用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型

张福泽

空军装备研究院 航空装备研究所， 北京 100076

用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型

张福泽*

空军装备研究院 航空装备研究所， 北京 100076

通过对金属腐蚀T-H曲线和温湿谱的腐蚀损伤研究，找到一种用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型。这种计算金属日历寿命的模型，只要给出真实使用环境下的腐蚀T-H曲线和温湿谱，就可计算出金属真实使用日历寿命。通过对30CrMnSiA钢的日历寿命实例计算结果与真实环境下的腐蚀试验结果的比较得到，相对误差是17.5%，这说明该日历寿命计算模型和方法是有效的。

腐蚀损伤； 日历寿命； 温湿谱；T-H曲线； 计算模型

在国际上，至文献[1-7]发表之前，没有用真实使用环境参数计算金属日历寿命的公式和方法，机械在自然使用环境下的日历寿命无法真正可靠地给出，由此引发了一些重大事故的发生。文献[1-7]给出了用真实环境参数计算或试验给出机械使用日历寿命的理论体系，且已在少数飞机日历寿命确定的实践中，验证了其正确性和有效性，可以推广使用。为了更深化和完善这一理论体系，本文进一步从腐蚀损伤方面研究给出机械在真实使用环境下的日历寿命计算原理和模型，使金属日历寿命计算又有一种技术途径。

1 用金属腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理

1.1 金属腐蚀试验T-H曲线

本文作者在文献[1]中，通过理论分析和腐蚀试验数据找到如图1和图2所示的金属腐蚀试验温度(T)与试验时间(H)的T-H曲线。之后，又在北京航空材料研究院试验出铝合金(LY12CZ和LC4CS)以及钢合金(30CrMnSiA)的T-H曲线，如图3～图5[7]所示。这些曲线表明，金属腐蚀是存在T-H曲线的，这些试验规律曲线是本文进一步研究用金属腐蚀损伤计算日历寿命的基础，因此在此列出。

图1 18种金属混合T-H试验曲线[1]Fig.1 T-H curve of mix test of 18 metals[1]

图2 K5金属腐蚀的T-H曲线[1]Fig.2 T-H curve of corrosion of K5 metal[1]

图3 LY12CZ腐蚀1 mm的T-H曲线[7] Fig.3 T-H curve of 1 mm depth of corrosion of LY12CZ[7]

图4 LC4CS腐蚀1 mm的T-H曲线[7] Fig.4 T-H curve of 1 mm depth of corrosion of LC4CS[7]

图5 30CrMnSiA腐蚀1 mm的T-H曲线[7] Fig.5 T-H curve of 1 mm depth of corrosion of 30CrMnSiA[7]

1.2 T-H曲线特性分析

1)T-H曲线分布规律：从图1～图5表明，在给定的环境介质、湿度(RH)和腐蚀容限Dc情况下，随腐蚀试验温度(T)的提高，试验时间(H)呈降低趋势，而且这种趋势在不同金属材料中是不同的，表明它们腐蚀速率不同。这与疲劳领域S-N曲线的规律是一致的。

2)T-H曲线是幂函数曲线：由于T-H曲线与S-N曲线分布规律一致，S-N曲线可用幂函数表达式(NSm=c)描述，因此，T-H曲线也可以用幂函数(HTm=c)来描述。式中：m和c为材料常数。

3)T-H曲线有一个临界值：从图1～图5可看出，当腐蚀试验温度降低到某一个值时，T-H曲线趋向水平线，这个值为腐蚀温度的临界值(Tc)。它的物理含义是，在腐蚀试验中，当试验温度降到Tc时，金属接近不腐蚀，这也与疲劳领域的S-N曲线一致。

1.3 恒温T-H曲线上某一点的腐蚀损伤表达式

图6 标准的T-H曲线Fig.6 Standard T-H curve

(1)

2 用腐蚀损伤计算金属日历寿命的模型

2.1 温湿谱T-H曲线上某一点腐蚀损伤的表达式

所谓温湿谱的T-H曲线，就是各试验点用温湿谱试验出的T-H曲线。假定温湿谱T-H曲线与恒温谱T-H曲线是等损伤的。现假设用k种温度和n种湿度组成的温湿谱试验，共试验λ个温湿谱块达到恒温T-H曲线上第i点的腐蚀损伤值Di，由此可得温湿谱试验的T-H曲线上第i点腐蚀损伤的表达式为

(2)

2.2 用腐蚀损伤求日历寿命的模型

由式(1)和式(2)，可得

(3)

(4)

式中：Hi为T-H曲线线性段中任意点i的Ti对应的Hi值。

2.3 m的取值

1)m的理论值

HTm=c

(5)

对式(5)取对数，可得

lgH=lgc-mlgT

(6)

式中：由于lgc是常数，因此m是lgH与lgT的函数，即m可由lgH与lgT的双对数坐标中的一条线性线求取。但需要进行多种金属材料和多种腐蚀环境的试验才能获得m具体的理论计算值，有待专项研究。

2)m的经验取值

工程上一般是通过试验给出一些参考经验值，在疲劳领域，试验经验值是：裂纹形成寿命m=3～7，裂纹扩展寿命m=2～4。本文计算用的m值是根据已有的试验数据，通过试算找到一个m=2的腐蚀损伤(HTm)最接近试验结果，因此在本文日历寿命计算的算例中，取m=2。

