金屬材料日歷壽命確定的分散系數(shù)和取值

張福澤空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

金屬材料日歷壽命確定的分散系數(shù)和取值

張福澤*
空軍裝備研究院 航空裝備研究所， 北京 100076

研究了在日歷壽命確定中的分散性問題，通過對金屬腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布規(guī)律的研究，選定了符合這種規(guī)律的分散系數(shù)計(jì)算模型；通過這些腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出已試驗(yàn)材料的標(biāo)準(zhǔn)差；通過給出的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算出腐蝕試驗(yàn)用的分散系數(shù)的取值。

金屬腐蝕； 日歷壽命； 標(biāo)準(zhǔn)差； 分散系數(shù)； 腐蝕試驗(yàn)

眾所周知，在金屬腐蝕日歷壽命的確定中，需要進(jìn)行大量的腐蝕試驗(yàn)。這些腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也與疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)一樣，存在著一定的分散性。在疲勞領(lǐng)域里，為了降低這種分散性給疲勞壽命確定帶來的不可靠性，引進(jìn)了具有高可靠度和高置信度的分散系數(shù)，用疲勞試驗(yàn)平均壽命除以這個(gè)分散系數(shù)，即可得到高可靠度、高置信度的疲勞安全壽命。

目前，國內(nèi)外在金屬腐蝕日歷壽命確定中，尚沒有一套有效可用的方法。文獻(xiàn)[1-7]給出了金屬腐蝕日歷壽命確定的一套方法和預(yù)計(jì)模型，已取得有效的試驗(yàn)驗(yàn)證。但文獻(xiàn)中沒有給出如何解決由于腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散引起日歷壽命不可靠的問題。本文為了解決這一問題，在金屬日歷壽命的確定中，也像確定疲勞壽命一樣，引入分散系數(shù)的概念，即用具有高可靠度、高置信度的分散系數(shù)除以腐蝕試驗(yàn)結(jié)果的平均值，獲得高可靠度和高置信度的日歷壽命。本文在這一命題上，研究了如下3方面的問題：① 研究和分析腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，從而選擇符合這種分布規(guī)律的分散系數(shù)計(jì)算模型；② 研究與計(jì)算可反映一些金屬材料的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性的標(biāo)準(zhǔn)差；③ 計(jì)算給出具有高可靠度、高置信度的分散系數(shù)取值。

1 某些航空材料的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布規(guī)律和腐蝕分散系數(shù)計(jì)算模型

1.1 LY12CZ鋁合金最大腐蝕深度的分布規(guī)律

圖1 腐蝕深度的頻數(shù)分布圖

Fig.1 Frequency distribution figure of corrosion depth

筆者于2000年委托北京航空材料研究院測試3種航空材料的T-H(腐蝕溫度-時(shí)間)曲線時(shí)，對LY12CZ材料的腐蝕深度t的分布規(guī)律進(jìn)行了研究[8]。用LY12CZ板材，每組5個(gè)試件，在28 ℃ 的EXCO溶液中，試驗(yàn)72 h，每個(gè)試件共測得25個(gè)區(qū)域的最大腐蝕深度，研究最大腐蝕深度的分布規(guī)律。它們的頻數(shù)分布圖如圖1所示。各數(shù)據(jù)點(diǎn)在正態(tài)概率坐標(biāo)系中近似呈一直線，置信度r=0.989 7，這說明LY12CZ鋁合金板材的最大腐蝕深度符合正態(tài)分布。有關(guān)航空材料腐蝕深度符合正態(tài)分布的研究亦比較多，如文獻(xiàn)[9]中對LY12CZ和7075T7351鋁合金的腐蝕深度分布規(guī)律進(jìn)行了研究，其結(jié)果也是符合正態(tài)分布規(guī)律。

1.2 腐蝕分散系數(shù)的模型選擇

眾所周知，疲勞分散系數(shù)計(jì)算模型式(1)適用于疲勞試驗(yàn)壽命符合正態(tài)或?qū)?shù)正態(tài)分布規(guī)律的公式[10-11]。

(1)

式中：Lf為疲勞分散系數(shù)；up和ur分別為與可靠度和置信度有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量系數(shù)；S為壽命標(biāo)準(zhǔn)差；n為試件個(gè)數(shù)。

