7075航空鋁合金原位腐蝕-多軸疲勞行為分析

劉辰辰 陳亞軍 李 柯 王 川

1.中國民航大學(xué)中歐航空工程師學(xué)院，天津，3003002.航天精工股份有限公司，天津，300300

0 引言

7075鋁合金作為一種硬鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度和韌性，且耐蝕性較好[1]，可用于蒙皮、翼梁、隔框等部件的制造，是飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料之一[2-3]。飛機(jī)在沿海地區(qū)服役過程中，由于受到海水、鹽霧等環(huán)境因素的影響，構(gòu)件常常出現(xiàn)點(diǎn)蝕、剝蝕等腐蝕損傷[4-5]，對其疲勞性能影響顯著[6-9]。多軸疲勞受力狀態(tài)與單軸疲勞受力狀態(tài)相比更為復(fù)雜，與實(shí)際工況也更為接近[10-11]，研究腐蝕環(huán)境下鋁合金的多軸疲勞行為具有重要價值[12-13]。

腐蝕作用下材料表面會有蝕坑產(chǎn)生，從而使得應(yīng)力集中并導(dǎo)致裂紋源生成。JONES等[14]基于2024鋁合金的預(yù)腐蝕疲勞試驗(yàn)，驗(yàn)證了“蝕坑-裂紋”的轉(zhuǎn)變過程。史平安等[15]發(fā)現(xiàn)外加應(yīng)力存在時，2A12鋁合金點(diǎn)蝕面積增大并向基體擴(kuò)展。劉軒等[16]在3.5%NaCl溶液腐蝕環(huán)境下對7075鋁合金進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蝕坑處存在明顯的應(yīng)力集中，對疲勞性能影響顯著。NAN等[17]對AZ31鎂合金進(jìn)行了腐蝕疲勞試驗(yàn)，認(rèn)為腐蝕疲勞壽命可以分為裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展兩個階段，其中裂紋萌生受點(diǎn)蝕影響。腐蝕疲勞壽命的預(yù)測方法較多，例如基于統(tǒng)計(jì)學(xué)和現(xiàn)有模型、利用蝕坑與裂紋的關(guān)系等[18-20]。WANG等[21]認(rèn)為改進(jìn)的Trantina-Johnson壽命預(yù)測模型對2系和7系鋁合金腐蝕疲勞壽命的預(yù)測效果較好。張川等[22]結(jié)合斷口處腐蝕表面的分形維數(shù)，預(yù)測了LC4CS鋁合金預(yù)腐蝕剩余壽命。ISHIHARA等[23]將蝕坑對裂紋擴(kuò)展的影響作為參量，提出了壽命預(yù)測模型，并將模型計(jì)算結(jié)果與2024鋁合金試驗(yàn)壽命相比較，結(jié)果二者較為相符。HUANG等[24]通過討論蝕坑和裂紋的關(guān)系，提出了裂紋等效模型，并將其用于7075鋁合金腐蝕疲勞壽命的預(yù)測。

目前，針對腐蝕與疲勞共同作用對鋁合金影響的研究，主要集中于單軸疲勞領(lǐng)域，而針對原位腐蝕作用下鋁合金多軸疲勞行為的研究報道較少。本文通過對7075鋁合金進(jìn)行未腐蝕和原位腐蝕環(huán)境下的多軸疲勞試驗(yàn)，及對循環(huán)曲線的分析和對斷口形貌的觀察，對多軸疲勞失效機(jī)理進(jìn)行對比，并基于Manson-Coffin-Basquin(MCB)準(zhǔn)則，通過引入加載條件和腐蝕因素，提出修正模型，進(jìn)行未腐蝕和原位腐蝕條件下的多軸疲勞壽命預(yù)測。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣材料和尺寸

試驗(yàn)選取7075-T651鋁合金，其基本力學(xué)性能如下：屈服強(qiáng)度493.0 MPa，抗拉強(qiáng)度538.9 MPa，彈性模量70.4 GPa。參照美國材料測試標(biāo)準(zhǔn)ASTM-E2207，將7075-T651鋁合金加工成薄壁管狀試樣，尺寸如圖1所示。

