鋁合金材料的應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞特性實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、鹽溶液環(huán)境下金屬材料的腐蝕力學(xué)是一門(mén)涉及到電化學(xué)、金屬物理學(xué)、冶金學(xué)和力學(xué)等多門(mén)學(xué)科的新興學(xué)科，雖然已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，也積累了不少實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，但由于涉及多種因素且各因素間的耦合作用復(fù)雜，因此尚未形成該力學(xué)過(guò)程的基本理論規(guī)律。在實(shí)際應(yīng)用中，目前人們難以精確地確定和使用環(huán)境譜、載荷譜以及選擇特定的腐蝕力學(xué)試驗(yàn)來(lái)獲得可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用。因此本論文期望發(fā)展一種以力學(xué)為基礎(chǔ)的可靠工具以預(yù)測(cè)和跟蹤腐蝕環(huán)境中的裂紋形成與擴(kuò)展直

2、至失效行為。
　　 本文選擇對(duì)環(huán)境十分敏感的鋁合金材料作為研究對(duì)象，該材料的腐蝕問(wèn)題更是一個(gè)很早就困擾航空、汽車(chē)等領(lǐng)域的難點(diǎn)，每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失數(shù)字龐大，引發(fā)的事故災(zāi)難屢見(jiàn)不鮮。應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞是鋁合金材料失效破壞行為的多發(fā)領(lǐng)域，亟待人們?nèi)ド钊胙芯?、解決設(shè)計(jì)和優(yōu)化問(wèn)題。目前在研究鋁合金材料的腐蝕力學(xué)問(wèn)題時(shí)，通常將荷載因素與腐蝕條件分別考慮，特別是實(shí)驗(yàn)測(cè)試中對(duì)于荷載與腐蝕環(huán)境兩種因素的耦合作用規(guī)律還缺乏深入研究，因此造成所

3、獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)局限性很大。而工程中鋁合金材料有很多情況是同時(shí)受到荷載因素和腐蝕因素作用而最終導(dǎo)致失效破壞的，因此對(duì)鋁合金材料在鹽溶液環(huán)境下的腐蝕力學(xué)過(guò)程和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的研究與闡述，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　 本論文提出以鹽溶液中腐蝕電流作為腐蝕環(huán)境的特征參量，結(jié)合常規(guī)環(huán)境下鋁合金材料的腐蝕力學(xué)理論，提出了使用壽命的預(yù)測(cè)模型，以及易于應(yīng)用的斷裂準(zhǔn)則。本論文提出的模型系統(tǒng)地考慮了鋁合金的常見(jiàn)力學(xué)參數(shù)在可控腐蝕條件和荷載

4、的耦合作用下的趨勢(shì)和規(guī)律。本論文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)描述如下:
　　 1.本文首先提出了用腐蝕電極的電流強(qiáng)度衡量腐蝕速率的方法，并搭建了測(cè)量模型。選用工程中常用的2024鋁合金材料，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中調(diào)整人工腐蝕溶液配比方案（包含濃度、酸堿度和溫度等）實(shí)現(xiàn)了對(duì)該種材料的腐蝕速率的有效控制。該鋁合金在溶液1％HCl+3.5％NaCl中經(jīng)預(yù)腐蝕后，再進(jìn)行材料抗沖擊性能實(shí)驗(yàn)測(cè)試，應(yīng)用掃描電鏡等顯微測(cè)量設(shè)備觀察端口形貌，以及腐蝕邊界與腐蝕孔

5、的形貌特征等參量，研究分析了不同預(yù)腐蝕時(shí)間和腐蝕速率下材料的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)吸收能的衰減規(guī)律和腐蝕電流的關(guān)系，驗(yàn)證了用腐蝕電流表征腐蝕環(huán)境作用的可行性，并能同時(shí)判斷腐蝕模式。
　　 2.本文研究了在拉壓狀態(tài)下應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為，得到裂紋起裂時(shí)間的評(píng)價(jià)公式，并發(fā)現(xiàn)了受壓狀態(tài)下的開(kāi)裂新行為。在獲得了有效控制腐蝕速率方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)方案，使用減薄的WOL試樣進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量的方法得到了距預(yù)裂紋前端5mm處應(yīng)變的變化規(guī)

6、律，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法得到了驗(yàn)證。論文還研究了初始應(yīng)力對(duì)于應(yīng)力腐蝕的影響，分析初始應(yīng)力與起裂時(shí)間的關(guān)系，并以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將疲勞領(lǐng)域中的S-N曲線公式引入到應(yīng)力腐蝕領(lǐng)域，提出了初始應(yīng)力強(qiáng)度因子與起裂時(shí)間的關(guān)系式Kitmi=C。
　　 3.本文還進(jìn)一步提出了“腐蝕速率-時(shí)間-頻率”的等效假設(shè)，并且以腐蝕速率和荷載頻率為參量提出腐蝕疲勞壽命評(píng)價(jià)模型。該預(yù)測(cè)模型使用ZL101和7075兩種光滑鋁合金試件進(jìn)行腐蝕疲勞壽命研究試驗(yàn)，擬

7、合了S-N曲線，提出了腐蝕條件下應(yīng)力-疲勞壽命的改進(jìn)模型Nif(icor)n(△σ)m=C。然后通過(guò)等比率地降低腐蝕速率和加載頻率的方法再次測(cè)試材料的斷裂破壞壽命，數(shù)據(jù)結(jié)果與原壽命預(yù)測(cè)曲線對(duì)比，結(jié)果未超出工程要求的誤差范圍，驗(yàn)證了等效假設(shè)的合理性。同時(shí)，本文還探索了腐蝕溶液如何與承受荷載條件的材料實(shí)現(xiàn)有效、可控接觸的方法。
　　 4.本文發(fā)展了使用非耐腐蝕測(cè)量設(shè)備記錄腐蝕條件下的裂紋擴(kuò)展過(guò)程的方法，并基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果和端口形貌分析提

8、出了Paris公式的修正模型。在實(shí)驗(yàn)中我們分別實(shí)現(xiàn)了在1、5、10Hz頻率，20℃、60℃、80℃溫度和pH=3、7、10時(shí)的腐蝕溶液的條件下材料的疲勞裂紋擴(kuò)展行為。溫度和pH值的改變引起了腐蝕電流的改變，通過(guò)對(duì)腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率測(cè)量結(jié)果與常溫常態(tài)下的曲線作對(duì)比，得到腐蝕裂紋擴(kuò)展的一般規(guī)律和速率變化趨勢(shì)。分析了決定材料腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率的多種因素，并對(duì)它們的變化范圍和影響程度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。提出了Paris公式的修正模型da/dN=C