不同环境下2D70铝合金低周疲劳性能的研究

(洪都航空工业集团，江西南昌，330024)

1 前言

通常依据实验室空气环境下材料的低周疲劳性能数据来估算飞机疲劳寿命。然而，飞机构件在服役期内会受到工业废气、潮湿天气等腐蚀，实际所处环境与实验室是不同的[1]。研究不同环境对金属材料低周疲劳行为的影响，对飞机结构的安全性和耐久性设计具有重要的意义。2D70 Al合金是航空工业重要的难变形材料，在航空领域应用广泛。目前国内外对2D70力学性能的研究，集中在拉伸性能[2－3]、持久蠕变性能[4]以及应力腐蚀敏感性[5]，对2D70在腐蚀环境的疲劳性能未见报道，对其它金属材料在腐蚀环境的疲劳性能研究也很少，仅限于湿空气和盐雾环境对疲劳裂纹扩展的影响[6－7]、硫化氢环境疲劳试验的自动测控系统研制[8]、腐蚀装置的设计[9]。本文通过对2D70 Al合金在空气、湿空气、盐雾及盐雾+SO24种环境进行低周疲劳试验，探讨了金属材料在腐蚀环境下低周疲劳试验方法，并研究了不同环境对2D70 Al合金低周疲劳性能的影响。该研究成果已被设计部门用于预测飞机在腐蚀环境的低周疲劳寿命。

2 实验

2.1 实验方法和材料

在实验室空气、湿空气(R.H.≥90%)、3.5%NaCl盐雾和3.5%NaCl盐雾+SO24种环境对2D70 Al合金进行低周疲劳试验，参照GB/T15248-1994、ASTM B117-85及相关标准进行。加载方式为轴向应变控制(应变比R=－1)，循环波形为三角波，应变速率4×10－3(mm/mm)/s。每条应变－寿命曲线做6个应变水平，每个应变水平置信度达到90%。试验结束后，在双对数坐标纸上绘制 Δεe/2－2Nf曲线、Δεt/－2Nf曲线、Δεp/2－2Nf曲线及Δσ/2－Δεp/2曲线，计算出参量，拟合得到循环σ-ε曲线及应变－寿命曲线。

试验材料为2D70铝合金，板厚40 mm，热处理状态T6态，取样方向L向，性能参数见表1。试样采用直径分别为7 mm和6 mm等截面试样，标距10 mm。

表1 材料性能Table 1 Properties of 2D70 alloy

2.2 实验装置

试验装置包括MTS810液压伺服疲劳试验机，引伸计，腐蚀盒，保鲜膜，加湿器及SO2气瓶，气管。

腐蚀盒参考吴宝娟等人的设计[9]，用3 mm厚有机玻璃加工成圆柱形盒子，底部通过法兰连接试样，但上盖并未采用有机玻璃，而是使用保鲜膜用橡皮筋密封，这样有效解决了腐蚀盒中试样上安装引伸计难的难题。为了在实验室中制出盐雾+SO2介质环境，运用了医用吊针，吊针针头扎在进气管上，吊针皮管则与SO2气瓶连接，腐蚀盒及进气管的连接如图1所示。

图1 腐蚀盒及进气管的连接示意图Fig.1 Sketch of the corrosion box connected with air inlet pipe

2.3 引伸计的安装

由于是低周疲劳实验，采用的是引伸计应变控制方式。在对每根试样进行实验时，发现因引伸计失稳，造成应变控制失效，最终实验失败的问题较严重。经过分析，得出几点原因:①引伸计上、下两刀口分别通过橡皮筋固紧在试样上，如果两根橡皮筋固紧力相差较大，实验中引伸计极易失稳;②腐蚀环境中，引伸计刀口固紧在试样上一段时间后，试样固紧处易过早出现疲劳损伤，造成应变控制失效;③引伸计刀口在腐蚀环境长期实验后，易产生缺口，使得实验中引伸计滑动。针对以上影响因素，通过大量实验摸索，我们想出了可行的解决办法:①引伸计刀口固紧在试样上时，调整两根橡皮筋固紧力一致。②在试样与引伸计固紧处贴上透明胶带，使引伸计刀口不直接接触试样表面，防止试样过早破坏。③引伸计使用一段时间后，取下引伸计刀口，用金相砂纸打磨后再继续使用，或者更换刀口。避免因刀口损伤造成的应变控制失效。

