不同腐蚀环境对7475-T7351铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响.pdf

不同腐蚀环境对７４７５一Ｔ７３５１铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响不同腐蚀环境对７４７５－Ｔ７３５１铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＤｉｆｆｅｒｅｎｔＣｏｒｒｏｓｉｏｎＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｏｎＦａｔｉｇｕｅＰｒｏｐｅｒｔｙａｎｄＣｒａｃｋＧｒｏｗｔｈＲａｔｅｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ＡｌｕｍｉｎｕｍＡｌｌｏｙ宫玉辉，刘铭，张坤，黄敏，伊琳娜，戴圣龙（北京航空材料研究院，北京１０００９５）———Ｇ０ＮＧＹｕｈｕｉ，ＬＩＵＭｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＫｕｎ，ＨＵＡＮＧＭｉｎ，ＹＩＬｉｎｎａ，ＤＡＩＳｈｅｎｇｌｏｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９５，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用轴向加载疲劳和疲劳裂纹扩展速率性能测试方法，研究了不同腐蚀环境对７４７５－Ｔ７３５１铝合金厚板疲劳及裂纹扩展性能的影响。结果表明：腐蚀环境对７４７５铝合金的疲劳性能有较大影响，油箱积水和３．５（质量分数，下同）ＮａＣ１溶液中光滑试样的疲劳强度较室温下降约６８，油箱积水和３．５ＮａＣ１溶液环境对材料疲劳强度的影响程度基本相同；不同环境腐蚀（空气和３．５ＮａＣ１）和不同温度（室温和１２５￣Ｃ）对材料的低周疲劳性能影响不大；腐蚀环境对裂纹扩展有较明显的加速作用，油箱积水和３．５ＮａＣ１溶液环境对裂纹扩展的加速规律基本一致。关键词：７４７５铝合金；腐蚀环境；疲劳性能；疲劳裂纹扩展速率中图分类号：ＴＧ１４６．２１文献标识码：Ａ—文章编号：１００１－４３８１（２０１０）０９００７１－０３Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｄａｍａｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍ—ａｌｌｏｙｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｂｙａｘｉａｌｌｏａｄｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔ，ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｔｅｓｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｒｒｏｓｉｖｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ，ａｎｄｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｍｏｏｔｈｓｐｅｃｉｍｅｎｉｎｆｕｅｌｔａｎｋｏｒｉｎ３．５（ｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ）ＮａＣ１ｓｏｌｕｔｉｏｎｄｅｃｒｅａｓｅｓｂｙ６８ｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｔｏｒｏｏｍｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄ—ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｗａｔｅｒｉｎｒｕｅｌｔａｎｋａｎｄ３．５ＮａＣ１ｓｏｌｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓｉｓａｌｍｏｓｔｔｈｅｓａｍｅ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｒｒｏｓｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｎｌｏｗｃｙｃｌｅｆａｔｉｇｕｅｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ａｒｅｌｅｓｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｖｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｃｃｅｌｅｒａｔｅｓｓｔｒｏｎｇｌｙｔｈｅｒａｔｅｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｆｕｅｌｔａｎｋａｎｄ３．