在腐蚀疲劳裂纹扩展过程中 ,裂尖阳极溶解是一个极为复杂的过程。一方面 ,阳极溶解可能使裂尖钝化 ,且腐蚀产物产生闭合效应 ,使得裂纹扩展的有效应力强度ΔKeff下降。另一方面 ,阳极溶解又损伤裂尖金属 ,使裂纹向前扩展。本文从金属材料腐蚀的电化学原理出发 ,首先用间接模拟的实验方法 ,对7475- T761铝合金材料在 3.5% Na Cl溶液中的变形与腐蚀电流的关系进行了试验研究 ,然后结合裂尖的应力应变分析 ,对 7475- T761铝合金 - 3.5% Na Cl溶液体系在常幅循环载荷作用下疲劳裂纹扩展过程中阳极溶解的贡献进行了估算。1 裂尖变形 -腐蚀电流关系的模拟试验带裂纹试件在受外力的作用下 ,裂纹尖端常常会发生较宏观应变大得多的变形。在较大应变的作用下 ,裂尖区域活化 ,电位显著降低 ,从而成为阳极 ,如图 1所示。这样 ,裂尖区域和宏观构件之间便形成一个宏观的腐蚀电池。为了便于裂尖阳极 (腐蚀 )电流密度的实验测定 ,图 1中的裂纹 -环境体系被模拟成图 2所示的原电池体系。图 2中的阳极和阴极均为构件材料—— 7475- T761铝合金。为了更好地模拟图 1中的“大阴极小阳极”现象 ,图 2中辅助电极的表面积应远大于工作电极的工作面 ,由于受到腐蚀介质槽体积的限制 ,本次试验中辅助电极的表面积取约为工作电极工作面的 45倍 ,工作介质为3.5% Na Cl水溶液 ,工作电极试样的非工作段用石蜡密封 ,如图 3所示。图 1中裂尖和宏观构件之间产生 (腐蚀 )电流就可以通过图 2所示的外接恒电位仪测得。试验中工作电极试样的变形、加载速度、外载以及加载时间由微机采集。工作电极试样的几何尺寸如图 3所示。本实验在 MTS- 880伺服疲劳试验机上完成。图 1 裂纹 -环境体系图 2 裂尖极电化学行为模拟的实验装置为了模拟裂尖阳极在变形时的腐蚀电流 ,模拟过程中 ,对图 2工作电极进行纵向拉伸 ,试件数为 6件 ,拉伸速率分别采用 0 .0 0 2 mm/s和 0 .0 1 mm/s。经过测试 ,图 4分别给出了裂尖阳极平均电流密度与应变、应变速率之间关系的模拟实验结果。图 4 电流密度与应变、应变速率之间的关系2 等幅载荷下裂尖局部应力应变响应的确定对于一个稳定扩展的裂纹 ,假设 :( 1 )裂尖塑性区存在着一个区域 X*(称裂尖损伤区 ) ,其中应力、应变梯度很小 ,可看成均匀分布 <1> ,如图 5所示。图 5 裂尖应变分布( 2 )区域 X*内的材料经历应变疲劳 ,当达到寿命 Nf 时 ,区域 X*内的材料破坏 ,裂纹扩展 X*。由假设 ( 1 )知 ,裂尖 X*区的应力、应变可用 x =X*处的应力和应变表示。<2 >提及的 Hutchinson小范围屈服条件下幂硬化材料裂尖附近应力应变的表达形式 ,X*内的应力、应变可表示为ε( x*) =εs(ω0 /x*) n/( n+ 1)σ( x*) =σs(ω0 /x*) n/( n+ 1)ω0 =K2π( 1 + n)σ2s( 1 )式中 ,σs为材料的屈服应力 ,n为材料硬化指数 ,εs=σs/E为材料的屈服应变 ,E为弹性模量 ,ω0 为裂尖塑性区尺寸 ,K为应力强度因子。由 ( 1 )式可得σε=K2πE( 1 + n) x*对于循环载荷 ,裂尖 X*区内的局部最大应力、应变有σmaxεmax =K2maxπE( 1 + n) x* ( 2 )设材料遵循 Ramberg- Osgood关系 ,则εmax =σmax E + σmax K1/n ( 3) 考虑一个中心裂纹试件 ,承受最大应力强度因子为 Kmax 的常幅循环载荷。当裂尖 X*内的材料破坏时 ,试件的最大应力强度因子不超过 Kmax,而裂纹扩展 2 X*。这表明材料的断裂韧性 Kc 降到了 Kmax,则裂纹扩展 2 X*所释放的能量为 :U =2 X*K2max/E。而在裂纹扩展过程中 ,裂尖 X*区域内的应力σmax 作功为U′=2 ∫X*σmax/2 .2 v( x) dx=2 ∫X*σmax .v( x) dx式中 ,v( x)为垂直于裂纹表面的位移。由于σmax所作的功 U′与释放的能量 U相等 ,于是经过整理后有X*K2max/E =2∫X*σmax .v( x) dx ( 4 )考虑裂纹扩展过程中的能量释放是线弹性的 ,故上式中的位移可由线弹性公式给出v( x) =4Kmax/E .x*- x2π ( 5) 由 ( 2 )～ ( 5)式可确定在 Kmax 作用下的裂尖损伤区尺寸 X*,以及 X*内的最大应力σmax 和最大应变εmax。对于常幅循环载荷 ,裂尖损伤区 X*内的应力变程Δσ、应变变程Δε可由下式确定ΔσΔε=ΔK2effπE( 1 + n) x*Δε/2 =Δσ2 E+ Δσ2 K式中 ,ΔKeff由 Walker公式给出ΔKeff=( 1 - R) AΔK ( 7) 对于 7475- T761铝合金 - 3.5% Na Cl溶液体系 :A=1 .71 <3 >。