3 算例与试验比较

3.1 30CrMnSiA钢日历寿命的计算

1) 取日历寿命计算模型，即式(4)。

2) 设定：30CrMnSiA合金钢的腐蚀损伤容限是200 g/m2；m=2(经验值)。

3) 选取计算用的温湿谱。

取文献[8]中的表8，列入本文的表1。

4) 选取计算用的试验H值。

式(4)模型中的H值是从T-H曲线中得到的，文献[9]中用海南陵水介质成分和含量进行30CrMnSiA合金钢的T-H曲线测试。本文为了计算该金属材料的日历寿命，现取文献[9]中44页上对本文计算有用的H试验数据，列入表2。

5) 计算30CrMnSiA钢的日历寿命。

① 计算HT2，结果如表3所示。

用表1中的2种RH温湿谱，计算结果如表4和表5所示。

表1海南陵水的温湿谱[8]

Table1TemperatureandhumidityspectrumofLingshui,Hainan[8]

RH/%hi/h(每级温度的时间)T=25℃T=30℃T=35℃合计/h901067248．4 39100 516．8212．8125．12209．1

表2 30CrMnSiA在RH=90%的H值[9]Table 2 H value of 30CrMnSiA for RH=90%[9]

表330CrMnSiA在RH=90%、Dc=200g/m2下的HT2计算结果

Table3HT2calculationresultsof30CrMnSiAforRH=90%andDc=200g/m2

T/℃253035H/h375082701616525HT2234425002431440020243125

注：表中H值取自表2。

表4RH=90%的温湿谱损伤计算结果

Table4DamagecalculationresultsoftemperatureandhumidityspectrumforRH=90%

T/℃253035hi/h1067248．439hiT2i66687522356047775(∑ki=1hiTmi)1938210

注：表中hi值取自表1。

表5RH=100%的温湿谱损伤计算结果

Table5DamagecalculationresultsoftemperatureandhumidityspectrumforRH=100%

T/℃253035hi/h516．8212．8125．1hiT2i323000191520153248(∑ki=1hiTmi)2667768

注：表中hi值取自表1。

938 210+667 768=1 605 978

③ 计算30CrMnSiA钢的日历寿命。

把表4中的3种温度对应的HT2值分别除以温湿谱的总损伤值，即得

λ平均=14.1 a

3.2 30CrMnSiA钢日历寿命的试验结果

30CrMnSiA钢的试验日历寿命取自文献[10]，试验温湿谱与本文计算用的温湿谱相同，都是海南陵水地区的实测数据并按等腐蚀损伤编制而成，如表1所示，腐蚀容限值也与3.1节中计算取值相同。

文献[10]根据海南陵水地区介质成份、浓度和表1的温湿谱进行腐蚀试验得出(具体试验过程不重复)：30CrMnSiA钢在海南陵水地区，腐蚀损伤容限Dc=200 g/m2，试验的日历寿命为12.0 a。

3.3 30CrMnSiA钢日历寿命计算值与试验值的比较

在同一海南陵水环境和各自同一腐蚀损伤容限情况下，用本文模型理论计算的日历寿命和文献[10]中试验的日历寿命如表6所示。由表6可知，对于30CrMnSiA钢，试验结果比理论计算结果低17.5% 。

关于本文模型式(4)中m的取值问题。由于国际上在腐蚀领域尚未开展对m值的研究，给不出准确的m值，因此本文在算例中经验地用m=2进行30CrMnSiA钢的日历寿命计算，计算结果与试验值还较吻合，但在同样条件下，用m=2计算LY12CZ铝的日历寿命，其结果与试验值相差237%。这说明不同材料有不同的m值，不能混用，也说明只要给出准确的m值，用模型式(4)计算的日历寿命是有效的。因此在腐蚀领域应加强对不同材料、不同结构的m值研究，以提供准确的m值，供日历寿命计算使用。

表6 30CrMnSiA钢日历寿命的计算结果与试验结果的比较

4 结 论

2) 为了日历寿命计算需要，应加强腐蚀领域不同材料和不同结构的m值研究，只要给出准确的m值，用模型式(4)计算的日历寿命是准确有效的。

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Theoryandmodelformetalcalendarlifecalculatedbycorrosiondamage

ZHANGFuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

ThetheoryandmodelforthemetalcalendarlifecalculatedbycorrosiondamageisdiscussedbasedontheresearchontheT-Hcurveandtemperatureandhumidityspectrumofmetalcorrosiondamage.Thismodelproposedisabletocalculatethemetal’srealcalendarlifewhenthecorrosionT-Hcurveandthetemperatureandhumidityspectrumintherealoperationalenvironmentareprovided.Acomparisonoftheresultsofthecalendarlifecalculationof30CrMnSiAsteel,withtheexperimentresultsintherealenvironmentshowsthattherelativeerrorofthesteelis17.5%.Thecomparisonresultshowsthatthismodelandmethodforcalculatingthemetalcalendarlifeisfeasible.

corrosiondamage;calendarlife;temperatureandhumidityspectrum;T-Hcurve;calculationmodel

2017-01-06；Revised2017-03-10；Accepted2017-04-26；Publishedonline2017-05-220914

URL：http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171116.html

.E-mailzhangfuzemail@163.com

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2017.221111

V215.5

A

1000-6893(2017)11-221111-06

2017-01-06；退修日期2017-03-10；录用日期2017-04-26；< class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-05-220914

http://hkxb.buaa.edu.cn/CN/html/20171116.html

.E-mailzhangfuzemail@163.com

张福泽. 用腐蚀损伤计算金属日历寿命的原理和模型J． 航空学报,2017,38(11):221111.ZHANGFZ.TheoryandmodelformetalcalendarlifecalculatedbycorrosiondamageJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(11):221111.

(责任编辑：徐晓)