５％ＮａＣ１ｓｏｌｕｔｉｏｎａｌＩａｃｃｅｌｅｒａｔｅｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｂｙａｌｍｏｓｔｔｈｅｓａｍｅｐａｔｔｅｒｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：７４７５ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ；ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｒＤｔＰ疲劳损伤和腐蚀损伤是两类最主要的飞机结构的损伤形式Ｌ１］，而疲劳损伤又多半在腐蚀环境中产生ｌ＿３］，腐蚀环境对材料疲劳性能的影响是飞机结构设计使用的关键问题ｌ＿４］。航空铝合金材料大量用于飞机结构件，腐蚀环境的存在会加速形成疲劳裂纹并扩展］，从而影响飞机结构疲劳寿命及其剩余强度，对飞机使用及安全产生威胁＿ｇ］。国内外７４７５厚板疲劳性能已开展研究工作＿】¨］，但不同环境对７４７５铝合金疲劳性能的影响鲜有报道。本工作采用国产７４７５一Ｔ７３５１铝合金厚板，开展不同腐蚀环境下轴向疲劳性能及疲劳裂纹扩展实验，研究材料在不同腐蚀环境下的疲劳行为，为国产７４７５一Ｔ７３５１铝合金厚板的工程应用提供技术基础。ｌ实验材料及方法１．１实验材料实验材料为８１７ｍｍ厚的７４７５一Ｔ７３５１厚板，化学成分（质量分数／）如下：５．８９Ｚｎ，２．４８Ｍｇ，１．５９Ｃｕ，０．００１７Ｍｎ，０．２２Ｃｒ，０．Ｏ１７Ｔｉ，０．０５６Ｆｅ，＜０．０３Ｓｉ，余量Ａｌ。１．２实验方法低周疲劳性能实验按ＧＢ／Ｔ１５２４８－－９４｛金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》，在１０Ｔ液压伺服疲劳试验机上进行。采用等截面试样，直径ｄ＝６．５ｍｍ，标距长度１０ｍｍ，试样表面纵向磨光。轴向加载应变７２材料工程／２０１０年９期速率４×１０（ｒｎｍ・ｉＴｌｍ）／ｓ，三角波。—轴向疲劳性能实验按ＨＢ５２８７９６《金属材料轴向加载疲劳试验方法》进行，取样方向为ＬＴ向，应力比Ｒ一０．０６，测定光滑试样（Ｋ一１）和缺口试样（Ｋ一３），在室温空气环境、３．５（质量分数，下同）ＮａＣ１溶液、油箱积水三种不同腐蚀环境下的疲劳寿命』＼，曲线。疲劳裂纹扩展速率按ＧＢ／Ｔ６３９８－－２０００《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》进行，实验频率为１０Ｈｚ，采用Ｃ（Ｔ）试样，Ｒ一一１，０．０６，０．５，测定室温空气环境、３．５ＮａＣ１溶液、油箱积水三种腐蚀环境下的疲劳裂纹扩展速率。２实验结果及分析２．１不同环境下合金的轴向疲劳性能不同环境（空气和３．Ｓ９／６ＮａＣ１溶液）与不同温度℃（室温和１２５）的低周疲劳曲线对比分别见图１和图２。从图１可以看出，３．５ＮａＣ１溶液环境的低周疲劳曲线稍低于室温空气环境的低周疲劳曲线，说明腐蚀环境对材料的低周性能影响并不明显；图２表明高温℃１２５ｏＣ的低周疲劳曲线略低于室温，说明１２５对材料的低周性能影响不大。室温空气、３．５ＮａＣ１溶液和油箱积水环境下不同应力集中系数的疲劳ＳＮ曲线对比见图３。可以看出，腐蚀环境对材料的疲劳性能有较大影响，对应５×１Ｏ循环次数，Ｋ一１试样腐蚀环境与空气环境的疲劳强度相比降低了约６８，Ｋ一３试样腐蚀环境的疲劳强度降低约３６。两种腐蚀环境相比较，油箱积水和ｌ０ｌ０３＂。：ｌＣｓｏｌｉｏｎＵｆｌ＼’’－一；｝”。。■ｉ’。。—’ｒ＿‘】１０１０ｌ０１０２Ｎｆ／ｃｙｃｌｅ图１７４７５Ｔ７３５１铝合金厚板空气与３．５ＮａＣ１溶液环境应变一寿命曲线对比—Ｆｉｇ．１Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅｓｔｒａｉｎｌｉｆｅｕｎｄｅｒａｉｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄ３．５ＮａＣ１ｓｏｌｕｔｉｏｎｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ℃；ｊａ２５｝Ｉ…℃Ｉ｛ｊ｝上『１１２５【Ｉ１１…１｛～‘Ｌ…黯ｌ２Ｎｒ｜ｃｙｃｌｅ图２７４７５一Ｔ７３５１铝合金厚板室温与高温应变一寿命曲线对比—Ｆｉｇ．２Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅｓｔｒａｉｎｌｉｆｅｂｅｔｗｅｅｎｒｏｏｍ℃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（２５）ａｎｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ（１２５￣Ｃ）ｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ３．５０ＡＮａＣ１溶液环境的疲劳曲线基本重合，说明这两种腐蚀环境对材料疲劳强度的影响程度基本相同。ｔｈｅ＇ＩＩＩ４Ｉｌ川：ｎＩＬＬ—３５％ＮａＣｌＳＯｕｔｌ０ｎｏＷａｔｅｒｉｎｆｕｅｌａｎｋ图３７４７５一Ｔ７３５１铝合金厚板三种环境下的疲劳Ｎ曲线对比（ａ）Ｋ＝１，Ｒ＝０．０６；（ｂ）Ｋ＝３，Ｒ一０．０６Ｆｉｇ．３ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅＮｃｕｒｖｅｓｕｎｄｅｒｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ（ａ）Ｋｔ一１，Ｒ一０．０６；（ｂ）Ｋｔ一３，Ｒ一０．０６２．２不同腐蚀环境下合金的疲劳裂纹扩展速率７４７５一Ｔ７３５１厚板室温空气和３．５ＮａＣ１溶液腐—蚀环境下不同应力比的ｄａ／ｄＮＡＫ曲线见图４。两种环境下的疲劳裂纹扩展曲线对比可以看出在腐蚀环境不同腐蚀环境对７４７５一Ｔ７３５１铝合金疲劳性能及裂纹扩展速率的影响７３下疲劳裂纹扩展速率明显加快，说明腐蚀环境对裂纹扩展有较明显的加速作用。三个应力比（Ｒ一０．５，０．０６，一１）下，腐蚀环境对裂纹扩展的加速规律基本一致。即在低应力强度因子作用下空气与腐蚀环境下的裂纹扩展速率差别不大，随着应力强度因子的提高，腐３结论１０。２’ｌ０。‘１０１０。１ｌ０ｌ００ＡＫ／（ＭＰａ・ｍ）蚀环境与空气环境裂纹扩展速率的差异逐渐加大，腐蚀环境的加速作用逐渐增强。三个应力比下，对应１×１０循环次数，相同应力强度因子水平下，３．５ＮａＣ１溶液腐蚀环境比空气环境的裂纹扩展速率提高了１倍。三（ｂ）Ｌ．Ｔ＿一ｌｉ一Ｉ一】Ｄ静Ｘ墒抖Ｊ一一ｉＪ三＝Ａ＝Ｕ３：ａＲ＝０．０６一—ｏＲｌｉ１０１００＾Ｋ／ｆＭＰａ・ｍ１图４７４７５一Ｔ７３５１铝合金不同应力比下的裂纹扩展速率对比（ａ）空气环境；（ｂ）３．５ＮａＣ１溶液Ｆｉｇ．４Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈｒａｔｅｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔｒｅｓｓｒａｔｉｏｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ（ａ）ａｉｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；（ｂ）３．５ＮａＣ１ｓｏｌｕｔｉｏｎ（１）腐蚀环境对７４７５一Ｔ７３５１铝合金的高周疲劳性能有较大影响，对应５×１０循环次数，Ｋ一１时试样腐蚀环境与空气环境的疲劳强度相比降低了约６８，Ｋ一３时试样腐蚀环境的疲劳强度降低约３６；油箱积水和３．５ＮａＣ１溶液环境对材料疲劳强度的影响程度基本相同。（２）３．５ＮａＣ１溶液的腐蚀环境对７４７５一Ｔ７３５１铝℃合金的低周疲劳性能影响并不明显，而１２５高温对其低周疲劳性能影响也不大。（３）腐蚀环境对三个应力比（Ｒ一０．５，０．０６，一１）下的裂纹扩展有较明显的加速作用，腐蚀环境对裂纹扩展的加速规律基本一致。Ｅｌｉ［２］［３］［４］［５］参考文献ＲｏＢＥＲＴＰＷＥ１．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄＣｏｒｒｏｓｉｏｎＦａｔｉｇｕｅｏｆＡｉｒｆｒａｍｅ—Ｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｍ］．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ，Ｄ．Ｃ．：ＡｖａｉｌａｂｌｅｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＳｅｒｖｉｃｅ，２０００．蒋祖国．飞机结构腐蚀疲劳［Ｍ］．北京：航空工业出版社，１９９２．３９—４Ｏ．鲍蕊，张建宇，费斌军．潮湿空气环境对２０２４一Ｔ３铝合金疲劳性能—的影响［Ｊ］．材料研究学报，２００７，２１（５）：５４８５５０．ＳＨＩＰＩＬＯＶＳＡ．腐蚀疲劳裂纹扩展的机理［Ｊ］．中国腐蚀与防护—学报，２００４，２４（６）：３２１３３３．