3 腐蚀疲劳裂纹扩展过程中裂尖阳极溶解的贡献本文的算例 <3 >为一宽 50 .8mm、厚 0 .76mm的带中心裂纹 CCT试件。试件材料为 7475- T761铝合金 ,腐蚀环境为 3.5% Na Cl溶液 ,试件受常幅循环载荷 ,波形为三角波 ,最大外载 Pmax=3.8k N,加载频率 f =3 Hz,应力比 R =0 .0 6,试验的( da/d N ) CF ～ΔK裂纹扩展曲线见图 6。图 6 阳极溶解对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的贡献在腐蚀疲劳裂纹的扩展过程中 ,裂尖由于发生了较大的塑性应变 ,其电化学性能会高于整个宏观试件 ,从而形成了优先溶解的阳极。<4>认为 :载荷周期内裂尖阳极溶解对裂纹扩展的贡献量为da =MF .d .Z∫1/ f0 I .dt ( 8)式中 ,M为原子量 ,F为法拉第常数 ,Z为金属离子的电荷数 ,d为材料密度 ,f为加载率 ,I为阳极电流密度。对于 7475- T761材料。( 8)式中 M取 2 7,F取9650 0 C,Z取 3,d取 2 .69g/mm3 。由于 ( 2 )～ ( 7)式可以确定常幅循环载荷下 ,任一 Kmax 时裂尖的局部应力应变响应 (即裂尖损伤区X*内的应力应变响应 )σmax、Δσ、εmax、Δε,以及裂尖损伤区尺寸 X*。因此 ,该试件ΔK( =( 1 - R) Kmax)对应的阳极溶解贡献速率 ( da/d N ) a可为( da/d N ) a =MF .d .Z∫1/ f0 I(ε,ε) .dt ( 9)式中 ,载荷周期内的阳极腐蚀电流可由裂尖局部应力应变分析所得的应变、应变速率 ( =2 fΔε)通过图 4曲线的线性插值获得。经过计算 ,图 6给出了ΔK( =( 1 - R) Kmax)分别为 8、1 1、1 4、1 7MPa .m1/ 2 时 ,裂尖阳极溶解对裂纹扩展速率的贡献 ( da/d N) a。从图 6阳极溶解贡献的 ( da/d N ) a～ΔK与实验的 ( da/d N ) CF～ΔK曲线对比可以看出 :裂尖阳极溶解对裂纹扩展速率的直接贡献与腐蚀疲劳裂纹总的扩展速率相比很小。这表明 7475- T761 - 3.5% Na Cl体系低周腐蚀疲劳裂纹扩展机理并非阳极溶解。尽管 7475- T761 -3.5% Na Cl体系腐蚀疲劳裂纹扩展的机理并非阳极溶解 ,但它却为阴极过程构成共轭反应 ,而阴极反应所产生的氢离子普遍被认为是导致材料部分塑性的损失——变脆的主要原因。4 结 论( 1 )对 7475- T761铝合金材料在 3.5% Na Cl溶液中的变形与腐蚀电流的关系进行了模拟试验研究。( 2 )裂尖阳极溶解对裂纹扩展速率的直接贡献很小 ,这说明 7475- T761 - 3.5% Na Cl体系腐蚀疲劳裂纹扩展机理并非阳极溶解。腐蚀疲劳裂纹扩展过程中裂尖阳极溶解的贡献@沈海军$西北工业大学飞机系!陕西西安710072
@吕国志$西北工业大学飞机系!陕西西安7100727475-T761铝合金;;腐蚀电流;;阳极溶解;;疲劳裂纹扩展对 7475- T761铝合金材料在 3.5% Na Cl水溶液中的变形与腐蚀电流关系进行了试验测试 ,结合裂尖局部应力应变的分析结果 ,对等幅循环载荷作用下 ,7475- T761铝合金 - 3.5% Na Cl溶液体系腐蚀疲劳裂纹扩展过程中裂尖阳极溶解的贡献进行了计算分析<1> 马君峰 .疲劳全寿命的归一化模型研究 :<博士论文 >.西安 :西北工业大学 ,1998
<2 > 邢文珍 .工程断裂力学基础 .西安 :西北工业大学出版社 ,1992
<3> 吴学任 .飞机结构金属材料力学性能手册 .北京 :航空工业出版社 ,1981
<4> 韩光炜 ,宋余九 .腐蚀疲劳过程中裂尖阳极溶解对裂纹扩展的作用 .中国腐蚀与防护学报 ,1991,11(4 ) :2 98～ 30 5
<5 > 路民旭 ,郑修麟 ,秦熊浦 .腐蚀疲劳力学化学模型研究进展 .中国腐蚀与防护学报 ,1991,11(3) ,197～ 2 0 8
<6 > 马君峰 .一种描述疲劳裂纹闭合的解析模型 . 1998年第九届全国疲劳断裂学术会议论文集 ,昆明 :1998,471～ 475国家 973项目资助 !(G19990 6 5 0 0 8)I为阳极电流密度。对于 7475- T761材料。( 8)式中 M取 2 7,F取9650 0 C,Z取 3,d取 2 .69g/mm3 。由于 ( 2
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