空气环境对预腐蚀2XXX系铝合金疲劳性能的影响

马少华，回 丽，许 良，周 松

（沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳110136）

0 引 言

飞机上的很多结构或构件经常在各种各样的腐蚀性环境中工作，如潮湿空气、海水、盐雾、受工业污染的大气以及机舱内的积水等，因而受循环载荷和腐蚀环境的复合作用而经常发生腐蚀疲劳破坏。大量飞机失效、灾难性事故的分析结果表明，飞机最主要的损伤形式为腐蚀损伤和疲劳损伤，而疲劳损伤又多半在腐蚀性环境中发生，由于飞机目前所用材料多为铝合金，因此研究腐蚀环境对铝合金疲劳损伤行为的影响，对于飞机结构的安全性和耐久性具有重要意义［1-3］。

近年来，国外针对以飞机结构损伤为背景的疲劳及腐蚀疲劳进行了大量研究［4-5］，如北大西洋公约组织早在20世纪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等典型环境对其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。国内亦进行了大量关于腐蚀对材料疲劳寿命影响的研究，如包俊成等［6］研究了钛合金BT20焊接接头疲劳寿命和腐蚀环境之间的关系，并建立了疲劳曲线的回归方程，分析了应力比和疲劳强度之间的关系；鲍蕊等［7］研究了潮湿空气环境对2024-T3铝合金疲劳性能的影响；张有宏等［8］对预腐蚀后的LY12CZ铝合金进行了疲劳试验以及腐蚀疲劳试验，得到了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；张海威等［9］对2A12铝合金进行了预腐蚀和腐蚀疲劳交替进行的腐蚀疲劳试验，将腐蚀疲劳交替条件下的理论疲劳寿命和实际疲劳寿命进行对比，并观察了不同腐蚀条件下的断口形貌。

2XXX系高强度铝合金具有密度低、强度高、加工性能好及焊接性能良好等综合性能，长期以来被广泛应用于航天、航空及民用工业等领域，尤其是在航空工业中有着十分重要的地位，是航空工业中的主要结构材料之一［10］。潮湿空气是一种典型的单一介质环境，对铝合金的疲劳性能具有显著影响。为研究不同空气环境对预腐蚀铝合金疲劳寿命和疲劳强度及其分散性的影响，作者对预腐蚀后的2XXX系铝合金在实验室空气和潮湿空气环境下进行了疲劳试验，并对其疲劳性能进行了对比。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

在厚度为2.5mm的新型2XXX系高强度铝合金薄板（化学成分见表1）上，沿轧制方向加工轴向疲劳试样（光滑试样和缺口试样），它们的形状和尺寸如图1所示。进行疲劳试验前先对试样进行预腐蚀处理，即将其在室温下浸泡于质量分数为3.5%的NaCl溶液中，24h后取出并去除表面的腐蚀产物，然后用去离子水清洗干净后吹干，放入干燥器中备用。

表1 2XXX系铝合金的化学成分（质量分数）Tab.1 Chemical composition of 2XXX aluminum alloy（mass） %

图1 疲劳试样的形状与尺寸Fig.1 Shape and dimension of fatigue specimens：（a）smooth specimen and（b）notched specimen

1.2 试验方法

依据 HB 5287-1996，采用 MTS 810-100KN型电液伺服材料疲劳试验机在实验室空气环境和潮湿空气环境下进行疲劳试验，试验加载频率为10Hz，加载波形为正弦波，应力比为0.5，最大应力为135～460MPa。实验室空气环境的温度为（20±5）℃，相对湿度小于50%。采用水蒸发法实现潮湿空气环境，将湿棉球置于疲劳试验装置内，并使装置内的相对湿度大于90%，试验过程中用电子湿度计监控疲劳试验装置内的湿度。

采用成组法确定试样的中值S-N 曲线［11］。保证试验数据分散在4级应力水平上，试样数量的要求为最少获得5个有效数据，并且要满足由变异系数确定的最少试样数量，中值疲劳寿命区间为104～5×105。

