鄭 捷 劉 洋,2 童明波

1.南京航空航天大學(xué)飛行器先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，南京，2100162.中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都，610091

0 引言

7475鋁合金是美國(guó)研究人員于20世紀(jì)70年代為滿足航空材料高強(qiáng)度和高韌性的要求，在7075鋁合金的基礎(chǔ)上研制出的高純鋁合金。7475鋁合金具有良好的綜合性能，廣泛地應(yīng)用于一些民機(jī)與軍機(jī)的主體結(jié)構(gòu)(如F-16的機(jī)身隔板、殲轟-7飛機(jī)主體結(jié)構(gòu)部位、殲10戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼的下壁板)。與7075鋁合金相比，7475鋁合金的抗疲勞性能和斷裂韌性得到了較大的改善[1-2]，但海洋大氣環(huán)境中含有硝酸根離子、氯離子和硫酸根離子等，這些離子會(huì)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面形成酸性液膜，進(jìn)而會(huì)破壞7475鋁合金表面的保護(hù)膜，并發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，這將嚴(yán)重影響其疲勞性能[3-6]。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已對(duì)多種環(huán)境下(如海洋大氣環(huán)境、室溫環(huán)境和高溫環(huán)境等)的7475鋁合金材料的力學(xué)性進(jìn)行了研究[7-11]。劉銘等[7]分析比較了不同溫度下和應(yīng)力比下7475鋁合金的耐損傷疲勞性能，他們發(fā)現(xiàn)，高溫使得材料的疲勞極限減小，材料在高溫下缺口敏感性有所降低；應(yīng)力比的增大會(huì)導(dǎo)致厚板材料的裂紋擴(kuò)展門檻值減小，裂紋擴(kuò)展速率增大。宮玉輝等[10]對(duì)不同腐蝕環(huán)境下7475-T7351鋁合金材料的抗疲勞性能和裂紋擴(kuò)展特性進(jìn)行了研究，得到了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液環(huán)境和油箱積水對(duì)材料耐損傷疲勞性能的影響程度基本相同的結(jié)論。SCHEEL等[11]研究了分別采用低可塑性打磨(low-plasticity burnishing，LPB)方法和噴丸(shot peening,SP)方法處理的7475-T7351鋁合金試件在腐蝕環(huán)境下的性能, 研究結(jié)果表明：與噴丸處理方法相比，采用LPB處理方法形成的熱機(jī)械穩(wěn)定殘余壓力層更深，其深度遠(yuǎn)大于腐蝕坑的深度，因此LPB處理方法能增強(qiáng)7475-T7351鋁合金的抗腐蝕疲勞性能。

綜觀國(guó)內(nèi)外的研究，目前的研究對(duì)象多為尺寸較小的標(biāo)準(zhǔn)件試樣，采用的載荷譜也基本為等幅譜，而有關(guān)隨機(jī)譜作用下連接件的抗腐蝕疲勞性能的研究報(bào)道較少。本文采用標(biāo)記載荷法和詳細(xì)目視檢測(cè)法，分析了在隨機(jī)載荷譜下腐蝕環(huán)境對(duì)7475鋁合金連接件的耐損傷疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)件與材料

本研究的試驗(yàn)件為梁下緣條根部連接區(qū)模擬件，試驗(yàn)件由三部分組成，分別為內(nèi)側(cè)梁結(jié)構(gòu)、下壁板、肋中段，其中內(nèi)側(cè)梁結(jié)構(gòu)、下壁板的材料是7574-T7351鋁合金(其材料力學(xué)性能參數(shù)見表1[12])，而肋中段的材料是TA15合金，三板之間采用多排螺栓連接，螺栓連接段為試驗(yàn)段，而梁模擬件、下壁板模擬件端頭采用15個(gè)鉚釘連接，如圖1所示。為模擬實(shí)際的結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)件表面均涂有防護(hù)漆，連接處填充有密封膠。

表1 7475-T7351鋁合金力學(xué)性能Tab.1 Mechanical properties of 7475-T7351 aluminum alloy

2 試驗(yàn)方法

圖1 試驗(yàn)件外觀圖Fig.1 Appearance drawing of the specimen

試驗(yàn)件分為兩組：第一組試驗(yàn)件僅在室溫環(huán)境中受到疲勞載荷作用，該組試驗(yàn)過程為：循環(huán)加載隨機(jī)載荷譜塊，直至試驗(yàn)件受到破壞；第二組試驗(yàn)件受到腐蝕環(huán)境與疲勞載荷循環(huán)作用，以模擬沿海飛機(jī)停放-飛行-停放過程，該組試驗(yàn)的具體過程為：每進(jìn)行10個(gè)周期的耐久性試驗(yàn)后，再進(jìn)行1次環(huán)境腐蝕試驗(yàn)，腐蝕時(shí)間為18 h，以此反復(fù)，直至試驗(yàn)件受到破壞。

