上官曉峰，張曉君，王晴晴

（1．西安工業(yè)大學 材料與化工學院，西安710021；2．瀘州新能源新材料產業(yè)園區(qū)，瀘州646000）

7475鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系合金，是美國Alcoa公司在7075鋁合金的基礎上研制開發(fā)的高純度超高強度鋁合金，其綜合性能優(yōu)良．該合金的強度和耐蝕性和7075鋁合金相當，但斷裂韌性卻得到了很大的提升，該合金是目前變形鋁合金中強度和斷裂韌度最佳配合的材料［1］，已作為西方國家目前現(xiàn)役飛機的主體結構材料．國內J10飛機的機翼下壁板以及JH7系列飛機主體結構部位及目前在研的軍、民用飛機的部分主體結構部位也選用了進口7475鋁合金預拉伸厚板［2-4］．國外對7475疲勞耐久性及損傷容限性研究比較成熟，已得到了許多重要數據，這對飛機設計具有重要的指導意義［5-9］．

國內對7475力學性能研究較多，但對其疲勞壽命及斷裂機理的研究并不多，文獻［10］采用軸向加載疲勞和疲勞裂紋擴展速率性能測試方法，研究了不積水和3．5%NaCl溶液環(huán)境對材料疲勞強度的影響程度基本相同，對疲勞裂紋擴展的影響規(guī)律也基本一致．迄今為止，有關海洋大氣環(huán)境下鋁合金的疲勞壽命及斷裂機理研究并不多，尤其是涉及到7475鋁合金這方面的研究還很少見．本文通過研究海洋大氣暴曬后的疲勞壽命和斷裂機理，確保材料的安全使用．

1 試驗材料及方法

7475鋁合金板材為試驗用材料，其成份見表1．試樣為206mm×40mm×3mm平板狀，中部兩側半徑弧度為120mm，試樣表面經打磨拋光，表面粗糙度Ra為0．80，棱角處無毛刺，試樣形狀如圖1所示．試樣分兩組，一組表面經硼硫酸陽極化處理，另一組經硼硫酸陽極化并涂H06-D＋13-2漆．

表1 7475鋁合金的化學成分（ω／%）Tab．1 Chemical composition of 7475aluminum alloy（ω／%）

圖1 試樣形狀Fig．1 Sample shape

將不同表面處理的試樣放置在海南萬寧暴曬場進行暴曬．暴曬試驗架為鋁合金，為防止接觸腐蝕，試樣用瓷柱從邊部固定于試驗架上，并與水平面成45°角，試樣上表面朝陽 （南方），暴曬試驗如圖2所示．暴曬場的地面為草坪，附近沒有影響風雨及陽光的屏蔽物，試樣或架子上的雨水不能流到其他試樣上，暴曬試驗時長為12個月．

圖2 大氣暴曬試驗Fig．2 Atmospheric exposure test

疲勞試驗設備如圖3所示，其型號為PLD-100．采用應力控制恒幅加載方式，試驗波形為正弦波，試驗標準為GB 3075-82．試驗首先參照材料細節(jié)疲勞額定值（Detail Fatigue Rating，DFR）的測試方法測出未經海洋大氣暴曬試樣（稱為對比試樣），室溫下應力比R＝0．1、加載頻率為10Hz時，試樣承受105次循環(huán)條件下所對應的應力值．然后測試相同應力條件下海洋大氣暴曬試樣的疲勞壽命．在掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）（FEI QUANTA-400）下觀察疲勞斷口形貌，分析斷裂機理．

圖3 疲勞試驗設備Fig．3 The test equipment of fatigue

2 試驗結果及分析

DFR方法是指在應力比R＝0．06、置信度為95%、可靠度為95%要求下，結構能承受105次循環(huán)所對應的最大名義應力值（疲勞強度）［11］．DFR法是基于威布爾分布建立的疲勞可靠性壽命分析方法，并且在S-N曲線和等壽命曲線的基礎上推導出DFR的一般表達式為

式中：SR為可靠度系數；SC為置信度系數；ST為試件系數．

對于樣本容量為n的完全壽命子樣，其特征壽命的點估計值可表示為

其中α為形狀參數．

參考DFR方法，測得未經暴曬試樣（對比試樣）R＝0．1的疲勞壽命數據見表2．試驗試樣數量為5，查文獻［11］，得到以上參數并利用 HB 7110-1994中單點法計算出對比試樣的DFR為272．276 MPa，見表3．測試暴露試樣疲勞壽命，以272．276 MPa為最大加載應力，試驗條件和對比試樣相同，即應力R＝0．1，試驗加載頻率為12Hz，測試結果見表4．表面不涂漆的壽命是22 480周，涂漆的壽命是39 959周，與對比試樣相比壽命下降一個數量級．

