摘要: 本文采用中性鹽霧對AF1410超高強度鋼進行不同時間的預(yù)腐蝕，并對預(yù)腐蝕后的試樣進行不同載荷下疲勞試驗，對預(yù)腐蝕疲勞壽命進行研究。得到了該材料的預(yù)腐蝕疲勞壽命S-N曲線，提出了預(yù)腐蝕對AF1410鋼疲勞壽命影響系數(shù)C曲線，并對其進行曲線擬合；對預(yù)腐蝕不同時間T、不同疲勞加載S下的預(yù)腐蝕疲勞壽命數(shù)據(jù)進行全面分析，得到了預(yù)腐蝕時間和疲勞加載對材料壽命的影響系數(shù)C-T-S曲面，最終建立預(yù)腐蝕損傷對疲勞壽命影響的擬合公式，研究了預(yù)腐蝕對AF1410鋼疲勞壽命影響的動力學(xué)規(guī)律。

關(guān)鍵詞: 預(yù)腐蝕；S-N曲線；C曲線；C-T-S曲面。

引 言

腐蝕的存在將顯著地降低金屬材料的強度和硬度，從而對其工程結(jié)構(gòu)完整性帶來極大的傷害，尤其是海洋環(huán)境中的腐蝕。而面臨的現(xiàn)狀是隨著我國航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對高強度、高韌性材料的需求不斷增加[1,2]。

AF1410鋼具有高強度、高斷裂韌性、良好的加工性能和焊接性能而廣泛用于航空結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域，如起落架等關(guān)鍵部位[3,4]，該結(jié)構(gòu)材料在使用過程中對腐蝕環(huán)境相當(dāng)敏感[5]，腐蝕環(huán)境加速疲勞裂紋擴展源形成及裂紋的擴展，進而降低結(jié)構(gòu)材料的抗疲勞性能[6]，從而影響飛機結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

目前，大多數(shù)研究集中在預(yù)腐蝕損傷、顯微組織對疲勞壽命影響的研究[7-11]。趙學(xué)鋒提出了預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)的分析方法[12]。劉建華等[3,4]研究了AF1410中性鹽霧腐蝕行為，并建立在單一加載下的預(yù)腐蝕疲勞壽命影響規(guī)律，等等。這方面的研究往往建立在少量的、典型試驗基礎(chǔ)之上，尚不全面，缺乏可信度。本文采用能較好模擬海洋大氣環(huán)境的中性鹽霧試驗方法[13]，對預(yù)腐蝕不同時間AF1410鋼試樣進行不同疲勞載荷下疲勞壽命測試，系統(tǒng)全面地研究中性鹽霧預(yù)腐蝕對疲勞壽命影響規(guī)律，建立基于較高安全系數(shù)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停瑸轱w機結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件選材提供科學(xué)依據(jù)。

一 實驗部分

1.1 實驗材料及方法

AF1410鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為C 0.16，Mn 0.03，Si 0.02，Cr 1.92，Ni 9.83，Co 14.1，Ti 0.01，F(xiàn)e余量，其熱處理制度為：860℃，保溫1小時，油冷，然后-70℃ 冷處理1小時，最后在510℃保溫5小時空冷時效。屈服強度為1620MPa，抗拉強度為1750MPa。

圖1  疲勞試樣加工示意圖(單位：mm)

將AF1410鋼按圖1所示加工，將兩端用樹脂封閉，裸露中間實驗部分，并保持400mm2的面積，對其進行中性鹽霧腐蝕實驗。連續(xù)噴霧介質(zhì)為3.5% NaCl (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)水溶液(pH=7)，溫度控制為35±1℃，預(yù)腐蝕周期分別為0、5、10、15、20天，每個時間點選30個平行試樣。

采用英國產(chǎn)Instron-8801型電液伺服疲勞實驗機在室溫（28±1℃）下對中性鹽霧預(yù)腐蝕試樣進行疲勞實驗，疲勞加載分別采用676、736、796、916、1036MPa（即74.5%、78.0%、85.0%、90.0%σb）的加載，應(yīng)力比為0.1，頻率為30Hz，保持95%的置信度。對AF1410鋼預(yù)腐蝕疲勞壽命進行分析，獲得鹽霧預(yù)腐蝕疲勞S-N曲線，并進一步對預(yù)腐蝕對材料疲勞壽命影響規(guī)律進行分析研究。

二 結(jié)果與討論

2.1 疲勞實驗結(jié)果及S-N曲線分析

對預(yù)腐蝕疲勞試驗過程中的數(shù)據(jù)進行分析，保證試樣數(shù)據(jù)滿足95%置信度和5%相對誤差的要求。得到了中性鹽霧預(yù)腐蝕0天、5天、10天、15天、20天的AF1410鋼在加載應(yīng)力分別為676、736、796、916、1036MPa下疲勞實驗數(shù)據(jù)，如圖2。

