劉成臣,魯國(guó)富,張金奎,王浩偉
(中國(guó)特種飛行器研究所,荊門448035)
艦載直升機(jī)在任務(wù)期間長(zhǎng)期處于高溫、高濕、高鹽霧的海洋環(huán)境中,部分結(jié)構(gòu)易遭受鹽霧、海水以及干/濕交替循環(huán)侵蝕,腐蝕危害嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了直升機(jī)的飛行安全及出勤率[1-3]。30CrMnSiA作為我國(guó)艦載直升機(jī)的典型材料,相比鋁合金及其復(fù)合材料更易發(fā)生腐蝕[4]。為方便實(shí)驗(yàn)室條件下考察護(hù)航環(huán)境對(duì)30CrMnSiA合金鋼的影響,必須建立合理的加速試驗(yàn)環(huán)境譜,并對(duì)加速模擬環(huán)境與實(shí)際服役環(huán)境之間的當(dāng)量關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)目前針對(duì)飛機(jī)材料的加速環(huán)境譜方面開(kāi)展了一些研究,但仍缺少30CrMnSiA在護(hù)航環(huán)境中的環(huán)境譜及當(dāng)量關(guān)系,且目前當(dāng)量關(guān)系的確定很多仍采取簡(jiǎn)單的腐蝕形貌對(duì)比法,當(dāng)量關(guān)系不夠嚴(yán)謹(jǐn)和準(zhǔn)確。
本工作以課題組采集的某艦載直升機(jī)護(hù)航海域環(huán)境數(shù)據(jù)編制了合金鋼裸材環(huán)境譜[5],在該海域附近開(kāi)展了自然暴露試驗(yàn)的同時(shí)在試驗(yàn)室條件下開(kāi)展了加速腐蝕試驗(yàn),自然暴露試驗(yàn)采用艦上掛片試驗(yàn),試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T 9276-1996《涂層自然氣候曝露試驗(yàn)方法》,用腐蝕程度對(duì)比法和疲勞壽命對(duì)比法兩種方法并通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析將艦面自然暴露試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了腐蝕當(dāng)量關(guān)系,最后為艦載直升機(jī)的腐蝕損傷評(píng)估及艦上維護(hù)提供支持。
圖1為本課題組利用根據(jù)某海域環(huán)境數(shù)據(jù)編制的合金鋼裸材的加速環(huán)境譜,該環(huán)境譜各模塊的加速時(shí)間是通過(guò)當(dāng)量折算法[6]將基本環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到,其中合金鋼一個(gè)循環(huán)時(shí)間為27min,162次循環(huán)對(duì)應(yīng)一個(gè)護(hù)航周期,約為6個(gè)月。
試驗(yàn)件為平板螺接連接式,尺寸如圖2所示,厚度為3.5mm,材料為30CrMnSiA。失重檢測(cè)設(shè)備為GH-202電子天平,精度為0.1mg。
護(hù)航一個(gè)周期的自然環(huán)境暴露試驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)合金鋼對(duì)腐蝕環(huán)境敏感性很高,腐蝕速度快,在很短時(shí)間內(nèi)便發(fā)生剝蝕現(xiàn)象,結(jié)果如圖3所示。與自然環(huán)境暴露腐蝕程度相比,實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕后試樣的宏觀腐蝕形貌與失重量基本一致,選取失重量作為合金鋼螺接件腐蝕程度的依據(jù)。自然環(huán)境暴露一個(gè)護(hù)航周期的合金鋼失重?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表1,試驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)162周期的失重?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。
圖1 合金鋼裸材加速環(huán)境譜Fig.1 Accelerated environment spectrum of alloy steel
圖2 試驗(yàn)件尺寸Fig.2 Dimensions of test piece
圖3 合金鋼試驗(yàn)件自然暴露腐蝕后形貌Fig.3 The morphology of alloy after corrosion for a convoy cycle
根據(jù)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道[7-8],金屬腐蝕后的數(shù)據(jù)一般符合正態(tài)分布,故可假設(shè)合金鋼失重符合正態(tài)分布,對(duì)自然暴露數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)測(cè)試,測(cè)試方法為Shapiro-Wilk法,計(jì)算P=0.064 41>0.05,方差σA為0.526 47,故顯著度水平0.05情況下自然暴露后合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)的失重量符合正態(tài)分布,如圖4所示。
對(duì)加速腐蝕162周期后的合金鋼數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布測(cè)試,測(cè)試方法為Shapiro-Wilk法,計(jì)算的P=0.128 91>0.05,方差σB為0.635 11,故顯著度水平0.05情況下加速腐蝕后合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)的失重量符合正態(tài)分布,如圖5所示。
表1 自然環(huán)境暴露一個(gè)護(hù)航周期合金鋼裸材連接件質(zhì)量變化Tab.1 The weight loss of alloy after a convoy cycle
表2 試驗(yàn)室加速腐蝕162周期失重?cái)?shù)據(jù)Tab.2 The weight loss of alloy after 162cycles of accelerated corrosion
