CN112730053B - 航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法 - Google Patents

航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法，通过对试验件进行不同当量腐蚀年限的加速腐蚀，定义了9个腐蚀损伤评价指标来评价腐蚀试验件的腐蚀损伤，引入新的参数B和参数C/A对试验件的腐蚀损伤形貌演化进行描述和分析；使用理论分析和MIT模型计算方法对腐蚀损伤评价指标进行了筛选，筛选出影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标；基于筛选出来的三个腐蚀损伤评价指标，建立腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型；利用腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型，对试验件的腐蚀疲劳寿命进行预测。本发明中的方法可以全面准确的分析航空铝合金材料的腐蚀损伤规律，预测航空铝合金的腐蚀疲劳寿命，且预测的误差较小。

Description

航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法
技术领域
本发明涉及航空材料腐蚀损伤及疲劳寿命技术领域，尤其涉及航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法。
背景技术
铝合金由于比强度高、比刚度高和在常规环境下良好的稳定性，因而在现役飞机中获得了广泛的应用。在我国自行研制的飞机中，铝合金用量占机体结构材料的比例高达80％以上；虽然在新研制的飞机中钛合金和复合材料的比例有所上升但铝合金的用量仍达到60％-65％。铝合金材料在使用过程中，易受周围环境的影响会遭受到不同形式的损伤，其中腐蚀是较为常见的一种损伤形式。腐蚀是指材料在周围环境的作用下引起的破坏或变质。飞机结构受环境腐蚀，其结构的力学性能会大大降低，甚至在不知情的情况下导致构件的断裂，最终导致机毁人亡的灾难性事故。而由于飞机是在海洋大气、高温、高湿、紫外线照射、化学介质等联合作用的环境下服役，因此，其铝合金结构表现出更强的腐蚀敏感性。腐蚀环境下铝合金结构的腐蚀损伤评价以及疲劳寿命的研究成为飞机结构安全性分析技术需要解决的问题。
铝合金结构的腐蚀损伤形貌信息是非常重要的，它直接影响着遭受腐蚀损伤铝合金结构的剩余强度和剩余寿命，对初始的腐蚀损伤进行分类以及数值化，可以更准确地评估腐蚀损伤对结构造成的强度以及寿命方面的影响。然而，到目前为止还没有一套公认的腐蚀疲劳损伤评价标准。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明旨在提供一种航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法，定义了多个腐蚀损伤评价指标，通过腐蚀疲劳损伤机理分析以及MIT模型筛选出对航空铝合金材料影响较大的三个腐蚀损伤评价指标，并建立这三个腐蚀损伤评价指标与疲劳寿命关系之间的模型，为工程条件下研究航空铝合金材料的腐蚀疲劳寿命预测方法提供了一个思路参考。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：对航空铝合金材料试验件进行静强度拉伸试验，得到试验件的静拉伸强度平均值σmean，以及对应的疲劳试验机最大拉应力σmax、最小拉应力σmin；
S2：根据静拉伸强度平均值与试验件的截面尺寸，计算疲劳试验机拉伸的最大拉力Fmax和最小拉力Fmin；
S3：对无腐蚀试验件进行疲劳试验，测得无腐蚀试验件的疲劳寿命；
S4：对试验件分别进行不同当量腐蚀年限的加速腐蚀；
S5：基于多个不同的腐蚀损伤评价指标，对经过不同当量腐蚀年限腐蚀后的试验件进行腐蚀损伤测量；
S6：对腐蚀损伤测量之后的试验件进行疲劳拉伸，测量对应的疲劳寿命；
S7：根据步骤S5的测量结果，对试验件的腐蚀损伤形貌演化进行描述和分析；
S8：对步骤S5中多个不同的腐蚀损伤评价指标进行筛选，筛选出影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标；
S9：基于步骤S8中筛选出来的三个腐蚀损伤评价指标，建立腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型；
S10：利用腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型，对试验件的腐蚀疲劳寿命进行预测。
进一步的，所述航空铝合金材料为LD2CZ材料。
进一步的，步骤S5中所述的多个不同的腐蚀损伤评价指标包括：
腐蚀坑最大深度：试验件上所测多个腐蚀坑的深度的最大值；
腐蚀坑平均深度：试验件上所测多个腐蚀坑的深度的平均值；
腐蚀坑平均宽度：垂直于载荷方向的所测多个腐蚀坑宽度的平均值；
腐蚀坑最大宽度：垂直于载荷方向的所测多个腐蚀坑宽度的最大值；
腐蚀最大面积：所测的腐蚀区域的面积的最大值；
腐蚀平均面积：所测的腐蚀区域的面积的平均值；
腐蚀坑最大体积：所测多个腐蚀坑体积的最大值；
腐蚀坑平均体积：所测多个腐蚀坑体积的平均值；
腐蚀点蚀率：表面已腐蚀面积占试验件表面积的比值；在试验件正反两个面中间划定4个(2×2)cm2的区域，每个区域面积用字母A0表示，试验件四个区域的已腐蚀面积分别用A1、A2、A3、A4来表示，则试验件的点蚀率为：