1.1節(jié)研究最大腐蝕深度分布規(guī)律的目的就是為了與疲勞分散系數(shù)比較，研究是否可以直接引入疲勞分散系數(shù)計(jì)算模型。在飛機(jī)腐蝕日歷壽命的確定中，機(jī)體腐蝕深度(或失重)通常是度量日歷壽命的尺度，腐蝕深度的分布規(guī)律，也就代表了日歷壽命的分布規(guī)律。這樣可以說，腐蝕日歷壽命與疲勞壽命一樣，也遵循正態(tài)分布規(guī)律，因此適用于正態(tài)分布規(guī)律的疲勞分散系數(shù)公式(式(1))，也可作為腐蝕日歷壽命分散系數(shù)計(jì)算公式，不過，此處的S應(yīng)為腐蝕深度(或失重)的標(biāo)準(zhǔn)差。為了方便，以下將腐蝕深度和失重統(tǒng)稱腐蝕損傷。

2 腐蝕損傷標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算公式和取值

2.1 腐蝕損傷標(biāo)準(zhǔn)差的模型選擇

由于腐蝕損傷標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算與疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的計(jì)算是一致的，因此可選常用的標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算公式：

(2)

式中：xi為腐蝕深度(或失重)的第i個(gè)測量值。

2.2 腐蝕損傷標(biāo)準(zhǔn)差的取值

1) 30CrMnSiA鋼腐蝕損傷標(biāo)準(zhǔn)差的取值

表1 30CrMnSiA鋼在-25 ℃下的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 30CrMnSiA鋼在0 ℃下的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2) LY12CZ和7075T7351鋁合金腐蝕深度標(biāo)準(zhǔn)差的取值

表3 30CrMnSiA鋼在5 ℃下的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 30CrMnSiA鋼在28 ℃下的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 30CrMnSiA鋼在60 ℃下的腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 金屬腐蝕日歷壽命分散系數(shù)的取值

前面研究了30CrMnSiA、LY12CZ和7075T7351這3種航空材料與日歷壽命相關(guān)的腐蝕失重(或腐蝕深度)的標(biāo)準(zhǔn)差，這為計(jì)算分散系數(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)取式(1)中的ur=1.282(對應(yīng)置信度為90%)，n=5，求得的標(biāo)準(zhǔn)差為0.049 8、0.081 19，分別計(jì)算不同可靠度(99.87%、99%和95%)的分散系數(shù),如表8和表9所示。

表6 LY12CZ樣件的腐蝕試驗(yàn)深度

表7 7075T7351樣件的腐蝕試驗(yàn)深度

表8 118個(gè)30CrMnSiA樣件的腐蝕分散系數(shù)

Table 8 Corrosion scatter factor of 118 samples (30CrMnSiA)

ReliabilityBelievablenSLf99.87%(up=-3.000)90%(ur=1.282)50.04981.5199%(up=-2.236)90%(ur=1.282)50.04981.4095%(up=-1.645)90%(ur=1.282)50.04981.29

表9 100個(gè)腐蝕深度的腐蝕分散系數(shù)(LY12CZ和7075T7351)

Table 9 Corrosion scatter factor of 100 corrosion depth (LY12CZ and 7075T7351)

ReliabilityBelievablenSLf99.87%(up=-3.000)90%(ur=1.282)50.081991.9599%(up=-2.236)90%(ur=1.282)50.081991.7295%(up=-1.645)90%(ur=1.282)50.081991.52

4 討論與結(jié)論

1) 通過對LY12CZ鋁合金材料腐蝕試驗(yàn)的研究，得出腐蝕深度t遵循正態(tài)分布的規(guī)律。由此分布規(guī)律，選擇了腐蝕日歷壽命分散系數(shù)計(jì)算公式(式(1))。

4) 由于金屬腐蝕是比較緩慢的，而且比較好檢查，因此認(rèn)為，腐蝕試驗(yàn)用的分散系數(shù)的可靠度可以比疲勞試驗(yàn)用的疲勞分散系數(shù)的可靠度低一些，是99%還是95%，可以討論。如果取99%，則腐蝕試驗(yàn)用的分散系數(shù)在1.4～1.7之間(平均為1.55)；如果取95%，則腐蝕試驗(yàn)用的分散系數(shù)在1.29～1.52之間(平均為1.40)。

[1] 張福澤. 飛機(jī)停放日歷壽命腐蝕溫度譜的編制方法和相應(yīng)腐蝕介質(zhì)的確定[J]. 航空學(xué)報(bào), 2001, 22(4): 359-362. ZHANG F Z. Method for drawing up corrosion temperature spectrum of aircraft calendar life and determination of respective corrosion medium[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2001, 22(4): 359-362 (in Chinese).

[2] 張福澤. 求任意腐蝕損傷的T-H曲線[J]. 航空學(xué)報(bào), 2000, 21(4): 349-351. ZHANG F Z. Method for deducingT-Hcurve of arbitrary corrosion damage[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2000, 21(4): 349-351 (in Chinese).