圖1 疲勞管狀試樣尺寸圖Fig.1 Tubular specimen geometry of fatigue tests

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

原位鹽霧腐蝕-多軸疲勞試驗(yàn)選取的腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl鹽霧，由PYW-90腐蝕試驗(yàn)箱提供。利用自行開發(fā)的原位腐蝕-多軸疲勞裝置進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中試樣的試驗(yàn)端處于循環(huán)鹽霧腐蝕環(huán)境中，試樣的夾持端和腐蝕介質(zhì)之間由密封圈相隔離，如圖2所示。

圖2 原位腐蝕-多軸疲勞裝置Fig.2 In-situ corrosion multiaxial fatigue device

多軸疲勞試驗(yàn)利用SDN100/1000電液伺服拉扭復(fù)合疲勞試驗(yàn)機(jī)來完成，采取拉扭雙通道應(yīng)力控制方式，等效應(yīng)力由von Mises準(zhǔn)則確定，即

(1)

式中，σeq為von Mises等效應(yīng)力；σ為軸向應(yīng)力；τ為扭向應(yīng)力。

試驗(yàn)中均采取頻率為 5 Hz的正弦波形加載，分別為

σ=σasinωt

(2)

τ=τasinωt

(3)

式中，σa為軸向應(yīng)力幅值；τa為扭向應(yīng)力幅值；ω為加載角頻率；t為加載時間。

軸向應(yīng)力和扭向應(yīng)力的關(guān)系通過應(yīng)力幅比λ(λ=σa/τa)來表示。軸向和扭向的應(yīng)力由下式計(jì)算：

(4)

(5)

式中，F(xiàn)a為軸向力幅值；Ma為扭矩幅值；d1、d2分別為薄壁管件外徑和內(nèi)徑。

利用7075-T651鋁合金，分別進(jìn)行3組未腐蝕-多軸疲勞試驗(yàn)和3組原位腐蝕-多軸疲勞試驗(yàn)，每組進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)。對于未腐蝕-多軸疲勞試驗(yàn)和原位腐蝕-多軸疲勞試驗(yàn)，均選取200 MPa、250 MPa和300 MPa三種等效應(yīng)力，從而進(jìn)行對照分析。試驗(yàn)中，試樣失效定義為發(fā)生宏觀斷裂。試驗(yàn)結(jié)束后，利用掃描電子顯微鏡對試樣表面和斷口進(jìn)行觀察，分析其失效機(jī)理。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

圖3給出了不同等效應(yīng)力條件下，7075鋁合金管狀試樣未腐蝕-多軸疲勞試驗(yàn)和原位腐蝕-多軸疲勞試驗(yàn)壽命結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著等效應(yīng)力的增大，未腐蝕-多軸疲勞壽命出現(xiàn)明顯的下降趨勢。如表1所示，等效應(yīng)力為200 MPa時，未腐蝕試樣多軸疲勞條件下平均壽命為99 675周次，等效應(yīng)力增大至300 MPa，試樣平均壽命下降至11 791周次。相對于未腐蝕試樣，原位腐蝕試樣的多軸疲勞試驗(yàn)壽命顯著縮短，不同等效應(yīng)力加載條件下，壽命下降百分比均達(dá)到了40%左右。較低等效應(yīng)力水平下，原位腐蝕試樣經(jīng)歷的腐蝕時間較長，導(dǎo)致腐蝕損傷加重，對疲勞壽命的影響更為明顯。此外，由于腐蝕作用的不確定性，原位腐蝕試樣的多軸疲勞試驗(yàn)壽命相對于未腐蝕試樣試驗(yàn)壽命分散度增加。

圖3 試樣多軸疲勞壽命與等效應(yīng)力的關(guān)系Fig.3 Relation between multiaxial fatigue life and equivalent stress of sample

等效應(yīng)力(MPa)未腐蝕組平均壽命(周次)原位腐蝕組平均壽命(周次)壽命下降百分比(%)20099 67555 28444.5425033 24116 95049.0130011 7917 09339.47