2.1 環(huán)境譜

環(huán)境譜參考北大西洋公約組織在9個(gè)國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室開展預(yù)腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)壽命影響研究時(shí)所用的實(shí)驗(yàn)室加速環(huán)境譜[13]，由如下兩部分構(gòu)成。

(1)酸性NaCl溶液浸泡?？紤]飛機(jī)腐蝕環(huán)境要素主要為鹽霧、酸性氣體和潮濕空氣等，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液中加入少量稀H2SO4，使pH值達(dá)到4.0～4.5，以模擬鹽霧和酸性氣體的作用。

(2)溫濕環(huán)境下表面溶液的烘干過程。在40 ℃左右及相對(duì)濕度為90%～95%條件下，用遠(yuǎn)紅外燈照射烘干試驗(yàn)件，以模擬潮濕空氣及凝露的作用過程。

一個(gè)加速譜周期共45 min,其中，浸泡15 min,外烘烤30 min，分別見圖2、圖3。

圖2 浸泡腐蝕過程Fig.2 The process of soaking corrosion

圖3 烘干過程Fig.3 The drying process

本試驗(yàn)在MTS電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，載荷加載采用力控制模式，加載頻率為50 Hz。為保證夾具與試驗(yàn)件接觸良好，增加了墊片，疲勞試驗(yàn)在室溫空氣介質(zhì)中進(jìn)行，見圖4。

圖4 疲勞試驗(yàn)Fig.4 Fatigue test

2.2 標(biāo)記載荷的確定

本疲勞試驗(yàn)采用的是隨機(jī)譜，該譜塊包含約2.5萬(wàn)對(duì)峰谷值。由于試驗(yàn)譜是隨機(jī)的，每個(gè)載荷譜塊在試驗(yàn)件斷裂時(shí)，在斷口處很難留下明顯的痕跡，尤其是螺栓連接件裂紋多從內(nèi)部產(chǎn)生，先產(chǎn)生角裂紋后擴(kuò)展到表面形成穿透裂紋，該段裂紋難以判讀，無法確定裂紋起裂的載荷譜塊數(shù)，因此需借助標(biāo)記載荷留下的裂紋條帶進(jìn)行分析[14]。依據(jù)雨流處理后的柱狀分布圖(圖5)和裂紋閉合效應(yīng)，來確定標(biāo)記載荷譜的應(yīng)力比為0.6[15-16]，峰值為80 kN，谷值為48 kN，循環(huán)數(shù)為500。由于標(biāo)記載荷譜的等效幅值小于疲勞極限即可認(rèn)為標(biāo)記載荷不會(huì)對(duì)試驗(yàn)件的壽命產(chǎn)生影響，但當(dāng)單個(gè)載荷譜塊加載完成后，能在斷口截面留下條帶標(biāo)記，因此，標(biāo)記載荷可用于記錄載荷譜塊的加載次數(shù)。圖6為加入標(biāo)記載荷后的載荷譜局部圖。

圖5 雨流處理后載荷譜柱狀分布圖Fig.5 Columnar distribution of loading spectrum after rain

圖6 載荷譜局部圖(含標(biāo)記載荷)Fig.6 The part drawing of load spectrum (including maker loads)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從下壁板的一面(即梁模擬件正面)可以看出，試驗(yàn)件螺栓連接處(釘頭周圍)存在少量白色粉狀的腐蝕脫落物以及少量的鹽漬，如圖7所示。由此可知，此次試驗(yàn)設(shè)定的腐蝕環(huán)境對(duì)下壁板螺栓連接處造成了輕微的腐蝕。

圖7 下壁板腐蝕情況(模擬件正面)Fig.7 The corrosion of the lower wall panel (front side of the specimen)

如圖8所示,從梁模擬件的反面可以看出，腐蝕環(huán)境對(duì)螺母、墊片以及外部的螺栓造成了較為明顯的腐蝕效果。但從試驗(yàn)件(除去螺釘、螺栓與墊片部分)表面來看，此次試驗(yàn)設(shè)定的腐蝕環(huán)境并未對(duì)試驗(yàn)件表面的噴漆造成明顯的影響，表面的噴漆未出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)件之間的密封膠也沒有脫落。

圖8 梁側(cè)腐蝕情況(模擬件反面)Fig.8 The corrosion of the beam side (back side of the specimen)

3.1 斷口裂紋條帶分析

本研究采用GE5顯微鏡分析斷口裂紋條帶，該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)高分辨率圖像觀察、測(cè)量與存儲(chǔ)。因連接件的下壁板最先受到破壞而斷裂，故以下壁板為研究對(duì)象。由疲勞斷口的宏觀形貌(圖9)可知：疲勞裂紋均萌生于試驗(yàn)件表面(即螺栓沉頭處)，這是因?yàn)榱鸭y形成時(shí)內(nèi)部發(fā)生滑移和相互摩擦而使裂紋源處發(fā)亮。疲勞裂紋從源區(qū)向試驗(yàn)件內(nèi)部擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展區(qū)較為平坦。在空氣疲勞試驗(yàn)中，因標(biāo)記載荷法得到的條帶標(biāo)記明顯，故可測(cè)得各標(biāo)記條帶之間的間距，如圖10所示。

