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    7075鋁合金在不同溫度鹽水環(huán)境中的腐蝕疲勞行為

    2014-05-14 07:22:08劉軒劉慧叢李衛(wèi)平葉序彬朱立群
    航空學(xué)報(bào) 2014年10期
    關(guān)鍵詞:斷口鋁合金形貌

    劉軒,劉慧叢,李衛(wèi)平,*,葉序彬,朱立群

    1.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 空天先進(jìn)材料與服役教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191

    2.北京航空材料研究院 檢測(cè)研究中心,北京 100095

    腐蝕疲勞是影響飛機(jī)壽命的一個(gè)重要因素,尤其是在沿海一帶服役的飛機(jī),由于海水的飛濺以及白天的長(zhǎng)時(shí)間曝曬,常常會(huì)處在高溫海水環(huán)境下,發(fā)生腐蝕的情況十分嚴(yán)重[1],腐蝕損傷處往往會(huì)成為材料的疲勞裂紋源,降低材料的抗疲勞性能,對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料的安全可靠性造成重大威脅,甚至引發(fā)災(zāi)難事故[2-5]。

    高強(qiáng)鋁合金由于具有比強(qiáng)度高、斷裂韌性好、加工性能及焊接性能優(yōu)良等一系列優(yōu)點(diǎn),在車(chē)輛和船舶工業(yè)部門(mén)有廣泛應(yīng)用,在航空航天領(lǐng)域更是不可或缺的材料,其中7075鋁合金廣泛用于制造飛機(jī)的主要受力零件,如大梁、桁條和起落架零件等[6-7]。但與其他牌號(hào)的結(jié)構(gòu)鋁合金相比,高強(qiáng)鋁合金腐蝕問(wèn)題更為突出,容易發(fā)生點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、剝落腐蝕等,進(jìn)而嚴(yán)重降低飛機(jī)的疲勞性能。在實(shí)際應(yīng)用中,通常在鋁合金表面包覆一層包鋁層,以提高材料的耐腐蝕性[8]。

    目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于7075鋁合金的研究主要集中在腐蝕以及疲勞開(kāi)裂等方面。陳素晶等針對(duì)鋁合金腐蝕平均速率與瞬時(shí)速率的差異,根據(jù)腐蝕過(guò)程中試樣橫截面的變化與歐姆電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了新的腐蝕速率計(jì)算方法[9];劉曉磊等用電化學(xué)噪聲表征7075鋁合金的模擬大氣腐蝕過(guò)程[10];Burns等研究了低溫(-90℃~23℃)環(huán)境對(duì)7075鋁合金抗疲勞性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著溫度降低,裂紋生長(zhǎng)速率下降[11];回麗等研究了鹽水環(huán)境對(duì)預(yù)腐蝕7XXX鋁合金疲勞性能的影響[12];馮先鋒研究了2024-T351鋁合金在室溫下3.5%NaCl溶液中平均應(yīng)力對(duì)腐蝕疲勞力學(xué)行為的影響規(guī)律以及缺口對(duì)腐蝕疲勞強(qiáng)度的影響[13]。從上述研究可以看出,目前室溫以上更高溫度下7075鋁合金的腐蝕疲勞行為研究較為不足,而實(shí)際情況是高溫環(huán)境往往對(duì)材料的腐蝕疲勞性能損傷很大,系統(tǒng)研究7075鋁合金在不同溫度鹽水環(huán)境下的腐蝕疲勞行為具有重要價(jià)值。

    因此,本文采用3.5%NaCl溶液環(huán)境研究了溫度對(duì)腐蝕疲勞行為的影響,設(shè)置室溫以上的35,55,75℃這3個(gè)不同環(huán)境溫度,并通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌,探討了溫度對(duì)腐蝕疲勞裂紋萌生擴(kuò)展的影響機(jī)理,為鋁合金飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料在沿海高溫環(huán)境下的安全服役提供一定的技術(shù)依據(jù)。

    1 試驗(yàn)方法

    試驗(yàn)所用材料為7075鋁合金,熱處理狀態(tài)T651,化學(xué)成分(wt%)為:Cu 1.6,Mg 2.5,Zn 5.6,Si 0.4,Mn 0.3,Ti 0.2,Cr 0.22,F(xiàn)e 0.5,其余為Al。疲勞試樣為平直薄板,厚度為1.5 mm,裝夾端之間為連續(xù)半徑連接,尺寸如圖1所示。試樣兩面均覆蓋有包鋁層,通過(guò)HIROX KH-7700三維視頻顯微鏡測(cè)得包鋁層厚度約為80μm。

