腐蚀预损伤铝合金的疲劳行为研究进展

腐蚀损伤是老龄飞机所面临的一个关键问题,是引发裂纹萌生、扩展并导致飞机结构失效的重要原因,对铝合金的疲劳寿命起决定性作用;腐蚀预损伤如何影响铝合金的疲劳行为是建立含腐蚀损伤铝合金疲劳寿命预测方法的基础,是近年来航空界疲劳断裂领域研究的热点和难点.综述了近年来国内外关于腐蚀预损伤铝合金,尤其是在点蚀情况下的疲劳裂纹萌生和...     

铝合金疲劳性能的研究进展

本文对铝合金疲劳性能的研究进展进行了全面综述,介绍了疲劳裂纹萌生、扩展与失稳阶段各自的机理及对铝合金构件的影响,以及对疲劳裂纹的影响因素和疲劳寿命的估算方法,最后指出今后铝合金疲劳行为的微观机制、提升疲劳性能的方法及疲劳寿命的准确预测等研究方向。     

预腐蚀铝合金贯穿疲劳裂纹扩展行为的统一表征模型

在环境腐蚀损伤以及疲劳载荷的联合作用下,铝合金结构更容易萌生裂纹,威胁结构安全。腐蚀疲劳短裂纹扩展行为与长裂纹扩展行为差别很大,而且往往短裂纹阶段占据构件疲劳寿命的90%以上。通过对线弹性裂纹扩展模型进行修正,得到了预腐蚀弹塑性裂纹扩展表征模型,并对LD2铝合金进行预腐蚀疲劳验证性试验。结果表明,改进后的模型能够统一地表征预腐蚀弹塑性短裂纹和线弹性长裂纹的扩展行为,对于铝合金构件的腐蚀疲劳寿命预测和损伤容限评估具有重要的参考价值。     

蠕变疲劳交互作用下裂纹萌生的有限元模拟

通过结合初始应力应变场与连续损伤力学理论以及单元失效和裂纹萌生准则,构建了蠕变-疲劳交互作用下裂纹萌生的预测模型,将模型编写为UMAT耦合到ABAQUS有限元分析软件中,实现了初始无缺陷结构蠕变-疲劳交互作用下裂纹萌生的有限元模拟,并分析了影响裂纹萌生寿命的因素.通过与线性累计损伤理论对比发现,裂纹萌生位置蠕变损伤和疲劳损伤具有相互促进作用,蠕变疲劳的交互作用使裂纹萌生寿命减小;蠕变和疲劳载荷加载顺序对损伤的累积具有很大影响,模拟发现承受蠕变载荷的结构在承受后续循环载荷下总损伤值更大,裂纹萌生寿命更短.     

含点蚀铝合金的疲劳寿命预测技术研究进展

腐蚀损伤是老龄飞机所面临的一个关键问题,尤其是点蚀坑,是引发裂纹萌生、扩展并导致飞机结构失效的一个重要原因。进行含点蚀损伤铝合金的疲劳寿命预测是充分发挥老龄飞机的潜力,使之继续安全、有效服役的关键。综述了近年来国内外进行含点蚀损伤铝合金疲劳寿命预测的研究现状和取得的主要研究成果,重点介绍了基于断裂力学方法的主要分析模型和所采用的关键技术,并对今后该领域的研究方向提出了几点建议。     

超高纯铁素体不锈钢在3．5％NaCl中的腐蚀疲劳的裂纹萌生

本文利用三电极技术研究了超高纯铁素体不锈钢Ｆｅ－２６Ｃｒ－１Ｍｏ在３．５％ＮａＣｌ水溶液转化体系中，低周腐蚀疲劳的裂纹萌生行为．在静态点蚀电位以下，形变诱发点蚀出现，但是点蚀在本文的研究体系不是导致裂纹萌生的原因．在低应变速率下，裂纹沿晶内的驻留滑移带萌生，且沿滑移带的电化学溶解加快了裂纹萌生．在高应变速率下，裂纹在晶界萌生，且沿晶界有点蚀实验结果表明，电化学溶解加速了裂纹萌生，点蚀在此钝化体系中不是裂纹萌生的机制．应变速率影响裂纹萌生方式．     