圖9 試驗(yàn)件局部斷口(未經(jīng)腐蝕處理)Fig.9 The fracture section of the test specimen (without corrosion)

圖10 試驗(yàn)件中的裂紋條帶(未經(jīng)腐蝕處理)Fig.10 Strip-band of the test specimen (without corrosion)

試驗(yàn)中，在腐蝕介質(zhì)與循環(huán)載荷交替作用下，穿透裂紋形成之后，腐蝕溶液進(jìn)入到裂紋中，使得腐蝕裂紋條帶變得較為模糊，如圖11所示，且疲勞源附近的裂紋條帶均無法辨識(shí)，如圖12所示。

圖11 試驗(yàn)件中的裂紋條帶(經(jīng)腐蝕處理)Fig.11 Strip-band of the test specimen (with corrosion)

圖12 試驗(yàn)件的疲勞源(經(jīng)腐蝕處理)Fig.12 The fatigue source of the test specimen (with corrosion)

采用詳細(xì)目視檢測(cè)和裂紋條帶判讀的方法，記錄形成穿透裂紋所需的載荷譜塊數(shù)和下壁板斷裂破壞所需的載荷譜塊數(shù)，見表2，其中每個(gè)譜塊對(duì)應(yīng)2.5萬(wàn)個(gè)循環(huán)周次，可用來表征裂紋的擴(kuò)展壽命。

表2 各階段所需的載荷譜塊數(shù)Tab.2 The number of load blocks required for each stage

由于試驗(yàn)件表面的防護(hù)漆抗腐蝕性能較好，且連接處存在密封膠，因此腐蝕介質(zhì)在裂紋穿透之前，對(duì)試驗(yàn)件螺栓連接處內(nèi)部造成的影響較小。通過對(duì)比兩種試驗(yàn)形成裂紋穿透所需的載荷譜塊數(shù)可得，兩者裂紋擴(kuò)展至表面形成穿透裂紋的擴(kuò)展壽命僅相差5.5%。

當(dāng)裂紋擴(kuò)展至表面形成穿透裂紋時(shí)，腐蝕介質(zhì)會(huì)進(jìn)入試驗(yàn)件內(nèi)部，這會(huì)對(duì)試驗(yàn)件裂紋擴(kuò)展過程產(chǎn)生一定的影響。將穿透后的裂紋擴(kuò)展壽命作對(duì)比得出：當(dāng)受腐蝕作用的影響時(shí)，在指定的隨機(jī)載荷作用下，穿透裂紋的擴(kuò)展壽命縮短了23.1%。

由下壁板完全斷裂時(shí)所加載的載荷譜塊數(shù)可得到下壁板完全斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)，即可視為梁結(jié)構(gòu)連接件的失效破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，由此可知：該連接件受到腐蝕作用的影響時(shí)，整體壽命縮短了11.5%。

3.2 裂紋擴(kuò)展過程分析

受到腐蝕作用的影響時(shí)，試驗(yàn)件中由標(biāo)記載荷法產(chǎn)生的裂紋條帶辨識(shí)度降低；而詳細(xì)目視檢測(cè)法可辨別出的最小可檢裂紋為3.75 mm。綜上所述，本文結(jié)合詳細(xì)目視檢測(cè)法與標(biāo)記載荷法，對(duì)下壁板的裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行研究。選取初始長(zhǎng)度約為4 mm的裂紋進(jìn)行擴(kuò)展，并對(duì)比分析未經(jīng)腐蝕處理和腐蝕環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展過程的影響，分別見圖13和圖14。

圖13 裂紋擴(kuò)展曲線(未經(jīng)腐蝕處理)Fig.13 The curve of the crack propagation (without corrosion)

圖14 裂紋擴(kuò)展曲線(經(jīng)腐蝕處理)Fig.14 The curve of the crack propagation (with corrosion)

由圖13和圖14可知，在隨機(jī)載荷作用下，腐蝕環(huán)境對(duì)裂紋擴(kuò)展過程有明顯的加速作用，腐蝕環(huán)境還加劇了穿透裂紋擴(kuò)展過程的分散性。

4 結(jié)論

(1)在裂紋成核及裂紋穿透階段，試驗(yàn)件受到表面的防護(hù)漆及連接處的密封膠保護(hù)，腐蝕環(huán)境對(duì)該階段梁結(jié)構(gòu)模擬件的疲勞壽命影響不明顯。

(2)腐蝕環(huán)境不僅加速了穿透裂紋的擴(kuò)展過程，還加劇了穿透裂紋擴(kuò)展過程的分散性。

(3)在腐蝕環(huán)境與疲勞載荷循環(huán)作用下，標(biāo)記載荷法效果較差，需結(jié)合詳細(xì)目視檢測(cè)法或更先進(jìn)的方法進(jìn)行研究。