Figure BDA0002827207190000031
进一步的，步骤S7中使用参数B和参数C/A对试验件的腐蚀损伤形貌演化进行描述和分析，其中，参数B为腐蚀坑面积和围绕此腐蚀坑区域面积的比值，参数C/A为腐蚀坑的深度C与垂直于载荷方向的腐蚀坑宽度一半A的比值；其中，围绕腐蚀坑区域面积的计算方法为，将腐蚀坑表面等效为圆形，取腐蚀坑表面的最大宽度/长度数值作为腐蚀坑表面圆形的直径，计算此面积作为腐蚀坑区域面积。
进一步的，步骤S8的具体操作步骤包括，
S81：采用三维有限元方法对腐蚀试验件进行应力应变分析，计算应力集中系数，分析应力集中系数与C/A之间的变化规律；
S82：从理论上分析腐蚀坑垂直于载荷方向的宽度和腐蚀坑深度对疲劳寿命的影响；
S83：使用MMT模型计算方法对腐蚀损伤评价指标进行筛选，筛选出影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标。
进一步的，步骤S9中建立腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型的具体操作步骤包括，
S91：对腐蚀损伤评价指标数据进行归一化处理，归一化的公式为yi＝xi/xmax，式中，yi为归一化后的腐蚀损伤评价指标，xi为归一化之前的腐蚀损伤评价指标，xmax为对应腐蚀损伤评价指标数据中的最大值；
S92：使用yt＝atb分别对三个腐蚀损伤评价指标随时间的变化曲线进行拟合，式中，yt是第t年腐蚀损伤评价指标值；
S93：计算不同当量腐蚀年限下的腐蚀损伤速率，所述腐蚀损伤速率的计算公式为
Figure BDA0002827207190000041
式中，
Figure BDA0002827207190000042
Figure BDA0002827207190000043
Figure BDA0002827207190000044
其中，α1、α2、α3分别是腐蚀坑最大深度、腐蚀坑最大宽度、点蚀率对疲劳寿命影响的比重大小；V(T)为第T年腐蚀损伤速率；
Figure BDA0002827207190000045
为第T年腐蚀坑最大深度的增长速率；
Figure BDA0002827207190000046
为第T年腐蚀坑最大宽度增长速率；fr为第T年点蚀率的变化速率；
Figure BDA0002827207190000047
为腐蚀坑最大宽度对应的MIT绝对值；
Figure BDA0002827207190000048
为腐蚀坑最大宽度对应的MIT绝对值；MITr为点蚀率对应的MIT绝对值；
S94：对步骤S93中的腐蚀损伤速率计算公式进行积分，得到0～T年的腐蚀损伤，
Figure BDA0002827207190000049
简化后可表示为
Figure BDA00028272071900000410
式中，UT为0～T年的腐蚀损伤；
S95：对腐蚀试验件的腐蚀疲劳寿命衰减率与腐蚀损伤进行拟合，可得，当U≥0.208时，腐蚀损伤与疲劳寿命的衰减率之间满足的拟合方程为Nα＝0.894+0.0876*ln(U-0.208)；式中，Nα为腐蚀疲劳寿命的衰减率，U为腐蚀损伤量。
进一步的，步骤S10的具体操作步骤包括，
S101：结合步骤S94中腐蚀损伤速率，以及步骤S95中腐蚀损伤与疲劳寿命的衰减率拟合方程，计算疲劳寿命的衰减率，当U≥0.208时，疲劳寿命的衰减率计算公式为
Figure BDA0002827207190000051
S102：利用公式NT＝N-Nα*N对试验件的腐蚀疲劳寿命进行预测，式中，Nα为腐蚀试验件的疲劳寿命的衰减率；NT为预腐蚀t年的疲劳寿命；N为试件无腐蚀影响的疲劳寿命。
本发明的有益效果是：
1、本发明中定义了9个腐蚀损伤评价指标，从不同角度对航空铝合金材料的腐蚀损伤进行测量评价，然后通过腐蚀疲劳损伤机理分析以及MIT模型计算两种方法对9个腐蚀损伤评价指标进行筛选，进而得到对LD2CZ铝合金材料试验件腐蚀损伤影响较大的三个评价指标，能够更加精确全面的反应出LD2CZ铝合金材料试验件腐蚀损伤情况。
2、本发明中引入了参数B和参数C/A对LD2CZ铝合金材料试验件的腐蚀形貌演化进行描述与分析，并相应的分析了参数C/A与应力集中系数之间的变化规律，为LD2CZ铝合金材料试验件的腐蚀形貌演化分析奠定了基础。
3、本发明中建立了基于腐蚀损伤评价指标的疲劳寿命预测模型，结合对LD2CZ铝合金材料试验件腐蚀损伤影响较大的三个评价指标，可以全面的分析预测航空铝合金材料的腐蚀疲劳寿命，经验证，该模型对LD2CZ铝合金材料试验件腐蚀疲劳寿命的预测误差较小，是能够应用在LD2CZ铝合金材料试验件腐蚀疲劳寿命的预测中，为工程条件下研究航空铝合金材料的腐蚀疲劳寿命预测方法提供了一个思路参考。
附图说明
图1为本发明中试验件的尺寸图；
图2为本发明中对试验件进行加速腐蚀后腐蚀坑宽度与深度测量图；
图3为本发明中对试验件进行加速腐蚀后腐蚀坑面积体积测量结果示意图；
图4为本发明中对试验件进行加速腐蚀后腐蚀区域面积测量图；
图5为本发明中对试验件进行加速腐蚀后腐蚀坑面积测量图；
图6为本发明中对试验件进行当量腐蚀年限3年的加速腐蚀后腐蚀坑三维形貌图；
图7为本发明中对试验件进行当量腐蚀年限9年的加速腐蚀后腐蚀坑三维形貌图；
图8为本发明中参数B随腐蚀年限的变化曲线；
图9为本发明中蚀坑等效为无限大板两端受拉应力的半椭球形状示意图；
图10为本发明中不同腐蚀年限下试件表面腐蚀形貌；
图11为本发明中利用CATIA软件对腐蚀坑建模后的模型图；