TC17合金超高周疲劳裂纹萌生机理

通过实验研究了2种频率(110 Hz和20 k Hz)循环载荷作用下航空发动机叶片材料TC17合金的超高周疲劳失效行为,分析了不同失效形式下的裂纹萌生机理。结果表明,TC17合金在2种实验载荷频率下均存在表面和内部萌生裂纹诱发疲劳失效2种失效形式,表面萌生裂纹诱发的疲劳失效主要是由加工缺陷和循环载荷作用下试样表面滑移处应力集中引起的横向裂纹所致,内部萌生裂纹诱发的疲劳失效是由循环载荷作用下材料初生α相的滑移断裂所致。失效机理的不同使得材料的应力-疲劳寿命(S-N)曲线呈双线性,载荷频率对TC17合金的裂纹萌生形式和萌生机理的影响不显著。建立了基于薄弱取向晶粒区域尺寸的疲劳强度预测模型,模型预测值与实验值吻合较好。     

疲劳载荷下P／M Rene95合金中夹杂物的微观行为研究

采用人工植入Al2O3夹杂的试样，通过SEM下的原位试验，动态跟踪及分析了拉－拉疲劳载荷下P／M Rene95合金中表面或近表面夹杂物的微观行为。结果表明：在所研究的夹杂物的尺度范围内，载荷波形对夹杂物的微观力学行为有很大影响。在三角波加载条件下，虽然夹杂物／基体界面更易萌生裂纹，但表面或近表面夹杂物对试样的断裂影响较小；在正弦波载荷条件下，疲劳裂纹的萌生、扩展及试样的断裂均与表面或近表面夹杂物的基本特性有关。而且，降低正弦波加载时的应力幅值可大大提高夹杂物／基体界面疲劳裂纹的萌生寿命。     

A7N01S-T5铝合金焊缝金属腐蚀疲劳裂纹萌生行为

以高速列车常用的A7N01S-T5铝合金型材ER5356焊缝金属为研究对象,采用扫描电镜观察不同时间节点焊缝部位腐蚀疲劳裂纹的萌生过程,并分析第二相在腐蚀疲劳裂纹萌生过程中的变化。结果表明,点蚀坑在第二相周围优先萌生,点蚀机理为阳极溶解,在交变应力的促进作用下,焊缝区腐蚀疲劳"短裂纹"沿着点蚀坑周围萌生。     

航空航天铝合金腐蚀疲劳研究进展

铝合金因具有高的比强度、比模量,好的加工性能及焊接性能,在航空航天领域应用广泛.而腐蚀疲劳是造成航空航天材料失效的重要原因之一,因其危害性高、破坏性强且难以提前预测等特点,受到了广泛关注.铝合金腐蚀疲劳问题一直是飞机日历寿命研究中的重点问题,随着可重复使用航天器理念的提出,多次空天往返和地面修复过程也使腐蚀疲劳问题在可重用航天器上不可忽视.综述了近年来航空航天铝合金腐蚀疲劳的研究现状,从航空铝合金腐蚀疲劳机理的角度,归纳了腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展机制.从腐蚀疲劳环境模拟和腐蚀环境等效两方面,介绍了目前主要的实验室腐蚀疲劳试验技术.分别从材料因素、环境因素和力学因素,分析对腐蚀疲劳裂纹扩展及寿命的影响.重点关注了腐蚀疲劳交替形式下疲劳寿命的特点.提出了在多因素共同影响下的腐蚀疲劳裂纹扩展、损伤演化和寿命预测,以及加速腐蚀环境的当量等效.试验与模拟的有机结合,是今后铝合金腐蚀疲劳的重要发展方向.     