采用日立S-3400N型扫描电子显微镜观察疲劳试样在两种空气环境下的疲劳断口形貌。

2 试验结果与讨论

2.1 疲劳性能

2XXX系铝合金在两种空气环境下的疲劳寿命结果如表2所示。参照HB/Z 112-1986《材料疲劳试验统计方法》处理试验数据，用小子样数据估计母体参数，根据表2及式（1～3）分别计算潮湿空气和实验室空气环境下子样的平均值ˉx、标准差s和变异系数Cv，结果见表2。

要使得到的疲劳安全寿命具有一定的置信度，则必须要有足够的试样。考虑到制样成本，疲劳试验试样的数量有限，此时可以借助单侧容限因数k给出具有置信度γ和可靠度P的疲劳安全寿命。一般情况下，疲劳寿命服从对数正态分布，腐蚀只降低材料的疲劳寿命，并不改变寿命的概率分布规律［11］。那么可靠度P的对数疲劳安全寿命可表示为：

为了使估计出的疲劳安全寿命不超过真值，可用式（6）所示的单侧容限因数k取代uP，那么具有置信度γ和可靠度P的对数疲劳安全寿命可由式（7）计算得出。

式中：uP和uγ分别为与可靠度P和置信度γ相关的标准正态偏量；为对应任一可靠度P 的疲劳安全寿命估计量。

取可靠度为99%，查表得uP＝-2.326，取置信度γ为95%，查表得uγ＝1.645［11］。根据式（4～7）计算可得到在99%可靠度、95%置信度、相对误差不超过±5%下的疲劳安全寿命，如表2所示。

2.2 疲劳寿命曲线

根据表2的试验结果，以最大应力为纵坐标、疲劳寿命N为横坐标，绘制2XXX系铝合金在两种空气环境下的中值疲劳寿命曲线以及估算出的疲劳安全寿命曲线，如图2所示。

图2 2XXX系铝合金不同试样在实验室空气和潮湿空气环境下的疲劳寿命曲线Fig.2 Fatigue life curves of different 2XXX aluminum alloy specimens in lab air and wet air environments：（a）smooth specimen and（b）notched specimen

由图2可见，在实验室空气和潮湿空气环境下，光滑试样的疲劳寿命明显高于缺口试样的。这是因为光滑试样上无应力集中，而缺口试样中部边缘的缺口处存在着较大的应力集中，当施加相同的名义应力时，缺口试样中部所受的实际应力要明显大于光滑试样的，因此缺口试样的疲劳寿命要比光滑试样的短。此外，对于光滑试样而言，其在潮湿空气环境下的中值疲劳寿命明显低于在实验室空气环境下的，且疲劳寿命数据都比较分散，应力水平越低数据越分散。这是因为在低应力水平时，试样的疲劳寿命变长，局部的微观塑性变形较小，使得裂纹萌生阶段变长，裂纹扩展阶段所占比例变小，加之裂纹的形成又受到材料微观结构、局部组织缺陷及周围环境等多种因素的影响，所以疲劳寿命数据的分散性变大。对于缺口试样而言，其在潮湿空气环境下的中值疲劳寿命略低于在实验室空气环境下的，且疲劳寿命数据均比光滑试样的集中。这是因为应力集中加速了裂纹的扩展，缩短了裂纹的萌生阶段，减小了裂纹萌生阶段所占疲劳寿命的比例，因此疲劳寿命数据比较集中。

另由图2可以看出，在中等疲劳寿命区（N＝105周次）处，光滑试样在潮湿空气和实验室空气环境下的疲劳强度分别为367MPa和386MPa，而缺口试样的则分别为197MPa和208MPa。这说明在中等疲劳寿命区，腐蚀环境对疲劳强度具有较大影响。

表2 2XXX系铝合金不同试样在实验室空气和潮湿空气环境下的疲劳试验结果Tab.2 Fatigue experiment results of different 2XXX aluminum alloy specimens in lab air and wet air environments

