不同环境对2D70铝合金低周疲劳性能的影响研究

不同环境对2D70铝合金低周疲劳性能的
影响研究
作者：施翔晶马华
来源：《新材料产业》 2012年第6期
文/施翔晶马华洪都航空工业集团
循环应力和低周疲劳寿命都是材料疲劳损伤的关键指标。

循环应力表征的是材料在循环载
荷下抵抗变形的能力。

大多数飞机构件由于拐角、圆孔、沟槽等的存在都会存在应力集中现象，当构件承受循环应力载荷时，虽然构件总体处于弹性范围内，但局部已进入弹塑性状态，即已
处于循环应变的疲劳过程中。

这类服役条件下的构件疲劳寿命一般小于105周次，称为低周疲劳，又由于低周疲劳断裂时应力水平往往较高，低周疲劳也称高应力疲劳或者应变疲劳。

衡量
材料抗低周疲劳特性的指标主要有低周疲劳极限和低周疲劳寿命，二者统称材料的低周疲劳性能。

低周疲劳极限，是指材料所承受应力低于该应力极限值时其理论循环次数可为无限次；低
周疲劳寿命，即构件破坏前能承受应力循环的次数。

通常情况下，是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零部件的疲劳
寿命。

然而，飞机构件在服役期内会受到工业废气、潮湿天气等的腐蚀，尤其是与发动机距离
较近的结构，实际所处环境与实验室是不同的[1]。

所以，研究不同环境尤其是对金属疲劳寿命影响较大的腐蚀性环境对金属材料低周疲劳行为的影响规律和机理，对更为准确地预测飞机零
部件低周疲劳寿命至关重要，这对飞机结构的安全性和耐久性设计具有非常深远的现实意义。

2D70铝合金是航空工业重要的难变形材料，是可热处理强化的铝钼镁铁镍（Al-Cu-Mg-Fe-Ni）系铝合金。

该合金具有良好的铸造性能，在冷、热状态下均具有较高的塑性，半成品齐全，主要有预拉伸厚板、棒材、型材、管材、自由锻件和模锻件等，因而可制造出形状各异、尺寸
齐全的飞机零部件，在航空领域应用极为广泛。

目前国内外对2D70铝合金力学性能的研究，集中在拉伸性能[2-3]、持久蠕变性能以及应力腐蚀敏感性[4]方面，对2D70铝合金在腐蚀环境中的疲劳性能没有报道，对其他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、盐
雾环境对疲劳裂纹扩展的影响[5]，硫化氢环境疲劳试验的自动测控系统研制[6-7]，腐蚀装置
的设计等。

本文通过在空气、湿空气、盐雾及盐雾+二氧化硫（S O2）4种环境中对2D70铝合
金进行低周疲劳试验，探讨了金属材料在腐蚀环境下的低周疲劳试验方法，并研究了不同环境
对2D70铝合金低周疲劳性能的影响。

同时，通过对断口的放大图像进行对比分析，对腐蚀性大气环境对低周疲劳的影响作用机理予以探讨。

具体试验参照GB/T15248-1994、ASTM B117-85及相关资料[8]进行，在实验室空气、湿空
气﹝相对湿度（R H）≥90%﹞、3.5%的氯化钠（N a C l）盐雾和3.5%NaCl盐雾+SO2这4种环
境中对2D70铝合金进行低周疲劳试验。

2D70铝合金板厚40m m，热处理状态为T6态，性能参数见表1。

试验装置包括M T S810液压伺服疲劳试验机、引伸计、腐蚀盒、保鲜膜、加湿器及S O2气瓶、气管。

腐蚀盒参考吴宝娟等的设计[9]，用3m m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，而是使用保鲜膜并用橡皮筋密封，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+ S O2的介质环境，笔者创造性地运用了医用吊针，吊针针头扎在进气管上，吊针皮管则与S O2气瓶连接，腐蚀盒及进气管的连接如图1所示。