Effect of corrosive environment on the fatigue crack initiation and propagation behavior of Al 5454-H32

Fatigue behavior of aluminum alloy 5454- H32 was studied under laboratory air and 3 % NaCl solution environment using smooth cylindrical and notched plate specimens. Presence of 3 % NaCl environment during fatigue loading drastically reduced alloy fatigue life. The deleterious effect was pronounced in both types of specimens in the long- life regions, where the fatigue lives were lowered by as much as a factor of 10. However, the sharply notched specimens showed only a modest reduction in fatigue life in corrosive environment. The severe influence of the corrosive environment in the long- life (low- stress) regime cannot be explained merely by the early initiation of the fatigue crack from surface pits; the environmental contribution in the early crack growth regime must also be considered an important factor. Fracture surface studies revealed extensive pitting and some secondary cracking in the crack initiation region. It was shown that lowered fatigue life in Al 5454- H32 occurs by early initiation of fatigue cracks from surface pits. In addition, a corrosion pitting and secondary cracking process may be operative in the small crack growth region. This could have enhanced the early crack growth rate and thus contributed to the lower fatigue life in the long- cycle region.     

2A12铝合金动态腐蚀-疲劳耦合失效机理研究

目的 针对某飞机吊挂结构用2A12铝合金开展预腐蚀后的动态腐蚀-疲劳耦合试验,很快发生断裂行为,寻找失效原因并提出解决措施.方法 利用自制的卧式动态腐蚀-疲劳试验装置,开展2A12铝合金预腐蚀后的腐蚀-疲劳协同试验直至样品断裂.同时,对比开展2A12铝合金腐蚀与疲劳交替试验,分析断口腐蚀形貌、元素含量、价态变化,获得2A12铝合金在两种试验方法下的腐蚀疲劳机理.结果 2A12铝合金主要由铝基体以及弥散分布其中的多种合金强化相组成.当有预裂纹时,2A12铝合金在腐蚀与疲劳交替作用下,很快发生疲劳断裂,且裂纹几乎贯穿整个断面,在整个裂纹附近存在较多的腐蚀产物Al2O3.2A12铝合金在预腐蚀后,基体与其表面的氧化膜之间形成腐蚀电池,初期的点蚀孔快速发展成明显腐蚀坑并产生大量腐蚀产物Al2O3,腐蚀坑底部由于应力集中现象而成为裂纹源,在动态腐蚀-疲劳耦合作用下快速萌生裂纹并呈放射状扩展,很快发生疲劳断裂行为,同时裂纹扩展区无腐蚀产物.结论 2A12铝合金用作飞机吊挂结构件时,必须进行表面防腐处理,避免形成腐蚀坑,减缓吊挂结构发生腐蚀-疲劳断裂进程.     

海洋工程用铝合金的腐蚀与防护研究进展

海洋工程用铝合金部件在服役环境下引发的点蚀、晶间腐蚀等已成为困扰机器装备使用寿命和稳定性的关键问题。目前,阴极保护、缓蚀剂、阳极氧化和保护涂层是针对海洋环境中铝合金腐蚀的常用防护措施。阐述了海洋工程装备常用的铝合金类型和使用场所,发现5系和6系铝合金是船舶制造和海洋平台搭建的首选材料,其中,具备优异力学性能、耐腐蚀性能的5系铝合金一般用来制作甲板、储存装置等大型主要承力构件。重点综述了铝合金在海洋大气区、浪花飞溅区、海水全浸区的腐蚀行为和腐蚀机制,经对比发现,与钢不同,铝合金在海水全浸区的腐蚀最严重,而在环境最恶劣的浪花飞溅区腐蚀损伤相对较轻;点蚀、晶间腐蚀是2种典型的铝合金腐蚀类型,同时应力腐蚀、微生物腐蚀也制约着铝合金在海洋工程领域的应用。最后分析了当前在海洋环境中对铝合金腐蚀防护采取的几种措施,指出工程实际中采用的防护方式为2种及2种以上措施的联合使用,并提出铝合金未来在失效行为分析、性能优化和涂层材料选择等方面的发展趋势,以期为研发在极端海洋环境下服役的铝合金及其防护材料提供参考。     