對AF1410鋼預(yù)腐蝕不同時間試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)繪制成疲勞壽命分布圖，如圖2數(shù)據(jù)點所示。由圖可見：隨著加載應(yīng)力的增加，疲勞壽命逐漸降低。在相同加載下，未經(jīng)過預(yù)腐蝕的試樣的疲勞壽命遠(yuǎn)大于預(yù)腐蝕試樣疲勞壽命，且預(yù)腐蝕疲勞試樣的疲勞壽命隨著預(yù)腐蝕時間的延長而逐漸降低。這種差異隨著預(yù)腐蝕時間的延長而逐漸降低，預(yù)腐蝕10天、15天、20天試樣的疲勞壽命差距相比預(yù)腐蝕5天的小。預(yù)腐蝕5天的試樣的疲勞壽命與未預(yù)腐蝕的試樣差距較大，其中最低應(yīng)力和最高應(yīng)力下的疲勞壽命差距最大，這說明預(yù)腐蝕5天后試樣的疲勞壽命損失較大。預(yù)腐蝕10天、15天、20天的試樣的疲勞壽命相差較小，在最高應(yīng)力下的疲勞壽命較接近，說明由于腐蝕對材料的破壞較嚴(yán)重，同時加載應(yīng)力較大時，材料在疲勞過程中極易產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋迅速擴展導(dǎo)致材料斷裂失效[3]。由此可見，預(yù)腐蝕5天后的試樣對其疲勞壽命影響較大，隨著預(yù)腐蝕時間的增加，預(yù)腐蝕對試樣疲勞壽命的影響也逐漸增加，但預(yù)腐蝕10天、15天、20天后對試樣疲勞壽命的影響效力有所減少。

根據(jù)中性鹽霧預(yù)腐蝕疲勞試驗結(jié)果，可擬合出S-N曲線。由于Sm·N=D，兩邊取對數(shù)后可以得到直線方程：

其中：a、b、D為常數(shù)；S為疲勞載荷；N為疲勞壽命 (周期)。

圖2  預(yù)腐蝕不同時間的疲勞壽命分布及擬合S-N曲線圖

擬合參數(shù)如表2所示，比較表中的擬合相關(guān)系數(shù)R值可見，疲勞曲線擬合程度很高，很好的表現(xiàn)了S-N曲線的變化規(guī)律。從圖1中可以看出預(yù)腐蝕對疲勞試樣疲勞壽命的影響很明顯，而且這種趨勢隨腐蝕時間的增長而降低。預(yù)腐蝕不同時間的疲勞壽命擬合參數(shù)中D數(shù)值在同一個數(shù)量級，且差距不大。常數(shù)a、b差距較大，由式1可知，達到相同疲勞壽命時，ln(N+D)值相近，常數(shù)a、b的值隨著預(yù)腐蝕時間的增加而逐漸減小，所以預(yù)腐蝕時間長的試樣所需載荷少，即預(yù)腐蝕時間長的試樣在較小載荷下發(fā)生疲勞失效。

2.2  預(yù)腐蝕對疲勞性能的影響 C曲線

一般地，結(jié)構(gòu)疲勞壽命服從對數(shù)正態(tài)分布，腐蝕只降低疲勞壽命，并不改變壽命值的概率分布規(guī)律[14]。利用統(tǒng)計分析，求出對數(shù)疲勞壽命均值和標(biāo)準(zhǔn)差將疲勞壽命值計算，得到對應(yīng)的中值壽命及標(biāo)準(zhǔn)差。中性鹽霧腐蝕環(huán)境對材料的結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響采用腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C(亦稱為預(yù)腐蝕疲勞修正系數(shù))來表征，如式(2)所示。到不同預(yù)腐蝕對材料疲勞壽命影響系數(shù)值C，當(dāng)預(yù)腐蝕時間為0時，C為1，表明未預(yù)腐蝕試樣的疲勞壽命等于原始疲勞壽命；當(dāng)預(yù)腐蝕時間大于0時，C值小于1，表明預(yù)腐蝕對試樣的疲勞壽命產(chǎn)生了影響，且預(yù)腐蝕后的試樣疲勞壽命為未經(jīng)預(yù)腐蝕試樣的C×100%。將腐蝕疲勞影響系數(shù)C曲線進行擬合。

式中： 

N50(0)為未進行預(yù)腐蝕試樣的中值疲勞壽命；

N50(t)為預(yù)腐蝕t時間(day)后試樣的中值疲勞壽命。

在相同的加載下，計算得到預(yù)腐蝕不同時間對材料的疲勞壽命影響系數(shù)值C，且C曲線函數(shù)關(guān)系符合C=1.0-AtB（其中A、B為常數(shù)）分布[15]。不同應(yīng)力水平下、不同預(yù)腐蝕時間后的腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C如表3所示。將其數(shù)據(jù)作圖，并對數(shù)據(jù)按公式C=1.0-AtB擬合，如圖3所示，擬合參數(shù)如表4所示。