    圖1 7075鋁合金疲勞試樣平面圖Fig.1 Planar graph of 7075 aluminum alloy fatigue specimen

    7075鋁合金的腐蝕疲勞試驗(yàn)選取3.5%的NaCl溶液作為腐蝕介質(zhì),根據(jù)航空高強(qiáng)鋁合金在服役過(guò)程中可能出現(xiàn)的高溫環(huán)境,選擇(35±3),(55±3),(75±3)℃這3個(gè)不同的環(huán)境溫度研究其對(duì)7075鋁合金腐蝕疲勞行為的影響。

    腐蝕疲勞試驗(yàn)在Instron8871液壓伺服機(jī)上進(jìn)行,利用Wavematrix軟件設(shè)置程序。試驗(yàn)前先將疲勞試樣置于25℃的3.5%NaCl溶液中浸泡24 h進(jìn)行預(yù)腐蝕,然后再進(jìn)行試驗(yàn)。腐蝕疲勞試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)疲勞試樣處于3.5%NaCl溶液環(huán)境中,通過(guò)溶液循環(huán)保持溶液溫度。每個(gè)溫度下選擇3個(gè)應(yīng)力水平進(jìn)行試驗(yàn)。試樣疲勞斷裂后,使用Camscan CS-3400掃描電子顯微鏡觀測(cè)斷口形貌。

    2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

    2.1 腐蝕疲勞壽命

    7075鋁合金試樣腐蝕疲勞試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)如表1所示。表中:Kt為理論應(yīng)力集中系數(shù);R為應(yīng)力比。

    表1 疲勞試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of fatigue test

    對(duì)腐蝕疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí),先將疲勞壽命取成對(duì)數(shù),成組法中值對(duì)數(shù)疲勞壽命的計(jì)算公式為

    式中:為成組法中值對(duì)數(shù)疲勞壽命;n為每組試驗(yàn)的試樣個(gè)數(shù);Ni為每組試驗(yàn)中第i個(gè)試樣的疲勞壽命;N50為具有50%存活率的疲勞壽命。

    如果需要求出具有95%置信度的中值疲勞壽命,就應(yīng)該先求出變異系數(shù),并由表2查出滿(mǎn)足該置信度所需要的最少試樣個(gè)數(shù)[14-15]。變異系數(shù)的計(jì)算公式為

    式中:CV為變異系數(shù);S為子樣方差,其計(jì)算公式為

    表2 需要的最少試樣數(shù)(置信度95%,相對(duì)誤差±5%)Table 2 Minimum number of specimen(confidence 95%,relative error±5%)

    表3給出了7075鋁合金在3個(gè)不同溫度T下3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞壽命N與相應(yīng)的應(yīng)力水平σmax。經(jīng)計(jì)算每組試驗(yàn)的變異系數(shù)CV均小于0.020 1,因此各組試驗(yàn)的試樣數(shù)量均滿(mǎn)足置信度95%條件下最少3個(gè)試樣的要求。

    表3 不同溫度和應(yīng)力水平下的腐蝕疲勞壽命Table3 Corrosion fatigue life at different temperatures and stress levels

    從表3中數(shù)據(jù)可以看出,在3.5%NaCl溶液環(huán)境下,溫度對(duì)7075鋁合金的腐蝕疲勞壽命具有顯著影響:同一應(yīng)力水平下,溫度越高,疲勞壽命越短。300 MPa、75℃下的中值壽命為15 346次循環(huán),55℃下的中值壽命為30 931次循環(huán),35℃下的中值壽命為33 001次循環(huán)。

    同時(shí)腐蝕損傷與疲勞損傷之間還存在著一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。當(dāng)應(yīng)力水平較高時(shí),試樣的壽命較短,腐蝕作用的時(shí)間短,試樣壽命主要受應(yīng)力水平影響,35,55,75℃這3個(gè)溫度下1萬(wàn)~5萬(wàn)次循環(huán)壽命對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平都為300 MPa;而當(dāng)應(yīng)力水平較低時(shí),試樣的壽命長(zhǎng),腐蝕作用的時(shí)間較長(zhǎng),環(huán)境溫度的升高加重了材料的腐蝕損傷,從而導(dǎo)致相同壽命對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平的下降,因此在35,55,75℃這3個(gè)溫度下,30萬(wàn)~40萬(wàn)次循環(huán)壽命對(duì)應(yīng)的應(yīng)力水平依次下降,分別為180,160,150 MPa。

