典型材料在腐蚀环境下裂纹扩展速率研究

李万，张红飞，韩亮，赵连红，梅晓峰，李世龙

（1.海装驻武汉地区第五军事代表室，武汉 440205；2.中国特种飞行器研究所 结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，荆门 448035；3.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083）

引言

铝合金的比强度和比刚度高、塑性好、易于成形，是目前飞机的主要结构材料，其中2000系列高强度铝合金与7000系列超高强度铝合金因其优良的高强度和高抗疲劳性能[1,2]，被用作F22飞机机体内部的框架、加强肋、腹板、接头件及部分蒙皮，其用量占前机身的50 %、中机身的35 %、后机身的22 %、中央翼的23 %。随着飞机在沿海地区和海域的服役机会逐渐增多，严酷海洋环境引起铝合金材料产生腐蚀，在腐蚀环境和载荷的共同作用下，极易发生疲劳开裂等现象，降低飞机结构的使用寿命，因此腐蚀环境对铝合金力学性能——特别是裂纹扩展性能的影响引起了国内外学者的广泛关注。刘铭、宫玉辉等[3,4]对7475铝合金在不同腐蚀环境下的疲劳性能与裂纹扩展特性进行了研究。Wang[5]研究了应力比、载荷频率对LY12CZ铝合金CT试样裂纹扩展速率的影响。张波等[6]研究了频率对LY12CZ铝合金在3.5 % NaCl溶液中腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。本文选取7140-T7451典型铝合金材料，通过开展实验室空气与室温、潮湿空气、3.5 % NaCl、油箱积存水4种环境下的疲劳裂纹扩展试验，得到不同环境对裂纹扩展速率影响系数。

1 试验方法

1.1 试样制备

试样材料为7140-T7451厚板，热处理状态为固溶热处理，其化学成分如表1所示。试样形式采用标准中心-拉伸M（T）疲劳裂纹扩展速率试样，长度350 mm，宽度100 mm，厚度1.6 mm，中心线切割缺口长度12 mm，材料取向为L-T，如图1所示。

图1 中心裂纹拉伸M（T）试样

表1 试验材料的化学成分（质量分数，%）

1.2 试验标准及设备

疲劳裂纹扩展试验方法参考GB/T 6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》进行。

试验设备为INSTRON 8801-100 kN疲劳试验机，腐蚀环境盒由透明有机玻璃制成，套在试件工作段，用高分子胶密封；环境盒内部空间足够大，确保含水介质体积与试样被浸表面比值大于20 ml/cm2；环境盒上有液体入口和出口，外接循环装置。

裂纹长度通过表面直读系统观测，系统由电移台控制器、OISC0033步进电机控制器、显微观测装置（数字化照相系统）、环形灯四部分组成，裂纹长度判读精度：0.005 mm。

1.3 裂纹扩展试验

试验环境分别为：

1）室温大气环境

温度为（25±4）℃，相对湿度RH=（20～70）%。

2）潮湿空气环境

温度为（25±4）℃，相对湿度RH≥90 %。

3）3.5 % NaCl溶液环境

3.5 % NaCl溶液，它的配置按质量计算在96.5份蒸馏水溶解3.5（±0.5）份盐。

4）油箱积存水环境

根据《飞机结构金属材料力学性能手册》中油箱积存水配置，如表2所示。

表2 油箱积存水成份

裂纹扩展试验采用恒幅加载方式，波形为正弦波，试验频率为5 Hz，应力比为0.06，根据GB/T 6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》，试验过程中，通过表面直读系统对裂纹长度进行监测，每3 000次循环间隔记录裂纹扩展（a，N）数据，并观察裂纹扩展路径。