ＺＡＭＢＥＲＪＥ，ＨＩＬＬＢＥＲＲＹＢＭ．Ａｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃａｐｐｒｏａｃｈｔｏｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｆａｔｉｇｕｅｌｉｖｅｓｏｆｃｏｒｒｏｄｅｄ２０２４一Ｔ３ＥＪ］．ＡＩＡＡ，１９９９，３７—（１０）：ｌ３１１１３１７．［６］杨胜，易丹青，杨守杰，等．腐蚀环境下２Ｅｌ２航空铝合金疲劳裂纹—扩展行为研究［Ｊ］．材料工程，２００７，（ｉ２）：２６２９．［７］秦剑波，王生楠，刘亚龙，等．腐蚀环境下２０２４一Ｔ３铝合金疲劳裂—纹扩展和剩余强度试验研究［Ｊ］．材料工程，２００６，（３）：１４１７．［８］杨晓华，姚卫星，段成美．腐蚀环境下ＬＣ４铝合金疲劳损伤累积规—律研究＿Ｊ］．航空材料学报，２００３，２４（３）：２３４２３６．Ｅｇ］ＡＳＴＭＳＴＰ１２９８，ｐｉｔｔｉｎｇｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｎｕｃｌｅａｔｉｏｎ，ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｎｔｈｅｉｎｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈ［Ｓ］．—［１Ｏ］ＬＡＲＯＵＣＨＥＳ，ＢＥＲＮＡＤＭ，ＢＵＩＱＵＯＣＴ，ｅｔａ１．Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ————ｃｏｌｄｗｏｒｋｉｎｇａｎｄｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｆｉｔｏｎｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｏｆ７４７５Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｆａｓｔｅｎｅｒｈｏｌｅ［Ａ］．ＤｅｓｉｇｎｆｏｒＤｕｒａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅ—ＤｉｇｉｔａｌＡｇｅｖｏｌＩＩ－２１ｓｔＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｆｔｈｅＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｍｍｉｔｔｅｅｏｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＦａｔｉｇｕｅ（ＩＣＡＦ２００１）［Ｃ］．Ｔｏｕｌｏｕｓｅ，—Ｆｒａｎｃｅ：ＩＣＡＦ，２００１．６８１６９８．［１１］刘铭，张坤，黄敏，等．７４７５一Ｔ７３５１铝合金抗疲劳性能研究［Ｊ］．稀—有金属，２００９，３３（５）：６２６６３０．—［１２］ＫＡＳＳＩＭＳ，ＡＬＲｕＢＡＩＥＥＭＥＲｓ０ＮＫＬ，ＢＡＲＲＯＳ￣ＬＥＯＮＡＲＤＯ—Ｂ．Ｆａｔｉｇｕｅｃｒａｃｋｇｒｏｗｔｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｒｅ￣ｓｔｒａｉｎｅｄ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦａｔｉｇｕｅ，２００６，（２８）：９３４～９４２．—［１３］ＫＩＭＳＡＮＧＴＡＥ，ＴＡＤＪＩＥＶＤＡＭＩＲ，ＹＡＮＧＨＹＵＮＴＡＥ．Ｆａｔｉｇｕｅｌｉｆｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｕｎｄｅｒｒａｎｄｏｍｌｏａｄｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎ７４７５一Ｔ７３５１ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｕｓｉｎｇｔｈｅＲＭＳｍｏｄｅｌ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ—ＪｏｕｒｎａｌｏｆＤａｍａｇｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２００６，１５（１）：８９１０２．———收稿日期：２００９０４１３；修订日期：２０１００３２２作者简介：宫玉辉（１９８ｌ一），女，助理工程师，从事铝合金专业，联系地—址：北京市８１信箱２分箱（１０００９５），Ｅｍａｉｌ：ｋａｏｌａ＠ｙａｈｏｏ．ａｎ一０一ｕ０．ｕＪＬｕＪ，之口、≈一．０一ｕ＾。．Ｌｕｇ一＼乏口＼ｑ