圖3  不同載荷下的預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C曲線

由此可見，鹽霧預(yù)腐蝕時間對疲勞壽命的影響非常明顯。在預(yù)腐蝕0-5天，疲勞壽命下降超過了60%。預(yù)腐蝕5天的疲勞壽命影響系數(shù)相對分散，說明腐蝕對該材料的腐蝕疲勞壽命影響嚴(yán)重。隨著預(yù)腐蝕時間的延長，腐蝕對疲勞壽命影響越來越小；預(yù)腐蝕15天后，預(yù)腐蝕疲勞壽命影響C曲線趨于平緩。隨著預(yù)腐蝕時間的延長，最大應(yīng)力下的預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C值不斷增加，表明腐蝕對疲勞壽命的影響隨加載應(yīng)力的增加而減小。

3.3預(yù)腐蝕對疲勞壽命影響系數(shù)C-T-S曲面及公式擬合

預(yù)腐蝕對疲勞壽命影響系數(shù)C在不同預(yù)腐蝕時間T、應(yīng)力水平S時，具有不同的數(shù)值。表明C不但與T有關(guān)，還與S相關(guān)。利用表3計算數(shù)據(jù)進行擬合C-T-S曲面圖，如圖4所示。加載應(yīng)力S不變，隨著預(yù)腐蝕時間T增加，C不斷減小，腐蝕對疲勞壽命影響較大；在相同的預(yù)腐蝕時間T下，隨加載應(yīng)力S的增加， C先增加后減小，腐蝕對高應(yīng)力下疲勞壽命影響不大；疲勞疲勞應(yīng)力水平越低，則預(yù)腐蝕影響所占的比重越高，而在較高的疲勞加載應(yīng)力水平下，預(yù)腐蝕腐蝕對疲勞壽命的影響相對低。

圖4  材料在不同參數(shù)下的C-T-S曲面圖

從圖中還可以看出：預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C是預(yù)腐蝕時間T和應(yīng)力水平S的函數(shù)，且具有冪函數(shù)關(guān)系。令預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C是預(yù)腐蝕時間T和應(yīng)力水平的函數(shù)，且具有冪函數(shù)關(guān)系。

根據(jù)以往經(jīng)驗公式[12,16,17]，建立以下形式的預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)的多參數(shù)模型：

其中：T為腐蝕時間；S為疲勞載荷；a和b為模型參數(shù)，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，通過最小二乘法可以得到。

具體地，對式(3)兩端求自然對數(shù)，有：

根據(jù)最小二乘法用各個實驗值和擬合值離差的平方和(5)最小來保證每個離差的絕對值都很小的原理，可以得到以下方程：

對式(6)展開，經(jīng)過推導(dǎo)，可以得到參數(shù)a和b的值：

根據(jù)式(7)，計算出a和b的值，并代回式(3)，則預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)可以擬合為：

可見：公式中的C值計算后均小于1；預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)公式中時間T前面的常數(shù)均小于基體材料，由此可以推斷腐蝕降低了材料的疲勞壽命；在相同預(yù)腐蝕時間下，C值隨疲勞加載的增加而增加。

三 結(jié)論

本文采用中性鹽霧預(yù)腐蝕的方法研究了預(yù)腐蝕對航空結(jié)構(gòu)材料AF1410鋼的預(yù)腐蝕疲勞行為，探討了腐蝕對其結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響規(guī)律，得出了一下結(jié)論：

(1) 疲勞試驗結(jié)果表明：隨中性鹽霧預(yù)腐蝕時間的延長，試樣的疲勞壽命逐漸降低，且分散性增加，材料的腐蝕損傷程度增加；在相同加載下，未經(jīng)過預(yù)腐蝕的試樣的疲勞壽命遠(yuǎn)大于預(yù)腐蝕試樣疲勞壽命；將疲勞壽命曲線按照S=a-b·ln(N+C)公式進行線性回歸分析，得到了擬合參數(shù)，而且相關(guān)系數(shù)R值接近1，具有很高的相似度，疲勞壽命隨著預(yù)腐蝕時間的延長而不斷降低，且服從正態(tài)分布；

(2) 采用預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C描述中性鹽霧腐蝕環(huán)境對AF1410鋼的疲勞壽命的影響，得到了不同載荷下的預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)特征曲線，并進行了擬合；

(3) 得到了不同預(yù)腐蝕時間T、不同疲勞加載S下的預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)C-T-S曲面圖，采用最小二乘法對不同預(yù)腐蝕時間、不同應(yīng)力下的疲勞壽命影響系數(shù)C值進行擬合，推導(dǎo)出預(yù)腐蝕疲勞壽命影響系數(shù)公式：C=e-0.2569TS0.0167T，對材料的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

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