐蚀环境下两种不同试验件S-N曲线如图11所示。可以看出，在相同的腐蚀环境下，有沟槽圆杆试验件的腐蚀疲劳性能低于光滑圆杆试验件。

3 结束语

本文使用成组法测定了两种腐蚀环境（3.5%Nacl溶液和1%油箱积水溶液）下2B25铝合金材料的有沟槽圆杆和光滑圆杆试验件的腐蚀疲劳S-N曲线，并通过对比曲线得出：1）对于同种试验件，3.5%Nacl溶液和1%油箱积水溶液两种腐蚀环境对材料腐蚀疲劳性能的影响效果并不相同，3.5%Nacl溶液对试验件腐蚀疲劳性能的影响更为显著，即当载荷条件相同时，3.5%Nacl溶液使得试验件腐蚀疲劳寿命变得更低；2）在相同的腐蚀环境下，有沟槽圆杆试验件的腐蚀疲劳性能低于光滑圆杆试验件。

[1]贺崇武，蔡新锁,李素强.飞机典型连接件腐蚀及腐蚀疲劳试验研究[J].腐蚀与防护，2006，27（3）：118-121.

[2]刘慧丛，谷岸，朱立群，等.局部包铝层对铝合金疲劳板材盐雾环境中点腐蚀的影响[J].航空材料学报，2009，29（4）:52-56.

[3]耿德平，宋庆功.航空材料腐蚀疲劳研究进展[J].腐蚀与防护，2011，32（3）：206-209.

[4]张正贵，周兆元，刘长勇.高强度铝合金构件腐蚀疲劳失效分析[J].中国腐蚀与防护学报，2008，28（1）：48-52.

[5]孟祥琦.铝合金材料的应力腐蚀及腐蚀疲劳特性实验研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[6]吴达鑫.3.5%NaCl盐雾环境下TA15合金的腐蚀疲劳行为研究[D].杭州：浙江大学，2011.

[7]黄小光.腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究[D].上海：上海交通大学,2013.

[8]熊峻江，高镇同.稳态循环载荷下疲劳断裂可靠性寿命估算[J]. 应用力学学报，1997，14(3)：16-20.