    圖2為7075鋁合金在3個(gè)不同溫度下3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞S-N曲線(xiàn)。從圖中可以看出,7075鋁合金在溫度為35℃和55℃時(shí),高應(yīng)力水平下的疲勞壽命相當(dāng),而低應(yīng)力水平下35℃時(shí)的疲勞壽命明顯高于55℃時(shí)的疲勞壽命;同一應(yīng)力水平下,35℃和55℃下的疲勞壽命明顯高于75℃下的疲勞壽命。

    2.2 腐蝕疲勞斷口形貌

    圖2 不同溫度下的腐蝕疲勞S-N曲線(xiàn)Fig.2 Corrosion fatigue S-N curve at different temperatures

    圖3是7075鋁合金試樣在300 MPa時(shí)3個(gè)溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌的SEM照片。可以看出,在較高應(yīng)力水平下,試樣的疲勞壽命較短,腐蝕作用的時(shí)間短,試樣的腐蝕損傷程度小,35℃和55℃下沒(méi)有出現(xiàn)較明顯的腐蝕坑,試樣的失效主要是由于應(yīng)力的作用;75℃下試樣出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的腐蝕坑,疲勞源從腐蝕坑萌生。由此可見(jiàn)高溫環(huán)境對(duì)腐蝕起了促進(jìn)作用,且腐蝕坑作為缺陷易成為疲勞源。3個(gè)溫度下的試樣斷口都出現(xiàn)了較明顯的疲勞源,而疲勞源多從鋁合金與包鋁層的結(jié)合處萌生。

    圖3 300 MPa時(shí)不同溫度下的斷口形貌Fig.3 Fracture morphology at different temperatures at 300 MPa

    圖4為7075鋁合金試樣在200 MPa左右時(shí)3個(gè)溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌。與300 MPa時(shí)相比,中等應(yīng)力水平下腐蝕疲勞時(shí)間延長(zhǎng),在3~4 h之間。35℃下的試樣已經(jīng)出現(xiàn)明顯的腐蝕點(diǎn),疲勞源同時(shí)從一個(gè)腐蝕點(diǎn)和基體包鋁結(jié)合處萌生,生成兩個(gè)疲勞源;55℃下的試樣可明顯看出疲勞源由一個(gè)較大的腐蝕坑處萌生;75℃下斷口表面腐蝕特征明顯,出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物白點(diǎn),斷口不再平整,疲勞源從鋁合金基體和包鋁層結(jié)合處的大腐蝕坑萌生。

    圖5為7075鋁合金試樣在160 MPa左右時(shí)3個(gè)溫度下的腐蝕疲勞斷口形貌,腐蝕疲勞時(shí)間在9~11 h之間。從圖5中可以看出較低應(yīng)力水平下試樣斷口腐蝕均比較嚴(yán)重,斷口都不平整,表面高度差較大。35℃下的試樣斷口出現(xiàn)大量腐蝕坑,疲勞源同時(shí)從兩個(gè)大腐蝕坑萌生;55℃下,疲勞裂紋從一個(gè)腐蝕坑較多的區(qū)域萌生,沒(méi)有很明顯的疲勞源;75℃下的試樣斷口表面出現(xiàn)大量腐蝕產(chǎn)物,并出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象,已經(jīng)看不出裂紋擴(kuò)展的方向。

    圖4 200 MPa左右時(shí)不同溫度下的斷口形貌Fig.4 Fracture morphology at different temperatures at about 200 MPa

    圖5 160 MPa左右時(shí)不同溫度下的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology at different temperatures at about 160 MPa

    2.3 不同溫度鹽水環(huán)境下的腐蝕疲勞分析討論

    上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高溫環(huán)境顯著加速了7075鋁合金在3.5%NaCl溶液中的腐蝕疲勞斷裂。