Crack Initiation Life of Materials Under Combined Pitting Corrosion and Cyclic Loading

Pitting corrosion triggered damage is responsible for the degradation of many metallic materials affecting structural integrity. As pitting and crack initiation processes govern the overall life of such structures and components, particularly at nominal cyclic stresses, there is a need to develop simple models to estimate crack initiation life of materials. This paper presents a simple deterministic model that considers the effect of cyclic stressing under pitting corrosion conditions. The developed model is validated on an aluminum alloy 2024-T3, and 12% Cr stainless steel used in aircraft and steam turbines, respectively. The predicted critical pit depth values are in fair agreement with the limited experimental data available in the literature. The model indicates that at high stresses, the crack initiation can occur very rapidly even from relatively small pits. The crack initiation life predictions when compared with the available experimental data, suggest a probable stress-level dependency with regard to the form and extent of the influence of cyclic stresses on pit growth and subsequent crack formation.     

Fatigue Crack Nucleation Studies on Sulfuric Acid Anodized 7075-T73 Aluminum

The influence of a sulfuric acid anodic coating process on the fatigue crack nucleation behavior of 7075-T73 aluminum alloy was investigated. Silicone surface replication in combination with carbon sputter coating and scanning electron microscopy (SEM) allowed for in situ monitoring of the number of cycles for crack nucleation. A single edge circular notch (SECN) coupon was designed for the present study to localize fatigue damage thus enhancing fatigue crack detection and capture the effects of multiaxial stress conditions indicative of a majority engineering applications. Linear elastic finite element modeling of the SECN coupon was performed to quantify the von Mises equivalent stress distribution and the stress concentration factor of the notched region. The experimental results indicate that the presence of localized pitting corrosion initiated during the anodic coating pretreatment process had an adverse effect on fatigue performance. Specifically, multiple crack nucleation sites were evident as opposed to a single crack origin for the untreated specimens. Post-cycling SEM surface examinations displayed networks of micro-cracks in the anodic coating emanating from the pits although these were not found to be fatigue crack origin sites during post SEM fractographic exams. Thus, the stress concentration effect of the corrosion pits was found to be predominant. The total cycles to failure on average was reduced by approximately 60% for the anodic coated versus untreated specimens. A strategy is also discussed on how to mitigate accelerated crack nucleation by controlled surface pretreatment and use of a chromated chemical conversion coating in lieu of an anodic coating for selective applications.     

不同应力条件下不锈钢局部腐蚀行为的研究进展

不锈钢因具有良好的耐腐蚀性能而倍受重视,在众多工业领域内被广泛使用,但在实际应用中,由于受到腐蚀环境和应力的共同作用,不可避免地会产生点蚀或裂纹,导致服役性能下降,甚至引发各类安全事故.所以,应力条件下不锈钢的腐蚀行为一直是不锈钢材料腐蚀领域的重要研究课题.总结了部分代表性的不锈钢材料在应力作用下局部腐蚀行为的研究进展,主要总结与讨论了弹性应力、塑性应力以及残余应力对不锈钢点蚀及腐蚀开裂行为的影响规律.弹性应力如何影响不锈钢点蚀与腐蚀开裂还不是特别清楚,一般认为弹性拉应力会促进点蚀的萌生,使点蚀坑内产生应力集中,促进腐蚀扩展,但也发现了较小弹性拉应力会抑制点蚀的情况,而且机理也尚不明确,并且弹性压应力到底是促进还是抑制点蚀萌生也尚未达成一致.塑性应力对不锈钢局部腐蚀的影响机理已经比较明确,塑性应力会导致位错的产生,从而促进点蚀和裂纹的生长.残余拉应力会促进不锈钢点蚀和裂纹的生长,但残余压应力却能够有效抑制不锈钢点蚀和裂纹的生长.因此,在较低至中等弹性应力下的不锈钢局部腐蚀行为及其影响机理应该加强研究,而对于塑性应力与残余应力,则应该进一步深入探讨其作用下不锈钢局部腐蚀行为的各阶段特征和断裂临期特征,以期精确进行腐蚀断裂风险的评估和解决寿命评估的难题.     