图12为本发明中利用CATIA软件对LD2CZ铝合金试验件建模后的模型图；
图13为本发明中C/A值频率分布图；
图14为本发明中C/A值对应的有限元分析结果；
图15为本发明中固定腐蚀坑宽度为0.05mm时应力集中系数随着C/A的变化曲线；
图16为本发明中固定腐蚀坑深度为0.05mm时应力集中系数随着C/A的变化曲线；
图17为本发明中不同腐蚀年限下疲劳寿命的衰减率变化曲线；
图18为本发明中不同腐蚀年限下点蚀率均值；
图19为本发明中计算机模拟多腐蚀坑试验件；
图20为本发明中多蚀坑有限元分析结果；
图21为本发明中应力集中系数随腐蚀坑数目的变化曲线；
图22为本发明中应力集中系数随表面腐蚀坑半径的变化曲线；
图23为本发明中腐蚀坑最大深度随着腐蚀年限变化曲线拟合；
图24为本发明中腐蚀坑最大宽度随着腐蚀年限变化曲线拟合；
图25为本发明中腐蚀年限下的腐蚀损伤量；
图26为本发明中腐蚀损伤与疲劳寿命衰减率的拟合关系。
具体实施方式
为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。
航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法，包括以下步骤，
S1：对航空铝合金材料试验件进行静强度拉伸试验，得到试验件的静拉伸强度平均值σmean，以及对应的疲劳试验机最大拉应力σmax、最小拉应力σmin；
具体的，所述航空铝合金材料试验件为航空LD2CZ铝合金，LD2CZ铝合金的化学成分如下表1所示，热处理方式为：(1)加热到494±5℃进行淬火；(2)保温X小时；(3)放入水中冷却96小时；(4)检查硬度和抗拉强度是否符合规定的要求。试验件尺寸如附图1所示，试件厚度为3mm。
表1 LD2CZ铝合金的化学成分(％)
元素 Al Cu Mg Mn Fe Si Zn Ti others
含量 94.1～93.7 0.2～0.6 0.45～0.9 0.15～0.35 0.5 0.5～1.2 0.2 0.15 0.15
对5个LD2CZ铝合金试验件进行静强度拉伸试验，得到五个试验件的静拉伸强度，令五个试验件的静拉伸强度的平均值为σmean，则σmean＝317.5Mpa，将疲劳试验机的最大拉应力设为0.8σmean。根据公式σmin/σmax＝R计算出σmin的大小，式中，σmin为最小拉应力，σmax为最大拉应力，R为应力比。具体的，
σmax＝254Mpa，σmin＝15.24Mpa，R＝0.06；
S2：根据静拉伸强度平均值与试验件的截面尺寸，计算疲劳试验机拉伸的最大拉力Fmax和最小拉力Fmin；Fmax＝30.4kN，Fmin＝1.8kN；
S3：对10个无腐蚀试验件进行疲劳试验，疲劳试验的最小拉力与最大拉力设定为Fmin、Fmax，测得无腐蚀试验件的疲劳寿命，具体的，疲劳试验在Material Test System 810电液伺服疲劳试验机上进行。该疲劳试验机有三种控制方式(载荷/应力控制、应变控制、位移控制)；两种加载方式：轴向拉伸和轴向压缩；加载频率为0-30Hz；四级载荷控制档位(50、100、250、500KN)；控制软件为美国MTS公司提供的Basic Test Ware软件；试验机动载荷精度2％，静载荷精度1％。试验加载波形为Sine波，波形采用PVC补偿。10个无腐蚀试验件的疲劳寿命测量结果如表2所示；
表2 10个无腐蚀试验件的疲劳寿命测量结果
Figure BDA0002827207190000081
S4：对试验件分别进行不同当量腐蚀年限的加速腐蚀；
加速腐蚀采用ZJF-45G周期浸润腐蚀试验箱，ZJF-45G周期浸润腐蚀试验箱为人工气候腐蚀试验箱，主要用于实现飞机结构模拟试验件加速腐蚀试验环境谱对应的溶液浸泡——烘干的日历腐蚀过程。为了防止在腐蚀试验中，试验件的夹持端被腐蚀而影响疲劳试验结果，腐蚀试验前要对非试验区进行保护(涂硅胶)，待防腐蚀胶完全固化后再进行预腐蚀试验。
根据海南某机场服役环境谱编制得到加速腐蚀试验环境谱：(1)酸性NaCl溶液浸泡：5％的NaCl溶液中加入5％的稀硫酸使其pH＝(4 0.2)，溶液温度为(40 2)℃，以模拟盐雾和酸性气体的作用；(2)在40℃温度和RH＝90％～100％湿度的潮湿空气中，用远红外线灯照射烘干试验件，以模拟潮湿空气和凝露的作用过程。试验设备为周期浸润箱，其中在酸性NaCl溶液中浸泡时间为3.8分钟，烘烤时间为17.5分钟，一个周期为21.3分钟。加速腐蚀325个周期相当于外场腐蚀一年。
加速腐蚀的实施要求：腐蚀试验过程中，用笔式pH计每间隔4小时测量溶液的pH值，若溶液的pH值不在规定的范围内，则立即更换溶液，若在规定的范围内，则每间隔24小时更换溶液一次。腐蚀试验过程中，试验件水平悬挂在搁架上，各个试验件之间以不相互接触为宜，试验件直接接受远红外灯照射，为了避免环境不均匀对试验件的影响，每12小时随机变换试验件位置一次。预腐蚀试验采用ZJF-45G周期浸润腐蚀试验箱。
对LD2CZ铝合金试验件在模拟真实服役环境下进行当量腐蚀年限为3、5、7、9、11、13、15、17、19年的加速腐蚀，对90个LD2CZ铝合金试验件进行编号，第n年取10个试验件，编号分别为1#-na、45#-na、90#-na等，例如：60#-9a试验件为腐蚀9年的60号试验件。
S5：基于多个不同的腐蚀损伤评价指标，对经过不同当量腐蚀年限腐蚀后的试验件进行腐蚀损伤测量；
具体的，所述腐蚀损伤评价指标包括：
腐蚀坑最大深度：试验件上所测多个腐蚀坑的深度的最大值；