多軸疲勞加載條件下，3.5%NaCl原位鹽霧腐蝕環(huán)境加速了7075-T651鋁合金的疲勞斷裂過程，使壽命顯著縮短。這是由于在腐蝕環(huán)境中，試樣表面形成了蝕坑，這些蝕坑局部容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在多軸疲勞加載作用下，裂紋萌生和擴(kuò)展較快。由表1可知，等效應(yīng)力越小，試樣多軸疲勞壽命下降的周次越多。事實(shí)上，在較小等效應(yīng)力作用下，材料的疲勞壽命較長，試樣在腐蝕環(huán)境作用下的時間也較長，導(dǎo)致腐蝕損傷的作用更加明顯。

2.2 循環(huán)曲線分析

通過分析多軸疲勞加載過程中，軸向力與位移之間的關(guān)系和扭向轉(zhuǎn)矩與扭角之間的關(guān)系，可以得到不同加載條件下的循環(huán)曲線，該曲線可以反映材料在不同方向上的循環(huán)響應(yīng)情況。在等效應(yīng)力為250 MPa的加載條件下，材料加載半壽命疲勞周次時，軸向和扭向的循環(huán)滯回線分別如圖4a和圖4b所示?？梢园l(fā)現(xiàn)未腐蝕試樣和原位腐蝕試樣均出現(xiàn)了不同程度的軸向和扭向遲滯現(xiàn)象。滯回線面積反映了材料塑性變形時外力所做的功，即所消耗能量的大小。對比圖4a和圖4b可知，相同等效應(yīng)力下，未腐蝕試樣和原位腐蝕試樣軸向滯回線的面積相差不大，而扭向滯回曲線差異較為明顯。這是由于在多軸疲勞加載過程中，試樣外表面的扭矩最大，容易造成裂紋萌生；而原位腐蝕作用下，試樣表面產(chǎn)生腐蝕損傷，使得裂紋萌生加快，材料在扭向的耗能增大，對應(yīng)疲勞壽命的縮短。

(a)軸向

(b)扭向圖4 250 MPa等效應(yīng)力下的循環(huán)滯回線Fig.4 Hysteresis loop under 250 MPa of equivalent stress

表2和表3分別給出了在不同等效應(yīng)力條件下，未腐蝕試樣和原位腐蝕試樣在加載半壽命疲勞周次時，軸向和扭向循環(huán)滯回線所包圍的面積。對比可知，隨著等效應(yīng)力的增大，未腐蝕和原位腐蝕條件下，試樣軸向和扭向滯回線面積均增大，即材料軸向和扭向的耗能均增加，對應(yīng)多軸疲勞壽命的縮短。相對于未腐蝕試樣，原位腐蝕條件下試樣在軸向和扭向滯回線的面積均不同程度增大，這說明原位腐蝕作用導(dǎo)致試樣損傷增加，材料抗塑性變形能力下降，故原位腐蝕作用下材料多軸疲勞壽命下降明顯。

表2 不同加載條件下軸向滯回線面積

表3 不同加載條件下扭向滯回線面積

2.3 斷口形貌分析

圖5所示為等效應(yīng)力為250 MPa的加載條件下，未腐蝕試樣和原位腐蝕試樣宏觀斷口形貌。對比可知，在未腐蝕和原位腐蝕環(huán)境下，裂紋源均出現(xiàn)在管狀試樣外表面。未腐蝕條件下，試樣斷面以疲勞源為中心，呈現(xiàn)明顯的放射狀扇形(圖5a)；原位腐蝕條件下，疲勞源附近出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物(圖5b)。

(a)未腐蝕

(b)原位腐蝕圖5 250 MPa等效應(yīng)力下試樣宏觀斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of specimen under 250 MPa of equivalent stress