    從3個(gè)不同溫度下的腐蝕疲勞S-N 曲線(xiàn)可知,35℃和55℃的曲線(xiàn)在應(yīng)力水平為220~300 MPa階段基本重合,而在220 MPa以下的應(yīng)力水平段兩條曲線(xiàn)分開(kāi),且隨應(yīng)力水平下降,同一應(yīng)力下35℃的腐蝕疲勞壽命比55℃下高得多。這說(shuō)明在較高應(yīng)力水平下,55℃的高溫環(huán)境相對(duì)于35℃時(shí)還不足以顯著加速腐蝕疲勞斷裂,而當(dāng)應(yīng)力水平逐漸下降時(shí),55℃下的腐蝕損傷對(duì)疲勞損傷的競(jìng)爭(zhēng)力上升,對(duì)腐蝕疲勞斷裂的加速效果逐漸顯著。同一應(yīng)力水平下,75℃的腐蝕疲勞S-N曲線(xiàn)明顯位于35℃和55℃曲線(xiàn)的左側(cè),這說(shuō)明75℃的高溫環(huán)境對(duì)腐蝕損傷有強(qiáng)烈促進(jìn)作用,導(dǎo)致了在300 MPa及以下的應(yīng)力水平段腐蝕損傷對(duì)疲勞損傷有著顯著的優(yōu)勢(shì),從而同一應(yīng)力下75℃時(shí)的腐蝕疲勞壽命均明顯低于35℃和55℃時(shí)的腐蝕疲勞壽命。因此,海洋環(huán)境下服役的高強(qiáng)鋁合金材料,在對(duì)它們的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí),必須考慮高溫對(duì)其腐蝕疲勞的強(qiáng)烈加速作用。

    從各溫度和應(yīng)力水平下對(duì)應(yīng)的腐蝕疲勞斷口形貌來(lái)看,低溫高應(yīng)力時(shí),腐蝕損傷對(duì)疲勞斷裂影響不大,裂紋多從鋁合金基體與包鋁層結(jié)合處萌生,這是由于包鋁層與鋁合金基體的機(jī)械性能差異較大,在循環(huán)應(yīng)力的不斷作用下,二者的結(jié)合處易成為應(yīng)力集中的部位,導(dǎo)致裂紋從此處萌生。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),斷口表面開(kāi)始出現(xiàn)腐蝕坑,這是由于溫度升高時(shí)點(diǎn)蝕演化的臨界熱激活能降低,加快了點(diǎn)蝕演化的速率[16]。出現(xiàn)腐蝕坑后,疲勞源多從腐蝕坑處萌生,根據(jù)蝕孔應(yīng)力集中-滑移不可逆性增強(qiáng)模型,這是由于形成的腐蝕坑會(huì)成為應(yīng)力集中源,在拉應(yīng)力作用下腐蝕坑底部產(chǎn)生滑移臺(tái)階,滑移臺(tái)階暴露出的新鮮金屬表面因腐蝕作用逆向滑移受阻,造成了裂紋源的產(chǎn)生[17]。腐蝕疲勞斷口表面腐蝕坑多呈兩種形貌并存,一種為均勻分布麻點(diǎn)狀,腐蝕表面平整;另一種為不均勻的深坑狀,局部腐蝕嚴(yán)重,且溫度越高表面越不平整。深坑狀腐蝕坑口多被粘附性腐蝕產(chǎn)物覆蓋,這形成了閉塞電池,由于自催化酸化效應(yīng),腐蝕坑從而具有向深處和寬處延伸的動(dòng)力。而斷口形貌表明,腐蝕疲勞裂紋均自深坑狀腐蝕坑處萌生,這說(shuō)明深坑狀腐蝕坑較麻點(diǎn)狀腐蝕坑應(yīng)力集中效果更顯著,對(duì)疲勞源的萌生影響更大。因此,高溫腐蝕環(huán)境主要是通過(guò)加速腐蝕坑的形成來(lái)影響疲勞源的產(chǎn)生,而深坑狀腐蝕坑應(yīng)力集中嚴(yán)重,對(duì)疲勞性能傷害較大。

    3 結(jié) 論

    1)在3.5%NaCl溶液中,溫度對(duì)7075鋁合金腐蝕疲勞壽命影響的規(guī)律為:同一應(yīng)力水平下,溫度越高,腐蝕疲勞壽命越短,300 MPa時(shí)35,55,75℃下的中值壽命分別為33 001、30 931、15 346次循環(huán)。

    2)腐蝕損傷和疲勞損傷存在一定的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。應(yīng)力水平較高時(shí),腐蝕較輕,試樣壽命主要受應(yīng)力水平影響,溫度對(duì)疲勞壽命的影響較弱,疲勞源多從鋁合金基體與包鋁層結(jié)合處萌生;應(yīng)力水平較低時(shí),腐蝕較嚴(yán)重,溫度的升高將導(dǎo)致相同壽命對(duì)應(yīng)應(yīng)力水平的明顯下降,溫度對(duì)疲勞壽命的影響較顯著,疲勞源多從腐蝕坑處萌生。

    3)高溫環(huán)境主要通過(guò)加速腐蝕坑的形成來(lái)影響疲勞源的萌生,深坑狀腐蝕坑應(yīng)力集中嚴(yán)重,對(duì)疲勞性能傷害較大。

    參 考 文 獻(xiàn)

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