腐蚀坑平均深度：试验件上所测多个腐蚀坑的深度的平均值；
腐蚀坑平均宽度：垂直于载荷方向的所测多个腐蚀坑宽度的平均值；
腐蚀坑最大宽度：垂直于载荷方向的所测多个腐蚀坑宽度的最大值；
腐蚀最大面积：所测的腐蚀区域的面积的最大值；
腐蚀平均面积：所测的腐蚀区域的面积的平均值；
腐蚀坑最大体积：所测多个腐蚀坑体积的最大值；
腐蚀坑平均体积：所测多个腐蚀坑体积的平均值；
腐蚀点蚀率：表面已腐蚀面积占试验件表面积的比值；在试验件正反两个面中间划定4个(2×2)cm2的区域，每个区域面积用字母A0表示，试验件四个区域的已腐蚀面积分别用A1、A2、A3、A4来表示，则试验件的点蚀率为：
Figure BDA0002827207190000091
用柯氏达显微镜分别对腐蚀当量年限下腐蚀损伤评价指标进行测量，获得LD2CZ铝合金试验件在模拟真实服役环境进行加速腐蚀试验后的腐蚀坑三维形貌，腐蚀区域面积、腐蚀坑的深度、宽度、面积、体积的测量如附图2-附图7所示。
S6：对腐蚀损伤测量之后的试验件进行疲劳拉伸，测量对应的疲劳寿命；
S7：根据步骤S5的测量结果，对试验件的腐蚀损伤形貌演化进行描述和分析；
腐蚀是一个动态的过程，腐蚀坑的数目与大小都在不断增大。本发明中引入两个参数化来对LD2CZ铝合金材料试验件的腐蚀形貌演化进行描述与分析，具体的，
(1)参数B，定义为腐蚀坑面积和围绕此腐蚀坑区域面积的比值。附图8示出了在当量腐蚀3、5、7、9、11、13、15、19年的参数B均值变化曲线，参数B随着腐蚀年限逐年递增，在腐蚀15年之后参数趋近于0.55左右。随着腐蚀年限的推移，围绕腐蚀坑的区域面积呈递增趋势，如附图10所示，根据参数B推算得到腐蚀坑面积是逐年递增，而且递增的速率大于腐蚀坑的区域面积的递增速率。所以，随着腐蚀年限的推移，形状不规则的腐蚀坑逐渐发展成腐蚀面积、腐蚀坑面积更大的圆形(椭圆形)蚀坑。因此，可以将蚀坑等效为无限大板两端受拉应力的半椭球形状，如附图9所示。
(2)参数C/A，定义为腐蚀坑的深度C与垂直于载荷方向的腐蚀坑宽度一半A的比值。铝合金蚀孔在含卤素离子的腐蚀环境中具有深挖能力，蚀孔的深宽比C/A处在区间[0.5,2.35]之内，平均值为0.75。
对LD2CZ铝合金材料腐蚀试验件的腐蚀坑深度、宽度测量值统计分析可得在当量腐蚀3、5、7、9、11、13、15、19年后，参数C/A均值变化曲线如下表3所示。
表3腐蚀年限下的参数C/A均值表
腐蚀年限/年 3 5 7 9 11 13 15 19
参数C/A 3.300 2.098 1.606 1.348 0.704 0.476 0.502 0.496
从表2中可以看出，参数C/A的值随着腐蚀年限推移呈递减趋势，但是在腐蚀后期参数C/A的值趋于稳定。随着时间的推移，腐蚀坑的深度方向增长的速率降低，垂直于载荷方向的宽度方向增长的速率增大，腐蚀朝着横向发展，因为试验件表面是开放的，所以腐蚀产物不会产生枕垫效应。
S8：对步骤S5中多个不同的腐蚀损伤评价指标进行筛选，筛选出影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标；
具体的，S81：采用三维有限元方法对腐蚀试验件进行应力应变分析，计算不同的腐蚀损伤情况下最大应力的分布情况，根据公式Kt＝σmax/σM计算应力集中系数，分析应力集中系数与C/A之间的变化规律，式中，Kt为应力集中系数，σmax为腐蚀试验件的最大应力，σM为无腐蚀试验件的名义应力。
结合试验件的尺寸，利用CATIA软件建模，然后导入ANSYS软件进行有限元分析。建好的模型如附图11和附图12所示。选取腐蚀第3年LD2CZ铝合金试验件的100个蚀坑点进行分析发现，大部分C/A的值不超过4，并且最大一般不超过10，如附图13所示。因此，本发明在同一个腐蚀位置下固定垂直于拉应力方向的腐蚀坑宽度为0.05mm(蚀坑表面等效成圆形)，C/A值为1、3、5、7、9时对单腐蚀坑进行有限元分析，其分析结果如附图14所示，对应的应力集中系数值如附图15所示。
同理分析得到：当腐蚀坑深度为0.05mm时，垂直于载荷方向的宽度为0.1mm、0.05mm、0.02mm、0.01mm时应力集中系数变化情况如附图16所示。由附图15和附图16可以看出：
(1)C/A的值增大，应力集中系数也随之增大。
(2)C/A的值增大，应力集中系数的最大位置逐渐向蚀坑底部中心位置靠拢，平行于拉应力方向的应力最小，垂直于载荷的宽度方向的应力集中大小仅次于深度方向的应力集中大小。所以垂直于载荷方向的蚀坑宽度对应力集中影响是比较明显的。
进一步的，S82：从理论上分析腐蚀坑垂直于载荷方向的宽度和腐蚀坑深度对疲劳寿命的影响；
腐蚀疲劳寿命由三段组成：裂纹形成寿命、表面裂纹扩展到贯穿裂纹的寿命和贯穿裂纹的扩展寿命；腐蚀坑加速了疲劳主裂纹的形成，主裂纹沿着三个方向扩展：垂直于载荷宽度方向、腐蚀坑深度方向。
蚀孔转化的临界腐蚀坑宽度(垂直于载荷方向)的一半Aci可以表示为
Figure BDA0002827207190000121
式中，ΔKth为门槛驱动力，它与载荷频率、大小、应力比因素有关，Δσ为加载载荷幅度。本发明中在进行试验件的疲劳拉伸试验时应力比和载荷频率、大小是一定的，加载的载荷幅度也是移动的，因此ΔKth和Δσ都是固定值。
根据蚀孔转化的临界腐蚀坑宽度(垂直于载荷方向)一半Aci的计算公式可知，C/A值越小，其应力集中系数也越小，而(C/A)-1.65越大，所以Aci就越大，也就是说随着腐蚀年限的推移，腐蚀坑转变为短裂纹的临界值Aci就越大。因此，裂纹成核的位置必须满足条件：腐蚀坑垂直于载荷方向的宽度大于公式