表2 對比試樣疲勞數據Tab．2 The fatigue data of the comparative samples

表3 7475鋁合金的參數及DFRTab．3 Parameters and DFR of 7475aluminum alloy

表4 海洋大氣暴曬試樣疲勞壽命Tab．4 The fatigue life of specimen with ocean-atmosphere exposure

圖4是疲勞斷口的宏觀形貌，疲勞裂紋萌生于試樣表面，由于裂紋形成時內部滑移和相互摩擦使裂紋源處發(fā)亮．疲勞裂紋從源區(qū)向試樣內部擴展，裂紋擴展區(qū)較為平坦，瞬斷區(qū)具有明顯的剪切唇，與加載應力軸大約成45°角．

圖4 疲勞斷口宏觀形貌Fig．4 Macro morphology of fatigue fracture

為了進一步分析其斷口特征，在掃描電子顯微鏡下觀察7475鋁合金疲勞斷口．從圖5可以發(fā)現(xiàn)疲勞源于試樣表面，且源區(qū)有明顯的腐蝕痕跡．

圖5 疲勞源的SEMFig．5 SEM of fatigue sources

從表5可以發(fā)現(xiàn)暴曬試樣疲勞源區(qū)存在氧元素、硫元素和氯元素，這幾種元素在試樣內部的含量急劇減少，表明試樣內部沒有被腐蝕，試樣表面的腐蝕坑為疲勞源．總壽命疲勞設計的疲勞壽命包括萌生主裂紋的疲勞循環(huán)數（可能高達疲勞總壽命的90%）和使這一主裂紋擴展到發(fā)生突然破壞的疲勞循環(huán)數．且裂紋萌生壽命占光滑試樣疲勞壽命的主要部分．

表5 不涂漆試樣疲勞源成分的原子成分（%）Tab．5 Atomic percentage composition of fatigue source of sample without paint（%）

圖6是海洋大氣暴曬后的宏觀形貌，可發(fā)現(xiàn)7475鋁合金海洋大氣暴曬后主要發(fā)生的是點蝕，點蝕促使疲勞裂紋的萌生，降低疲勞萌生主裂紋的疲勞循環(huán)數，即降低試樣的疲勞壽命．從不同表面處理的試樣表面可以發(fā)現(xiàn)，經硼硫酸陽極化和涂漆后的試樣表面腐蝕并不明顯，而僅經硼硫酸陽極化后的試樣表面有較為嚴重的點蝕，加速裂紋的形成，對疲勞壽命更為不利．

圖7為不涂漆試樣疲勞斷口的SEM，圖7（a）為疲勞源附近的形貌，可以清楚觀察到裂紋萌生于試樣表面的腐蝕坑，由于腐蝕是隨機的，且表面不止一處有腐蝕坑，因此試樣會出現(xiàn)多個疲勞源，這里只是其中一處的疲勞源．

圖6 海洋大氣暴曬后的宏觀形貌Fig．6 Macroscopic morphology of the ocean-atmosphere exposed samples

圖7 疲勞斷口的SEMFig．7 SEM of fatigue fracture

裂紋由疲勞源向試樣內部擴展，遇到晶界時，晶界阻礙位錯運動，使位錯塞積，從而形成拉應力造成開裂，萌生新的裂紋，裂紋就會沿著消耗最少能量的表面繼續(xù)擴展，進而形成了羽毛狀形貌，如圖7（b）所示．

7475鋁合金雖屬于面心立方晶體結構，但強度較高，裂紋擴展區(qū)內存在較為規(guī)則連續(xù)的疲勞條紋，但也有明顯的二次裂紋，如圖7（c）所示．圖7（d）是瞬斷區(qū)的形貌，存在大量的韌窩和少量的準解理面，在韌窩底部可見一些第二相顆粒，因此，7475鋁合金疲勞裂紋的最終失穩(wěn)擴展是由準解理和微孔聚集共同引起的．

3 結 論

1）7475鋁合金疲勞裂紋萌生于試樣表面的腐蝕坑，有單個的也有多個的疲勞源．疲勞裂紋擴展區(qū)有明顯規(guī)則的疲勞條紋，同時也存在二次裂紋，瞬斷區(qū)具有韌窩和準解理特征．

2）海洋大氣暴曬1年使7475鋁合金疲勞壽命下降一個數量級，但7475硼硫酸陽極化＋涂漆試樣的疲勞壽命高于7475硼硫酸陽極化試樣的疲勞壽命．

3）硼硫酸陽極化＋涂漆可在一定程度上防止海洋大氣腐蝕，延長疲勞壽命．

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