2.4 腐蚀介质的流通

实验环境包括湿空气、盐雾及盐雾+SO23种腐蚀环境，实验时间一长，湿空气在连接管中冷凝成水，盐雾堵塞加湿器，造成腐蚀介质流通不畅，影响实验。为此，在实验过程中须经常观察腐蚀介质的流通状况，经常清洁加湿器易堵塞处，并经常疏通连接管。另外，在盐雾+SO2环境中，因SO2气体有毒，一定要将门窗打开，将SO2气体随时排出。

3 结果及分析

4种环境实验得到的循环σ-ε曲线及应变—寿命曲线分别见图2、图3。

由图2，在同一坐标对比4种环境2D70的循环σ-ε曲线，可看出，应变相同时，循环应力大小为:空气＞湿空气＞盐雾＞盐雾+SO2。由图3，在同一坐标对比4种环境2D70的应变－寿命曲线，可看出，应变相同时，低周疲劳寿命大小为:空气＞湿空气＞盐雾及盐雾+SO2，盐雾和盐雾+SO2环境下2D70的低周疲劳寿命相近并为最低。

图2 4种环境循环的σ-ε曲线Fig.2 σ-ε curves under four conditions

图3 4种环境应变－寿命曲线Fig.3 Strain-life curves under four conditions

空气环境低周疲劳试样断口见图4、图5。由图4知，空气环境低周疲劳断口高差较大，裂纹起始于试样表面，由图5可见明显二次裂纹，并出现疲劳条带、韧窝，多为塑性条带。

腐蚀环境低周疲劳试样断口见图6、图7。在图6和图7中，肉眼无法辨别腐蚀环境低周疲劳断口的疲劳源和裂纹扩展区，经200ml∶80gCr2O3∶H2O的溶液清洗后微观观察，断裂起始于试样表面，断口呈沿晶特征，脆性条带较多。腐蚀环境由于含有水蒸汽，与铝合金试样表面反应生成氯，易导致氢脆。若腐蚀介质中有NaCl盐雾，则会加速氢脆的发生。这也就印证了4.1的结果分析。

4 结论

在实验室空气、湿空气、盐雾及盐雾+SO24种环境，当应变相同时，随腐蚀环境增强，2D70 Al合金的循环应力降低;当应变相同时，2D70 Al合金在盐雾及盐雾+SO22种环境下低周疲劳寿命相近，并且随腐蚀环境增强，低周疲劳寿命降低;随腐蚀环境增强，材料疲劳损伤程度越大。

References

[1]Li Zhiyi(李志义)，Ding Yinwei(丁信伟).金属材料的腐蚀疲劳[J].Chemical Engineering Mechanics(化工机械)，1995，22(4):239－242.

[2]Wang Guojun(王国军)，Lǚ Xinyu(吕新宇)，Jin Longbing(金龙兵).控制2D70铝合金热挤压棒材截面粗晶和力学性能的研究[J].Aluminium Work(铝加工)，2008(3):26－29.

[3]Wang Guojun(王国军)，Xiong Baiqing(熊柏青)，Zhang Yongan(张永安)，et al.固溶热处理对2D70合金挤压棒材组织与性能的影响[J].Metallic Heat Treatment(金属热处理)，2010(3):37－42.

[4]Yang Shoujie(杨守杰)，Huang Min(黄 敏)，Zhu Na(朱娜)，et al.2D70铝合金热稳定性研究[J].Jounal of Air Material(航空材料学报)，2003，(S1):73－77.

[5]Zhang Xiaoyun(张晓云)，Huo Qianming(霍乾明)，Sun Zhihua(孙志华)，et al.高强铝合金在不同环境下的应力腐蚀行为[J].Science Bulletin(科学通报)，2008(23):2 860－2 864.

[6]Shih T T，Clark W G.An Evaluation of Environment Enhanced Fatigue Crack Growth Rate Testing as an Accelerated Static Load Corrosion Test[J].Environment Sentive Fracture，2009:470－483.

[7]Fabis T R.Computer-Controlled Fatigue Crack Growth Rate Testing on Bend Bars in a Corrosive Environment[J].Environment Sensitive Fracture，2007:325 －339.

[8]Dong Yanjun(董延军)，Zhang Yiliang(张亦良)，Zhang Wei(张 伟).低周腐蚀疲劳试验自动测控系统的研制[J].Engineering Mechanics(工程力学)，2003(Suppl.):169－172.

[9]Wu Baojuan(吴宝娟)，Yu Xiaochun(於孝春).疲劳机上腐蚀装置的设计[J].Piped Technique and Equipment(管道技术与设备)，1995(6):10－12.