圖4 自然暴露后失重值頻數(shù)直方圖Fig.4 The logarithm frequency histogram of weight loss after a convoy cycle
對(duì)自然環(huán)境中一個(gè)護(hù)航周期的試驗(yàn)件數(shù)據(jù)和加速腐蝕環(huán)境下試驗(yàn)件當(dāng)量一個(gè)周期的數(shù)據(jù)進(jìn)行一致性驗(yàn)證,先用F分布驗(yàn)證兩組數(shù)據(jù)的子樣方差一致性,再采用t檢驗(yàn)檢驗(yàn)兩組數(shù)據(jù)的子樣平均值,相關(guān)參數(shù)可直接查看HB/Z 112-1986標(biāo)準(zhǔn)。
圖5 加速腐蝕后失重值頻數(shù)直方圖Fig.5 The logarithm frequency histogram of weight loss after 162cycles of accelerated corrosion
(a)F檢驗(yàn)
故通過(guò)F檢驗(yàn),兩組合金鋼腐蝕失重在顯著度為0.05情況下方差相同。
(b)t檢驗(yàn)
由t檢驗(yàn)知兩組合金鋼腐蝕失重在顯著度為0.05情況下均值相同。可得出兩組數(shù)據(jù)的方差和均值在95%置信度下一致。故合金鋼裸材加速腐蝕162周期對(duì)于腐蝕失重的影響相當(dāng)于自然環(huán)境暴露一個(gè)護(hù)航周期。
腐蝕損傷最終影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性,從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命,甚至破壞飛機(jī)結(jié)構(gòu)的完整性,造成嚴(yán)重事故的發(fā)生。為了進(jìn)一步驗(yàn)證加速當(dāng)量關(guān)系,開(kāi)展腐蝕后試件的疲勞試驗(yàn),利用疲勞壽命對(duì)比補(bǔ)充驗(yàn)證加速當(dāng)量關(guān)系。
細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度(DFR)用于表征結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的疲勞品質(zhì),常被用于工程疲勞壽命估算中。由于合金鋼裸材螺接的幾何尺寸和連接形式一定,可用工程方法確定螺接結(jié)構(gòu)的DFR值。合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)的DFR計(jì)算如下:
式中:RC為疲勞額定系數(shù),A為孔充填系數(shù),B為合金和表面處理系數(shù),C為填頭深度系數(shù),D為材料疊層系數(shù),E為螺栓夾緊系數(shù),U為凸臺(tái)有效系數(shù),M為材料系數(shù)。
由《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第9冊(cè)查知A=1.0,B=0.95,C=1,D=1,E=0.87,η=1.76,U=1,M=2.2,載荷傳遞系數(shù)φ=0.767,DFRbaseL=121×φ×M=204.175,RC=1.76。計(jì) 算 得DFRL=297.002MPa,參考DFR值計(jì)算疲勞試驗(yàn)載荷的最大值 為PL=297.002×(50-10)×1.5=17 820.102N。疲勞載荷的加載頻率f=10Hz,循環(huán)應(yīng)力比R=0.06。
疲勞試驗(yàn)在MTS LandMark疲勞試驗(yàn)機(jī)上實(shí)施,載荷誤差小于1%。斷裂后試驗(yàn)件見(jiàn)圖6。
圖6 合金鋼螺接試驗(yàn)件斷裂Fig.6 The fracture of alloy bolted joints
由疲勞試驗(yàn)獲得的合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件的疲勞壽命見(jiàn)表3~表4。
表3 自然環(huán)境暴露一個(gè)護(hù)航周期合金鋼裸材疲勞壽命Tab.3 The fatigue life of bolted alloy joints after a convoy cycle
經(jīng)正態(tài)測(cè)試,表3和表4中的數(shù)據(jù)在顯著度水平0.05情況下符合正態(tài)分布。對(duì)表3和表4利用F分布和t分布檢驗(yàn)均值和方差是否具有一致性。自然環(huán)境暴露下合金鋼螺接件對(duì)數(shù)壽命的均值為4.529 35,方差為0.071 29。實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境下腐蝕162周期合金鋼螺接件對(duì)數(shù)壽命的均值為4.557 6,方差為0.074 06。
表4 試驗(yàn)室加速腐蝕162周期疲勞壽命Tab.4 The fatigue life of bolted alloy joints after 162 cycles of accelerated corrosion
(a)F檢驗(yàn)
故通過(guò)F檢驗(yàn),兩組合金鋼裸材螺接試驗(yàn)件疲勞壽命(實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)與亞丁灣自然環(huán)境暴露試驗(yàn))在顯著度為0.05情況下方差相同。
(b)t檢驗(yàn)
通過(guò)t檢驗(yàn),兩組合金鋼裸材螺接試驗(yàn)件疲勞壽命在顯著度為0.05情況下均值相同。
結(jié)果通過(guò)F分布和t分布檢驗(yàn),可得出兩組數(shù)據(jù)的均值和方差在95%置信度下一致,故在兩種腐蝕環(huán)境-時(shí)間歷程條件下,疲勞壽命再次驗(yàn)證了合金鋼裸材結(jié)構(gòu)的腐蝕當(dāng)量關(guān)系,即合金鋼裸材結(jié)構(gòu)加速腐蝕162周期對(duì)其疲勞性能的影響相當(dāng)于某海域自然環(huán)境暴露6個(gè)月。
周期浸潤(rùn)加速腐蝕試驗(yàn)與某海域自然環(huán)境暴露試驗(yàn)具有較好的相關(guān)性和重現(xiàn)性,試驗(yàn)件在當(dāng)量加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間和自然老化時(shí)間匹配時(shí),腐蝕失重和預(yù)腐蝕后疲勞壽命在95%置信度下一致。
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