圖6所示為不同加載條件下斷口擴(kuò)展區(qū)的形貌。如圖6a、圖6b所示，未腐蝕試樣在200 MPa等效應(yīng)力條件下，擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)較多疲勞條帶，且出現(xiàn)了輪胎狀花紋；在300 MPa等效應(yīng)力條件下，由于應(yīng)力較大，擴(kuò)展區(qū)出現(xiàn)較多碎屑以及切應(yīng)力拖動產(chǎn)生的犁溝狀劃痕。如圖6c、圖6d所示，在200 MPa等效應(yīng)力條件下，原位腐蝕試樣擴(kuò)展區(qū)可以觀察到鹽粒在加載過程中進(jìn)入了斷面區(qū)域；在300 MPa等效應(yīng)力條件下，擴(kuò)展區(qū)可以觀察到腐蝕產(chǎn)物，且在較大應(yīng)力作用下，腐蝕產(chǎn)物周圍出現(xiàn)了二次裂紋。

(a)σeq=200 MPa，未腐蝕

(b)σeq=300 MPa，未腐蝕

(c)σeq=200 MPa，原位腐蝕

(d)σeq=300 MPa，原位腐蝕圖6 不同加載條件下試樣斷口擴(kuò)展區(qū)形貌Fig.6 Fracture morphology of crack propagation region under different loading conditions

3 壽命預(yù)測及討論

3.1 預(yù)測模型的提出

Manson-Coffin-Basquin準(zhǔn)則(以下簡稱“MCB準(zhǔn)則”)廣泛應(yīng)用于單軸疲勞的壽命預(yù)測，其原始表達(dá)式為

(6)

式(6)引入多軸疲勞加載過程中的等效應(yīng)力σeq和修正因子μ后可寫作：

(7)

其中，修正因子μ與加載條件和環(huán)境因素有關(guān)，μ越大，表示試樣損傷量越高。對于未腐蝕-多軸疲勞加載條件，μ取值為1.1，對于原位腐蝕-多軸疲勞加載條件，μ取值為1.24；在模型實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同腐蝕環(huán)境，需要對μ的數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。

3.2 壽命預(yù)測結(jié)果

利用式(7)中修正的MCB準(zhǔn)則，對不同等效應(yīng)力加載條件下，未腐蝕和原位腐蝕環(huán)境中7075-T651多軸疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果表4。

表4 不同加載條件下壽命預(yù)測結(jié)果

圖7所示為壽命預(yù)測值和試驗(yàn)壽命值的對比情況，可知在未腐蝕和原位腐蝕環(huán)境下，修正模型對不同等效應(yīng)力加載條件的壽命預(yù)測值均位于兩倍分散帶內(nèi)，顯示出良好的預(yù)測效果。

圖7 修正模型壽命預(yù)測效果Fig.7 Life prediction consequence with modified model

4 結(jié)論

(1)未腐蝕條件下，等效應(yīng)力由200 MPa增大至300 MPa時，試樣多軸疲勞平均壽命從99 675周次下降至11 791周次；原位腐蝕條件下，等效應(yīng)力由200 MPa增大至300 MPa，試樣多軸疲勞平均壽命從55 284周次下降至7 093周次。未腐蝕和原位腐蝕條件下，隨著等效應(yīng)力的增大，試樣軸向和扭向滯回線面積均增大；等效應(yīng)力相同時，原位腐蝕試樣的多軸疲勞壽命相對于未腐蝕試樣壽命明顯縮短，試樣軸向和扭向滯回線的面積均不同程度增大。

(2)未腐蝕和原位腐蝕環(huán)境下，裂紋源均出現(xiàn)在7075鋁合金管狀試樣外表面。未腐蝕條件下，擴(kuò)展區(qū)在200 MPa等效應(yīng)力下出現(xiàn)較多疲勞條帶和輪胎狀花紋，在300 MPa等效應(yīng)力下出現(xiàn)較多碎屑和犁溝狀劃痕；原位腐蝕條件下，擴(kuò)展區(qū)在200 MPa等效應(yīng)力下有鹽粒出現(xiàn)，在300 MPa等效應(yīng)力下可以觀察到腐蝕產(chǎn)物以及二次裂紋。

(3)通過引入與加載條件和環(huán)境因素有關(guān)的修正因子，對Manson-Coffin-Basquin準(zhǔn)則進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行未腐蝕和原位腐蝕環(huán)境下的多軸疲勞壽命預(yù)測，其在不同等效應(yīng)力加載條件下的壽命預(yù)測值均位于兩倍分散帶內(nèi)，顯示出良好的預(yù)測效果。