Figure BDA0002827207190000122
计算的临界宽度。
当腐蚀坑满足转变为短裂纹的条件时，腐蚀坑便可等效短裂纹，裂纹沿着深度以及表面垂直于载荷方向扩展。
综上所述，腐蚀坑垂直于载荷的宽度、深度对LD2CZ铝合金材料试验件裂纹萌生寿命的影响比较明显，即腐蚀坑加速了裂纹的萌生。
进一步的，腐蚀疲劳寿命衰减率表示为Nα＝|N-Nt|/N，式中，Nα为预腐蚀疲劳寿命衰减率；Nt为预腐蚀t年的疲劳寿命；N为试件无腐蚀影响的疲劳寿命；F为预腐蚀t年试件的腐蚀疲劳寿命衰减率；
由疲劳试验测得的试验件疲劳寿命值计算可得不同腐蚀年限下的疲劳寿命衰减率变化曲线如附图17所示。
从附图17可以看出，前3年腐蚀疲劳寿命衰减了一半左右。由表3可知，腐蚀第3年时C/A＝3.3，利用CATIA中的随机阵列命令人为的规定腐蚀坑的位置，在试验件上随机标定腐蚀坑的位置，随机抽取通过实验测得腐蚀第3年LD2CZ铝合金试验件的腐蚀坑深度数据如表4所示，由表4可知腐蚀第3年时腐蚀坑的平均宽度约为50μm，结合附图16可知Kt约为1.8，ΔKth＝2.23，Δσ＝256Mpa，计算得到Aci＝7.223μm，则临界腐蚀宽度为14.446μm。
由加速腐蚀试验可得，腐蚀第3年腐蚀坑的平均宽度为27.40μm，因为平均值几乎是临界值两倍，所以能等效裂纹的腐蚀坑存在的概率比较大，即腐蚀坑越容易裂纹成核，裂纹萌生寿命就衰减越多。由于高强度铝合金的裂纹萌生寿命占整个疲劳寿命的80％，所以第3年的疲劳寿命的衰减主要是疲劳裂纹萌生寿命。
综上所述，腐蚀坑深度与垂直于载荷方向的蚀坑宽度是影响试验件疲劳寿命的两个重要指标。
表4腐蚀第3年LD2CZ铝合金试验件的腐蚀坑深度
序号 腐蚀坑深度(μm) 序号 腐蚀坑深度(μm)
1 66.057 20 28.518
2 36.837 21 52.743
3 41.204 22 49.098
4 33.888 23 33.692
5 51.514 24 29.49
6 57.245 25 28.522
7 30.175 26 31.151
8 45.948 27 47.179
9 56.467 28 58.309
10 78.417 29 38.976
11 31.45 30 50.818
12 59.417 31 31.781
13 40.843 32 51.938
14 26.602 33 49.464
15 63.714 34 42.755
16 45.766 35 60.285
17 33.903 36 33.062
18 37.459 37 53.332
19 38.738 38 73.968
进一步的，对单个腐蚀坑的生长过程进行研究，假设蚀坑按体积生长，由法拉第定律及Arrhenius公式得
Figure BDA0002827207190000141
式中，V为蚀孔体积，M为金属铝的原子量；n为铝的原子价；F为法拉第常数；ρ为铝的密度，ΔH为活化能；R为通用气体常数；K为腐蚀环境温度；
Figure BDA0002827207190000142
为铝合金的孔蚀电流常数，是材料性能参数。
对上述公式进行积分，得到关系式
Figure BDA0002827207190000143
式中，V0为初始的蚀孔体积。
将蚀坑看做半椭圆体，蚀坑体积公式为
Figure BDA0002827207190000144
而腐蚀坑表面半径A与腐蚀坑深度C之间存在如下关系：
Figure BDA0002827207190000145
为简化计算过程，可假设D为2，即将腐蚀坑看做是个半球体。这样上式就可以改写成
Figure BDA0002827207190000151
式中：Ck为腐蚀坑深度、C0为腐蚀坑初始深度，结合点蚀率的定义式
Figure BDA0002827207190000152
则点蚀率的表达式可表示为
Figure BDA0002827207190000153
式中：Cki、Ckj、Ckii、Ckjj分别为腐蚀试验件上划分的四个区域腐蚀坑深度。
由此可知，点蚀率与腐蚀坑的数目、参数B、腐蚀坑的平均深宽比以及试验件腐蚀坑深度C的平方和之间存在映射关系。
进一步的，疲劳寿命一般分两个阶段：裂纹萌生寿命阶段和裂纹扩展寿命阶段，由腐蚀试验得到在腐蚀年限3、5、7、9、11、13、15、17、19年下的点蚀率数据如附图18所示。
从附图18中可以看出，点蚀率随着腐蚀年限的推移，其均值是逐年递增的。点蚀率增长主要表现在腐蚀坑数目以及腐蚀坑的表面积以及参数B的增长。
对表4中腐蚀第3年LD2CZ铝合金试验件的腐蚀坑深度数据进行统计分析，得到其均值为45.208μm，标准差为13.175。对腐蚀前3年的试验件腐蚀坑的数目进行统计，试验件每一个面上的可测深度的腐蚀坑数目小于20个，而且位置分布都是随机的，C/A为4的腐蚀坑数目占了一半，因此在C/A比值为4以及腐蚀坑宽度为45μm的前提下，研究腐蚀坑数目为3、7、9、13、17、19个时候的应力集中的情况。利用计算机软件建立的多腐蚀坑模型如附图19所示。
Abqus静力分析结果如附图20和附图21所示，随着腐蚀坑数目的增加，试验件的应力集中系数也随之增大。因此，多腐蚀坑对应力集中的影响是比较大的。
进一步的，固定腐蚀坑的数目为10，固定腐蚀坑的深宽比为4。腐蚀坑的表面等效成圆形，计算腐蚀坑宽度(表面腐蚀坑半径)为0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm时试验件的应力集中大小。附图22给出了应力集中系数与腐蚀坑半径的拟合曲线，腐蚀坑面积的增长也会导致应力集中系数的增长。