2.3 疲劳断口形貌

通过对两种空气环境下疲劳断口形貌进行观察可以发现，两种试样的疲劳断口均主要由3个区域组成：疲劳裂纹萌生和早期扩展区、稳态扩展区和快速断裂区。疲劳裂纹源主要集中在试样表面，如图3和图4所示，图中箭头所指为疲劳裂纹的萌生部位。在实验室空气下的断口在裂纹扩展初期呈现出高低不平的结晶学小平面和河流花样，稳定扩展区则呈现为疲劳条带，且多为塑性条带。在潮湿空气环境下，水蒸气引起的氢脆占支配地位，因此潮湿空气环境下的疲劳断口多呈解理、准解理形貌，脆性条带数量明显增加，以疲劳裂纹源为中心向外辐射的放射台阶和条纹与裂纹的扩展方向一致。

通常情况下，光滑试样的疲劳裂纹源为一个或两个，而缺口试样的往往存在多个，且会出现二次裂纹。由于缺口处存在应力集中，在外加载荷作用下，缺口部位将会出现应力和应变的不均匀分布，尤其是对疲劳敏感的表面，应力和应变都会出现峰值，这极易导致缺口表面多个位置满足裂纹萌生的条件，因此缺口试样一般存在着多个疲劳裂纹源［12］。光滑试样和缺口试样裂纹萌生位置的示意如图5所示，光滑试样裂纹萌生形式主要是单裂纹，在试样表面靠近边角处萌生形成主裂纹，而缺口试样裂纹萌生形式为多裂纹，在试样缺口的几个边角处形成多裂纹。

2.4 讨 论

实验室空气环境所受污染较小，温度和湿度也适中，因此对合金各疲劳寿命的影响较小。而潮湿空气环境中含有大量水蒸气，这些水蒸气极易在铝合金表面或裂纹尖端新露出的滑移台阶上形成薄水膜，这层薄水膜与可逆滑移相互干涉，从而使薄水膜破裂促使裂纹扩展；另一方面疲劳裂纹扩展形成的新鲜表面在潮湿空气环境下可以与水发生反应生成原子氢，反应式［13-14］为2Al＋ 3H2O →Al2O3＋6［H］，原子氢具有较强的活性，其形成后首先被吸附在铝合金表面，进而向裂尖前缘的塑性变形区扩散，进入到铝合金的晶内和晶界，从而引起应力集中导致铝合金发生氢脆。结合文献［3］分析可以得出，潮湿空气环境使铝合金疲劳寿命降低的主要原因是铝合金表面的薄水膜加速了裂纹的扩展以及原子氢引起的局部损伤。

3 结 论

（1）预腐蚀2XXX系铝合金光滑试样在潮湿空气和实验室空气环境下的疲劳寿命明显高于缺口试样的。

（2）预腐蚀2XXX系铝合金在潮湿空气下的中值疲劳寿命低于在实验室空气下的；光滑试样的疲劳寿命数据比较分散，缺口试样的则比较集中。

（3）潮湿空气环境下铝合金疲劳寿命较低的主要原因是铝合金表面的薄水膜加速了裂纹的扩展以及原子氢引起的局部损伤。

图3 2XXX系铝合金不同试样在实验室空气环境下的疲劳断口形貌Fig.3 Fatigue fracture appearances of different 2XXX aluminum alloy specimens in lab air environment：（a）smooth specimen，at low magnification；（b）smooth specimen，at high magnification；（c）notched specimen，at low magnification and（d）notched specimen，at high magnification

图4 2XXX系铝合金不同试样在潮湿空气环境下的疲劳断口形貌Fig.4 Fatigue fracture appearances of different 2XXX aluminum alloy specimens in wet air environment：（a）smooth specimen，at low magnification；（b）smooth specimen，at high magnification；（c）notched specimen，at low magnification and（d）notched specimen，at high magnification

图5 光滑试样和缺口试样裂纹萌生位置的示意Fig.5 The diagram of crack initiation location for smooth specimen（a）and notched specimen（b）

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