7B04铝合金及其螺接件的微观腐蚀机制及耐久性研究

目的 以飞机结构用7B04高强铝合金及其螺接件为实验对象,通过室内加速腐蚀试验模拟试样在南海海洋大气环境中的环境损伤,并深入分析其微观腐蚀机制与疲劳性能的内在联系。方法 通过数码相机、3D共聚焦显微镜、扫描电子显微镜等手段,研究模拟南海海洋大气环境下7B04铝合金及其螺接件的宏观/微观腐蚀特征,并借助疲劳测试分析经不同腐蚀周期后铝合金试样及螺接件的疲劳寿命。结果 铝合金及其螺接件经室内加速腐蚀试验后发生的腐蚀行为出现了明显差异,7B04铝合金试样表面发生的腐蚀行为以点蚀为主,而螺接件的腐蚀行为更加复杂。其中,远离螺接区域的暴露区的腐蚀情况与铝合金试样一致,在螺接区域发生了明显的缝隙腐蚀。此外,铝合金试样及螺接件随腐蚀周期变化的劣化规律也有所不同,腐蚀使得试样的疲劳性能均不同程度地下降。7B04铝合金疲劳寿命的递减趋势相对平缓,而螺接件在腐蚀进行到第2周期时其疲劳寿命就已降至原始寿命的一半,在腐蚀进行到第4周期时,螺接件的力学性能基本丧失。结论 经腐蚀后,铝合金试样出现了点蚀,且随着时间的延长出现了均匀腐蚀的趋势,疲劳寿命的递减趋势相对平缓。尽管螺接件的过渡区发生了严重腐蚀,但缝隙区诱发的局部腐蚀导致螺接件的受力面积减小,这是造成其疲劳寿命急剧衰减的首要因素。     

CORROSION FATIGUE CRACK INITIATION BEHAVIOR OF 316L STAINLESS STEEL IN HANK’S SOLUTION

ＣＯＲＲＯＳＩＯＮＦＡＴＩＧＵＥＣＲＡＣＫＩＮＩＴＩＡＴＩＯＮＢＥＨＡＶＩＯＲＯＦ３１６ＬＳＴＡＩＮＬＥＳＳＳＴＥＥＬＩＮＨＡＮＫ’ＳＳＯＬＵＴＩＯＮ￥Ｊ．Ｈ．Ｘｉｅ;Ｙ．Ｓ．Ｗｕ;Ｊ．Ｑ．Ｈｅ;Ｘ．Ｚ．ＹａｎｇａｎｄＲ．Ｚ．Ｚｈｕ（Ｄｅｐａｒｔｍｅ...     

应力幅对LY12CZ铝合金腐蚀疲劳应变电流响应的影响

研究了ＬＹ１２ＣＺ铝合金在应力控制下于３．５％ＮａＣｌ溶液中恒定电位下,应力幅对腐蚀疲劳（ＣＦ）应变电流行为的影响以及应变电流与腐蚀疲劳损伤相对应的关系,结果表明：应变电流能反映ＣＦ不同阶段的损伤行为,应变电流的波型随ＣＦ过程所发生的变化主要在应变电流的波幅、波峰数及其与应力波的相位差上,不同应力幅下的应变电流行为的差异主要表现在：高应力幅下,在一个循环周次内,瞬变电流在整个腐蚀疲劳过程中均出现两