所以点蚀率的增加(腐蚀坑数目以及蚀坑面积增加)，较之单蚀坑而言，其应力集中系数更大，由公式
Figure BDA0002827207190000161
可知其等效裂纹的临界宽度减小，加速了腐蚀坑等效成裂纹的进程。
综上所述，腐蚀坑的深度、垂直于载荷方向的腐蚀坑宽度以及点蚀率三个指标对疲劳寿命的影响比较大，基于上述原因，本发明中从三维方位将腐蚀损伤进行完整的定义和描述，即用腐蚀坑深度、腐蚀坑宽度(垂直于载荷方向)、点蚀率三个腐蚀损伤评价指标来对腐蚀损伤进行描述。
进一步的，S83：使用MMT模型计算方法对腐蚀损伤评价指标进行筛选，筛选出影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标。
具体的，MIT被认为是在神经网络中评价变量相关性最好的指标之一。它是用于确定输入神经元对输出神经元影响大小的指标，其符号代表相关的方向，绝对值代表影响的相对重要性。其具体的计算过程：在网络训练终止后，将训练样本中的自变量特征在其原值的基础上增加/减少10％构成两组新的训练样本，用已经建成的网络进行训练得到两个仿真结果，并计算与真实结果之间的差值，即变动自变量后对输出产生的影响变化值(IV，Impact Value)，最后将IV按观测例数平均得出该自变量对于网络输出的MIT。根据MIT绝对值大小为各自变量排序，得到各自变量对网络输出影响相对重要性的位次表，从而判断输入特征对网络结果的影响程度。即实现了变量的筛选。
将9个腐蚀损伤评价指标作为神经网络的输入变量，输出为腐蚀疲劳寿命，MIT绝对值反映了腐蚀损伤评价指标对疲劳寿命的影响大小。将实验取得数据(下表5、表6)作为训练样本，将样本数据矩阵在原值的基础上增加、减少10％，得到两组新的训练样本，再次输入网络，得到10个腐蚀损伤评价指标的MIT值的绝对值，如表7所示。
表5 LD2CZ铝合金试验件的腐蚀损伤评价指标数据表
腐蚀年限(a) 3 5 7 9 11 13 15 17 19
最大腐蚀坑深度(μm) 73.97 111.97 146.44 168.98 178.55 194.50 210.90 237.81 246.26
平均腐蚀坑深度(μm) 45.21 77.18 104.91 116.02 131.23 135.29 143.22 155.70 164.41
最大腐蚀面积(mm<sup>2</sup>) 0.262 0.393 0.503 0.672 0.799 0.802 0.881 0.986 1.434
平均腐蚀面积(mm<sup>2</sup>) 0.0815 0.0918 0.1001 0.1074 0.1334 0.1389 0.1423 0.1478 0.1509
最大蚀坑体积(10<sup>3</sup>μm<sup>3</sup>) 1583 2681 3945 7775 10826 11236 13563 14888 16660
平均腐蚀坑宽度(μm) 27.40 73.57 130.65 172.14 372.80 568.44 570.61 615.41 662.95
最大腐蚀坑宽度(μm) 58.33 112.22 159.45 288.79 556.8 599.86 635.53 687.65 732.17
平均蚀坑体积(10<sup>3</sup>μm<sup>3</sup>) 129.5 158.47 199.02 211.39 243.10 250.33 253.19 262.47 302.51
点蚀率/10<sup>-2</sup> 0.328 0.409 0.535 0.569 0.808 1.106 1.251 1.391 1.516
表6 LD2CZ铝合金试验件的腐蚀年限下的疲劳寿命
Figure BDA0002827207190000171
表7腐蚀损伤评价指标对应的MIT绝对值
Figure BDA0002827207190000172
根据表7可以得出，对疲劳寿命影响的腐蚀损伤评价指标排序：最大腐蚀坑深度＞平均腐蚀坑深度＞点蚀率＞腐蚀坑平均宽度＞腐蚀坑最大宽度＞最大腐蚀面积＞平均腐蚀坑体积＞最大腐蚀坑体积＞平均腐蚀面积。
因为腐蚀坑深度服从正态分布N～(μ，σ2，并且有dmax＝cσ+dm，bmax＝cσ+bm，式中：c为一个常数，dmax为腐蚀坑最大深度、dm为腐蚀坑平均深度、bm为腐蚀坑平均宽度、bmax为腐蚀坑最大宽度。所以选择最大腐蚀坑深度、最大腐蚀坑宽度、点蚀率、作为衡量腐蚀损伤的3个指标。
综上所述，从理论分析和MIT模型计算两个角度对腐蚀损伤评价指标进行筛选，最终得到影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标：腐蚀坑最大宽度、腐蚀坑最大深度、点蚀率。
S9：基于步骤S8中筛选出来的三个腐蚀损伤评价指标，建立腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型；
具体的，S91：对腐蚀损伤评价指标数据进行归一化处理，归一化的公式为yi＝xi/xmax，式中，yi为归一化后的腐蚀损伤评价指标，xi为归一化之前的腐蚀损伤评价指标，xmax为对应腐蚀损伤评价指标数据中的最大值；对筛选出的腐蚀损伤因子数据进行归一化，结果如表8所示。
表8归一化处理后的腐蚀损伤评价指标数据
Figure BDA0002827207190000181
S92：使用yi＝at分别对三个腐蚀损伤评价指标随时间的变化曲线进行拟合，式中，yt是第t年腐蚀损伤评价指标值；