2 数据处理

2.1 裂纹扩展公式

迄今为止，工程上比较实用的腐蚀疲劳裂纹扩展速率表达式尚缺少[7-11]。为了方便工程应用，通常采用的标准裂纹扩展公式如下：

式中：

R—应力比；

Kmax—试验交变应力峰值对应的应力强度因子；

△K—应力强度因子变程，△K=Kmax（1-R）；

MT—材料的裂纹扩展许用值，以各种环境下的裂纹扩展许用值和该环境百分比系数加权给出；其中单一环境下的材料裂纹扩展许用值用MT表示。

式中：

MB—标准实验室空气环境下材料的裂纹扩展额定值；

me—计及非标准环境的修正系数。

2.2 公式的等价变换

1） 室温大气环境下裂纹扩展速率公式

室温大气环境下载荷频率和应力比给定，且me=mf=mr=1，则式（1）为Paris公式：

其中，Paris公式的斜率参数n0=p，

2）腐蚀环境下的裂纹扩展速率公式

腐蚀环境下载荷频率和应力比给定，则me、mf和mr为确定值，则式（1）同样等价于常用的Paris公式形式：

其中，Paris公式的斜率参数nT=p，

2.3 室温大气环境下裂纹扩展速率参数确定

取稳定裂纹扩展段的裂纹扩展公式为Paris公式，将Paris公式两边取对数转化为：

由试验测得的（ΔK，da/dN）数据按线性回归方法确定参数n和C，估计方法如下：

2.4 环境影响因子确定

1）以R=0.06、f=5 Hz下的数据进行环境因子估计、以室温大气环境下的数据为基准；

2） 由室温大气环境下的裂纹扩展数据，按Paris公式估计特定频率F0和应力比0对应的裂纹扩展速率参数nB及CB；

3）按室温大气环境下的估计腐蚀环境下的裂纹扩展速率参数CT；

3 结果与分析

3.1 7140-T7451试样在不同环境下的裂纹扩展速率

根据试验结果并利用Paris公式进行拟合，拟合曲线参数估计表如表3，在不同环境下的裂纹扩展速率曲线如图2。为了直观对比环境对疲劳裂纹扩展速率的影响，将拟合得到的在不同环境下得到的裂纹扩展速率曲线进行对比，如图3所示。

图2 7140-T7451试样在不同环境下的裂纹扩展速率

图3 不同环境对7140-T7451试样裂纹扩展速率影响

表3 7140-T7451试样da/dN-△K曲线参数估计表

根据试验结果及拟合的曲线可知：

1）潮湿空气中的裂纹扩展速率曲线整体位于室温大气上方，说明该材料在潮湿空气中的裂纹扩展速率大于室温大气中的裂纹扩展速率，其原因是在潮湿空气的高湿度环境下，水蒸气与含氧量较高，在裂纹尖端发生反应，生成氢原子吸附在裂纹尖端，通过扩散作用进入裂尖塑性区，在循环载荷的作用下引发氢脆反应，加速裂纹扩展。

图4 裂纹扩展参数估计曲线图

2）3.5 % NaCl溶液环境中的裂纹扩展速率曲线整体位于室温大气上方，大部分位于潮湿空气上方，说明该材料在3.5 % NaCl溶液中的裂纹扩展速率大于室温大气和潮湿空气中的裂纹扩展速率，由于NaCl溶液中Cl-的存在，加速了对钝化膜破坏，并且加剧了试样的应力集中效应，提高了裂纹尖端的应力强度因子，从而裂纹扩展速率增加。

3）油箱积存水中的裂纹扩展速率曲线整体位于室温大气和潮湿空气上方，说明油箱积存水中的裂纹扩展速率明显大于室温大气和潮湿空气中的。与3.5 % NaCl溶液环境中的相比，前半部分速率要大于3.5 % NaCl溶液中的，后半部分则小于3.5 % NaCl溶液中的。从表2油箱积存水的成分可以看出，该溶液与NaCl溶液类似，存在大量的Cl-，因此油箱积存水环境下裂纹扩展速率增加的原因与3.5 % NaCl溶液环境下相同，前半部分由于油箱积存水溶液中Cl-浓度高于3.5 % NaCl溶液中Cl-浓度，因此裂纹扩展速率比3.5 % NaCl溶液中更快，然而由于油箱积存水环境中还存在大量的其他金属离子，随着反应的进行，

3.2 环境影响因子

按照第2节方法再次对试验数据进行处理，首先得到在室温大气环境下的裂纹扩展参数估计结果，然后按室温大气环境下的nB估计腐蚀环境下的裂纹扩展速率参数CT。将nB代入式（7）可得CT，计算da/dN=10-4mm/cycle对应的ΔKT,f=5Hz,R=0.06,da/dN=10-4，将之与室温大气环境下对应的KΔ对比，最后得到不同环境下的影响因子如表4所示。

表4 环境影响因子

查《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》，已有类似材料测得的相关环境影响因子如下表。从表5可[12]以看出，由于试件材料、热处理状态、制造批次等不同，这导致了本次试验结果和《民机结构耐久性与损伤容限设计手册》给出的Paris公式斜率参数n的不同，也造成了me的不同，但根据本次试验数据分析得到7140-T7451铝合金在潮湿空气、3.5 % NaCl、油箱积存水三种环境下的环境影响因子与手册中给出的环境影响因子相近。

表5 已有铝合金环境影响因子

4 结论

本文通过开展7140-T7451铝合金在室温大气、潮湿空气、3.5 % NaCl、油箱积存水四种环境下的裂纹扩展试验，并确定了不同环境的影响因子，得到如下结论：

1）7140 -T7451铝合金在不同环境下的裂纹扩展速率不同，各种环境下裂纹扩展速率排序如下：油箱积存水≈3.5 % NaCl溶液＞潮湿空气＞室温大气；

2）对于7140-T7451铝合金材料，潮湿空气环境影响因子=0.88，3.5 % NaCl溶液环境影响因子=0.73，油箱积存水环境影响因子=0.75。