[3] 張福澤. 金屬機(jī)件腐蝕損傷日歷壽命計(jì)算模型和確定方法[J]. 航空學(xué)報(bào), 1999, 20(1): 75-79. ZHANG F Z. Calculation model and determination method of corrosion damage calendar life of metal parts[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 1999, 20(1): 75-79 (in Chinese).

[4] 張福澤, 葉序彬, 宋軍. 飛機(jī)日歷壽命試驗(yàn)的介質(zhì)成分確定和加速方法[J]. 航空學(xué)報(bào), 2008, 29(4): 873-879. ZHANG F Z, YE X B, SONG J. Corrosion medium composition and accelerated corrosion method of aircraft calendar life test[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2008, 29(4): 873-879 (in Chinese).

[5] 張福澤. 飛機(jī)日歷壽命確定的區(qū)域定壽法[J]. 航空學(xué)報(bào), 2001, 22(6): 549-552. ZHANG F Z. Area determination method of aircraft calendar life[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2001, 22(6): 549-552 (in Chinese).

[6] 張福澤. 飛機(jī)日歷翻修期與總?cè)諝v壽命確定方法和預(yù)計(jì)公式[J]. 航空學(xué)報(bào)， 2005, 26(4): 458-460. ZHANG F Z. Predicting method and formula for determining calendar repaired period and total calendar life of aircraft[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2005, 26(4): 458-460 (in Chinese).

[7] 張福澤. 包含疲勞載荷的金屬結(jié)構(gòu)日歷壽命確定方法: 1069377[P]. 2012-10-31. ZHANG F Z. Include fatigue loading determine method of metal structure calendar life: 1069377[P]. 2012-10-31 (in Chinese).

[8] 宋均， 郭洪全. 三種航空材料的T-H曲線試驗(yàn)報(bào)告[R]. 北京: 北京航空材料研究院, 2000. SONG J, GUO H Q. Test report ofT-Hcurves for three kinds of aeronautical materials[R]. Beijing: Beijing Institute of Aeronautical Materials, 2000 (in Chinese).

[9] 謝偉杰, 李荻, 胡艷玲, 等. LY12CZ和7075T7351鋁合金在EXCO溶液中腐蝕動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)計(jì)研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 1999, 20(1): 34-38. XIE W J, LI D, HU Y L, et al. Statistical study of corrosion kinetics law for LY12CZ and 7075T7351 aluminum alloy in EXCO solution[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 1999, 20(1): 34-38 (in Chinese).

[10] 高鎮(zhèn)同. 飛機(jī)疲勞分散系數(shù): BH-B884[R]. 北京: 北京航空學(xué)院, 1982. GAO Z T. Fatigue scatter factors of aircraft： BH-B884[R]. Beijing: Beijing Institue of Aeronautics and Astronautics, 1982 (in Chinese).

[11] 國防技術(shù)委員會. 軍用飛機(jī)強(qiáng)度規(guī)范: 第6分冊：GJB67.6—85[S]. 北京： 國防技術(shù)委員會, 1986. Defense Technology Commission. Military airplane structural strength specification: The 6th volume: GJB67.6—85[S]. Beijing: Defense Technology Commission, 1986 (in Chinese).

張福澤 男， 中國工程院院士。主要研究方向： 飛機(jī)壽命。

Tel: 010-66713310

E-mail: zhangfuzemail@163.com

Received： 2015-09-30； Revised： 2015-10-26； Accepted： 2015-12-01； Published online： 2015-12-23 10:20

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151223.1020.002.html

*Corresponding author. Tel.： 010-66713310 E-mail: zhangfuzemail@163.com

Scatter factor and values of metallic calendar life

ZHANG Fuze*

AeronauticalArmamentsResearchInstitute,EquipmentAcademyofAirForce,Beijing100076,China

This paper studies the scatter factor of calendar life, and through research on the distribution regularities of the test data of metallic corrosion, a calculation model of scatter factor which is in consistence of the regularities is determined. Standard deviation is calculated through the corrosion test data. Scatter factor value used in corrosion test is calculated by the given standard deviation.

metallic corrosion; calendar life; standard deviation; scatter factor; corrosion test

2015-09-30；退修日期：2015-10-26；錄用日期：2015-12-01； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

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張福澤． 金屬材料日歷壽命確定的分散系數(shù)和取值[J]． 航空學(xué)報(bào), 2016, 37(2): 397-403. ZHANG F Z. Scatter factor and values of metallic calendar life[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(2): 397-403.

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

10.7527/S1000-6893.2015.0327

V215.5

：A

： 1000-6893(2016)02-0397-07

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