具体的，用失重率来表征腐蚀速率，其拟合腐蚀速率与时间的拟合函数为幂函数yt＝at，式中，yt是第t年腐蚀损伤评价指标值。
使用未进行归一化处理的数据进行拟合，腐蚀坑最大宽度、腐蚀坑最大深度随时间的变化曲线的拟合结果如附图23和附图24所示，点蚀率的拟合结果如附图17所示。
腐蚀损伤评价指标的拟合结果如表9所示，由腐蚀损伤评价指标的拟合结果可以看出，用公式yt＝atb拟合腐蚀损伤评价指标随着腐蚀年限变化曲线是合理的，且相关性都大于0.9。
表9腐蚀损伤评价指标随腐蚀年限变化曲线拟合结果
Figure BDA0002827207190000191
归一化之后腐蚀损伤评价指标、腐蚀损伤速率为无量纲量，归一化后的拟合结果对比未归一化拟合结果可知，拟合方程的相关性与参数没有改变，参数发生了变化。归一化后参数a的拟合结果如表10所示。。
表10拟合归一化数据的参数a的值
点蚀率 最大腐蚀坑深度 最大腐蚀坑宽度
0.046 0.177 0.034
S93：计算不同当量腐蚀年限下的腐蚀损伤速率，腐蚀损伤速率，是指描述腐蚀损伤综合指标变化的快慢，它等于每个筛选出的评价指标变化速率的加权平均。应用加权平均法将筛选出的3个腐蚀损伤评价指标的变化速率和MIT影响大小指标加权平均，进而得到综合评价腐蚀速率的评价指标，所述腐蚀损伤速率的计算公式为
Figure BDA0002827207190000192
式中，
Figure BDA0002827207190000193
Figure BDA0002827207190000194
Figure BDA0002827207190000195
其中，α1、α2、α3分别是腐蚀坑最大深度、腐蚀坑最大宽度、点蚀率对疲劳寿命影响的比重大小；V(T)为第T年腐蚀损伤速率；
Figure BDA0002827207190000201
为第T年腐蚀坑最大深度的增长速率；
Figure BDA0002827207190000202
为第T年腐蚀坑最大宽度增长速率；fr为第T年点蚀率的变化速率；
Figure BDA0002827207190000203
为腐蚀坑最大宽度对应的MIT绝对值；
Figure BDA0002827207190000204
为腐蚀坑最大宽度对应的MIT绝对值；MITr为点蚀率对应的MIT绝对值；
根据上述腐蚀损伤速率的计算公式计算得到腐蚀年限下的腐蚀损伤速率如表11所示，从表11可以看出，腐蚀损伤速率是逐年递减的。
表11腐蚀年限下的腐蚀损伤速率
Figure BDA0002827207190000205
S94：对步骤S93中的腐蚀损伤速率计算公式进行积分，得到0～T年的腐蚀损伤，
Figure BDA0002827207190000206
简化后可表示为
Figure BDA0002827207190000207
式中，UT为0～T年的腐蚀损伤；
根据表8和表9的数据计算出0～T年的腐蚀损伤如附图25所示。
S95：对腐蚀试验件的腐蚀疲劳寿命衰减率与腐蚀损伤进行拟合，附图26给出了腐蚀疲劳寿命衰减率与腐蚀损伤的拟合关系图，由附图26可知，当U≥0.208时，腐蚀损伤与疲劳寿命的衰减率之间满足的拟合方程为Nα＝0.894+0.0876*ln(U-0.208)；式中，Nα为腐蚀疲劳寿命的衰减率，U为腐蚀损伤量。
将U＝0.208代入公式
Figure BDA0002827207190000208
得到腐蚀损伤为0.208时对应的腐蚀年限t＝2.753，即在外场环境下腐蚀2年9个月之后腐蚀损伤与疲劳寿命衰减率曲线符合拟合公式Nα＝0.894+0.0876*ln(U-0.208)。
S10：利用腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型，对试验件的腐蚀疲劳寿命进行预测。
具体的，S101：结合步骤S94中腐蚀损伤速率，以及步骤S95中腐蚀损伤与疲劳寿命的衰减率拟合方程，计算疲劳寿命的衰减率，当U≥0.208时，疲劳寿命的衰减率计算公式为
Figure BDA0002827207190000211
S102：根据公式Nα＝|N-Nt|/N变形可得NT＝N-Nα*N，对试验件的腐蚀疲劳寿命进行预测，式中，Nα为腐蚀试验件的疲劳寿命的衰减率；NT为预腐蚀t年的疲劳寿命；N为试件无腐蚀影响的疲劳寿命。预测结果如表12所示。
表12腐蚀疲劳寿命预测结果
Figure BDA0002827207190000212
由表12可知，预测最大误差不超过7％，满足实用性要求。因此当腐蚀损伤U≥0.208时，公式Nα＝0.894+0.0876*ln(U-0.208)适用于计算疲劳寿命的衰减率。
综上所述，应用加权平均法将筛选出的3个腐蚀损伤评价指标的变化速率和MIT影响大小指标加权平均，得到综合评价腐蚀损伤的指标，然后建立评价综合指标与疲劳寿命衰减率的关系，通过应用这个关系对腐蚀年限下的疲劳寿命预测的结果可知，建立综合评价指标的腐蚀损伤模型是比较合理的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法，其特征在于，包括以下步骤，
S1：对航空铝合金材料试验件进行静强度拉伸试验，得到试验件的静拉伸强度平均值σmean，以及对应的疲劳试验机最大拉应力σmax、最小拉应力σmin；
S2：根据静拉伸强度平均值与试验件的截面尺寸，计算疲劳试验机拉伸的最大拉力Fmax和最小拉力Fmin；
S3：对无腐蚀试验件进行疲劳试验，测得无腐蚀试验件的疲劳寿命；
S4：对试验件分别进行不同当量腐蚀年限的加速腐蚀；