由于是低周疲劳试验，采用的是引伸计应变控制方式。

在对每根试样进行试验时，发现因引伸计失稳造成应变控制失效而最终试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2个刀口分别通过橡皮筋固紧在试样上，如果2根橡皮筋固紧力相差较大，试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试验后，易产生缺口，使得试验中引伸计滑动。

针对以上影响因素，通过大量试验摸索，笔者找到了可行的解决办法：①引伸计刀口固紧在试样上时，调整2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。

在湿空气、盐雾及盐雾＋S O2三种腐蚀环境中，试验时间一长，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，影响试验。

为此，在试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＋S O2环境中，因S O2气体有剧毒，一定要将门窗打开，将SO2气体随时排出。

4种环境试验得到的2D70铝合金循环应力-应变曲线及应变-寿命曲线分别见图2、图3，此处，由于低周疲劳应力较大，衡量变形的应变以mm/mm为单位表征，是一个无量纲量。

由图2可见，应变相同时，2D70铝合金在不同环境下的循环应力大小为：空气>湿空
气>3.5%NaCl盐雾>3.5%NaCl盐雾+SO2。

由图3可见，应变相同时，2D70铝合金在不同环境下的低周疲劳寿命大小为：空气>湿空气>3.5%Na C l盐雾及3.5%NaCl盐雾+SO2，3.5%NaCl盐雾和3.5%NaCl盐雾+SO2环境下2D70
铝合金的低周疲劳寿命相近并为最低。

空气环境中，2D70铝合金的低周疲劳试样断口见图4、
图5。

腐蚀环境中，2D70铝合金的低周疲劳试样断口见图6、图7。

空气环境中的低周疲劳断裂机理较为常规。

由图4可知，空气环境中2D70铝合金的低周疲劳断口高度差较大，裂纹起始于试样表面；通过图5可见明显的二次裂纹，并出现疲劳条带、
韧窝，多为塑性条带。

图6、图7中，肉眼无法辨别腐蚀环境中2D70铝合金低周疲劳断口的疲劳源和裂纹扩展区，经200m L三氧化二铬﹕ 80g水的溶液清洗后微观观察，不难发现：断裂同样起始于试样表面，断口呈沿晶特征，脆性条带较多。

若腐蚀介质中含有N a C l盐雾，则会加速氢脆的发生，这
会进一步削弱材料的低周疲劳性能。

微观分析结果很好地验证了图2与图3的结果分析，也就
是说，腐蚀环境越强，材料疲劳损伤程度越大，低周疲劳性能越差。

试验结果虽为严格定量分析腐蚀性气体环境对2D70铝合金低周疲劳性能的影响规律，但足以证明这种被广泛应用的航空材料在真实腐蚀性大气环境下的低周疲劳寿命会明显低于实验室
环境下的寿命值，试验结果可为更准确地修正、预测飞机零部件低周疲劳寿命提供参考。

参考文献
[1] 李志义,丁信伟.金属材料的腐蚀疲劳[J].化工机械,1995,22（4）:239-242.
[2] 王国军,吕新宇,金龙兵,等.控制2D70铝合金热挤压棒材截面粗晶和力学性能的研究[J].铝加工,2008（03）:26-29.
[3] 王国军,熊柏青,张永安，等.固溶热处理对2D70合金挤压棒材组织与性能的影响[J].金属热处理,2010（03）:37-42.
[4] 杨守杰,黄敏,朱娜,等.2D70铝合金热稳定性研究[J].航空材料学报,2003（S1）:73-77.
[5] 张晓云,霍乾明,孙志华,等.高强铝合金在不同环境下的应力腐蚀行为[J].科学通报,2008（23）:2860-2864.
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[7] Fabis T,Liaw P,Ceschini L,et puter-Controlled Fatigue Crack Growth Rate Testing on Bend Bars in aCorrosive Environment[J].ENVIRONMENT SENSITIVE FRACTURE，2005,12(03):325-339.
[8] 董延军,张亦良,张伟.低周腐蚀疲劳试验自动测控系统的研制[J].工程力学,2003 ：169-172.
[9] 吴宝娟,於孝春.疲劳机上腐蚀装置的设计[J].管道技术与设备,1995（6）:10-12.。