S5：基于多个不同的腐蚀损伤评价指标，对经过不同当量腐蚀年限腐蚀后的试验件进行腐蚀损伤测量；
S6：对腐蚀损伤测量之后的试验件进行疲劳拉伸，测量对应的疲劳寿命；
S7：根据步骤S5的测量结果，对试验件的腐蚀损伤形貌演化进行描述和分析；
S8：对步骤S5中多个不同的腐蚀损伤评价指标进行筛选，筛选出影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标；
S9：基于步骤S8中筛选出来的三个腐蚀损伤评价指标，建立腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型；
S10：利用腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型，对试验件的腐蚀疲劳寿命进行预测；
步骤S7中使用参数B和参数C/A对试验件的腐蚀损伤形貌演化进行描述和分析，其中，参数B为腐蚀坑面积和围绕此腐蚀坑区域面积的比值，参数C/A为腐蚀坑的深度C与垂直于载荷方向的腐蚀坑宽度一半A的比值；其中，围绕腐蚀坑区域面积的计算方法为，将腐蚀坑表面等效为圆形，取腐蚀坑表面的最大宽度/长度数值作为腐蚀坑表面圆形的直径，计算此面积作为腐蚀坑区域面积；
步骤S8的具体操作步骤包括，
S81：采用三维有限元方法对腐蚀试验件进行应力应变分析，计算应力集中系数，分析应力集中系数与C/A之间的变化规律；
S82：从理论上分析腐蚀坑垂直于载荷方向的宽度和腐蚀坑深度对疲劳寿命的影响；
S83：使用MIT模型计算方法对腐蚀损伤评价指标进行筛选，筛选出影响疲劳寿命的三个腐蚀损伤评价指标；
步骤S9中建立腐蚀损伤与疲劳寿命之间的映射模型的具体操作步骤包括，
S91：对腐蚀损伤评价指标数据进行归一化处理，归一化的公式为yi＝xi/xmax，式中，yi为归一化后的腐蚀损伤评价指标，xi为归一化之前的腐蚀损伤评价指标，xmax为对应腐蚀损伤评价指标数据中的最大值；
S92：使用yt＝atb分别对三个腐蚀损伤评价指标随时间的变化曲线进行拟合，式中，yt是第t年腐蚀损伤评价指标值，a和b为拟合的两个参数；
S93：计算不同当量腐蚀年限下的腐蚀损伤速率，所述腐蚀损伤速率的计算公式为
Figure FDA0003950358220000021
式中，
Figure FDA0003950358220000022
Figure FDA0003950358220000023
Figure FDA0003950358220000024
其中，α1、α2、α3分别是腐蚀坑最大深度、腐蚀坑最大宽度、点蚀率对疲劳寿命影响的比重大小；V(T)为第T年腐蚀损伤速率；
Figure FDA0003950358220000031
为第T年腐蚀坑最大深度的增长速率；
Figure FDA0003950358220000032
为第T年腐蚀坑最大宽度增长速率；fr为第T年点蚀率的变化速率；
Figure FDA0003950358220000033
为腐蚀坑最大宽度对应的MIT绝对值；
Figure FDA0003950358220000034
为腐蚀坑最大宽度对应的MIT绝对值；MITr为点蚀率对应的MIT绝对值；
S94：对步骤S93中的腐蚀损伤速率计算公式进行积分，得到0～T年的腐蚀损伤，
Figure FDA0003950358220000035
简化后可表示为
Figure FDA0003950358220000036
式中，UT为0～T年的腐蚀损伤；
S95：对腐蚀试验件的腐蚀疲劳寿命衰减率与腐蚀损伤进行拟合，可得，当U≥0.208时，腐蚀损伤与疲劳寿命的衰减率之间满足的拟合方程为Nα＝0.894+0.0876*ln(U-0.208)；式中，Nα为腐蚀疲劳寿命的衰减率，U为腐蚀损伤量；
步骤S10的具体操作步骤包括，
S101：结合步骤S94中腐蚀损伤速率，以及步骤S95中腐蚀损伤与疲劳寿命的衰减率拟合方程，计算疲劳寿命的衰减率，当U≥0.208时，疲劳寿命的衰减率计算公式为
Figure FDA0003950358220000037
S102：利用公式NT＝N-Nα*N对试验件的腐蚀疲劳寿命进行预测，式中，Nα为腐蚀试验件的疲劳寿命的衰减率；NT为预腐蚀t年的疲劳寿命；N为试件无腐蚀影响的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法，其特征在于，所述航空铝合金材料为LD2CZ材料。
3.根据权利要求2所述的航空铝合金材料腐蚀损伤及疲劳寿命的研究方法，其特征在于，步骤S5中所述的多个不同的腐蚀损伤评价指标包括：
腐蚀坑最大深度：试验件上所测多个腐蚀坑的深度的最大值；
腐蚀坑平均深度：试验件上所测多个腐蚀坑的深度的平均值；
腐蚀坑平均宽度：垂直于载荷方向的所测多个腐蚀坑宽度的平均值；
腐蚀坑最大宽度：垂直于载荷方向的所测多个腐蚀坑宽度的最大值；
腐蚀最大面积：所测的腐蚀区域的面积的最大值；
腐蚀平均面积：所测的腐蚀区域的面积的平均值；
腐蚀坑最大体积：所测多个腐蚀坑体积的最大值；
腐蚀坑平均体积：所测多个腐蚀坑体积的平均值；
腐蚀点蚀率：表面已腐蚀面积占试验件表面积的比值；在试验件正反两个面中间划定4个(2×2)cm2的区域，每个区域面积用字母A0表示，试验件四个区域的已腐蚀面积分别用A1、A2、A3、A4来表示，则试验件的点蚀率为：
Figure FDA0003950358220000041
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