劉成臣，魯國富，張金奎，王浩偉

（中國特種飛行器研究所，荊門448035）

艦載直升機在任務(wù)期間長期處于高溫、高濕、高鹽霧的海洋環(huán)境中，部分結(jié)構(gòu)易遭受鹽霧、海水以及干／濕交替循環(huán)侵蝕，腐蝕危害嚴重，嚴重影響了直升機的飛行安全及出勤率［1-3］。30CrMnSiA作為我國艦載直升機的典型材料，相比鋁合金及其復(fù)合材料更易發(fā)生腐蝕［4］。為方便實驗室條件下考察護航環(huán)境對30CrMnSiA合金鋼的影響，必須建立合理的加速試驗環(huán)境譜，并對加速模擬環(huán)境與實際服役環(huán)境之間的當(dāng)量關(guān)系進行驗證。國內(nèi)目前針對飛機材料的加速環(huán)境譜方面開展了一些研究，但仍缺少30CrMnSiA在護航環(huán)境中的環(huán)境譜及當(dāng)量關(guān)系，且目前當(dāng)量關(guān)系的確定很多仍采取簡單的腐蝕形貌對比法，當(dāng)量關(guān)系不夠嚴謹和準(zhǔn)確。

本工作以課題組采集的某艦載直升機護航海域環(huán)境數(shù)據(jù)編制了合金鋼裸材環(huán)境譜［5］，在該海域附近開展了自然暴露試驗的同時在試驗室條件下開展了加速腐蝕試驗，自然暴露試驗采用艦上掛片試驗，試驗標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB／T 9276-1996《涂層自然氣候曝露試驗方法》，用腐蝕程度對比法和疲勞壽命對比法兩種方法并通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析將艦面自然暴露試驗結(jié)果與試驗室加速腐蝕試驗結(jié)果對比驗證了腐蝕當(dāng)量關(guān)系，最后為艦載直升機的腐蝕損傷評估及艦上維護提供支持。

1 某海域環(huán)境譜

圖1為本課題組利用根據(jù)某海域環(huán)境數(shù)據(jù)編制的合金鋼裸材的加速環(huán)境譜，該環(huán)境譜各模塊的加速時間是通過當(dāng)量折算法［6］將基本環(huán)境數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化得到，其中合金鋼一個循環(huán)時間為27min，162次循環(huán)對應(yīng)一個護航周期，約為6個月。

2 加速腐蝕試驗

2.1 試驗件及檢測設(shè)備

試驗件為平板螺接連接式，尺寸如圖2所示，厚度為3.5mm，材料為30CrMnSiA。失重檢測設(shè)備為GH-202電子天平，精度為0.1mg。

2.2 試驗結(jié)果

護航一個周期的自然環(huán)境暴露試驗后，發(fā)現(xiàn)合金鋼對腐蝕環(huán)境敏感性很高，腐蝕速度快，在很短時間內(nèi)便發(fā)生剝蝕現(xiàn)象，結(jié)果如圖3所示。與自然環(huán)境暴露腐蝕程度相比，實驗室加速腐蝕后試樣的宏觀腐蝕形貌與失重量基本一致，選取失重量作為合金鋼螺接件腐蝕程度的依據(jù)。自然環(huán)境暴露一個護航周期的合金鋼失重數(shù)據(jù)見表1，試驗室加速腐蝕試驗162周期的失重數(shù)據(jù)見表2。

圖1 合金鋼裸材加速環(huán)境譜Fig.1 Accelerated environment spectrum of alloy steel

圖2 試驗件尺寸Fig.2 Dimensions of test piece

圖3 合金鋼試驗件自然暴露腐蝕后形貌Fig.3 The morphology of alloy after corrosion for a convoy cycle

3 加速腐蝕當(dāng)量關(guān)系驗證

3.1 腐蝕失重統(tǒng)計分析

根據(jù)國內(nèi)外文獻報道［7-8］，金屬腐蝕后的數(shù)據(jù)一般符合正態(tài)分布，故可假設(shè)合金鋼失重符合正態(tài)分布，對自然暴露數(shù)據(jù)進行正態(tài)測試，測試方法為Shapiro-Wilk法，計算P＝0.064 41＞0.05，方差σA為0.526 47，故顯著度水平0.05情況下自然暴露后合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)的失重量符合正態(tài)分布，如圖4所示。

對加速腐蝕162周期后的合金鋼數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布測試，測試方法為Shapiro-Wilk法，計算的P＝0.128 91＞0.05，方差σB為0.635 11，故顯著度水平0.05情況下加速腐蝕后合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)的失重量符合正態(tài)分布，如圖5所示。

表1 自然環(huán)境暴露一個護航周期合金鋼裸材連接件質(zhì)量變化Tab.1 The weight loss of alloy after a convoy cycle

表2 試驗室加速腐蝕162周期失重數(shù)據(jù)Tab.2 The weight loss of alloy after 162cycles of accelerated corrosion

圖4 自然暴露后失重值頻數(shù)直方圖Fig.4 The logarithm frequency histogram of weight loss after a convoy cycle

對自然環(huán)境中一個護航周期的試驗件數(shù)據(jù)和加速腐蝕環(huán)境下試驗件當(dāng)量一個周期的數(shù)據(jù)進行一致性驗證，先用F分布驗證兩組數(shù)據(jù)的子樣方差一致性，再采用t檢驗檢驗兩組數(shù)據(jù)的子樣平均值，相關(guān)參數(shù)可直接查看HB／Z 112-1986標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 加速腐蝕后失重值頻數(shù)直方圖Fig.5 The logarithm frequency histogram of weight loss after 162cycles of accelerated corrosion

（a）F檢驗

故通過F檢驗，兩組合金鋼腐蝕失重在顯著度為0.05情況下方差相同。

（b）t檢驗

由t檢驗知兩組合金鋼腐蝕失重在顯著度為0.05情況下均值相同?？傻贸鰞山M數(shù)據(jù)的方差和均值在95%置信度下一致。故合金鋼裸材加速腐蝕162周期對于腐蝕失重的影響相當(dāng)于自然環(huán)境暴露一個護航周期。

3.2 腐蝕后疲勞壽命統(tǒng)計分析

腐蝕損傷最終影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，從而降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，甚至破壞飛機結(jié)構(gòu)的完整性，造成嚴重事故的發(fā)生。為了進一步驗證加速當(dāng)量關(guān)系，開展腐蝕后試件的疲勞試驗，利用疲勞壽命對比補充驗證加速當(dāng)量關(guān)系。

細節(jié)疲勞額定強度（DFR）用于表征結(jié)構(gòu)細節(jié)的疲勞品質(zhì)，常被用于工程疲勞壽命估算中。由于合金鋼裸材螺接的幾何尺寸和連接形式一定，可用工程方法確定螺接結(jié)構(gòu)的DFR值。合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)的DFR計算如下：

式中：RC為疲勞額定系數(shù)，A為孔充填系數(shù)，B為合金和表面處理系數(shù)，C為填頭深度系數(shù)，D為材料疊層系數(shù)，E為螺栓夾緊系數(shù)，U為凸臺有效系數(shù)，M為材料系數(shù)。

由《飛機設(shè)計手冊》第9冊查知A＝1.0，B＝0.95，C＝1，D＝1，E＝0.87，η＝1.76，U＝1，M＝2.2，載荷傳遞系數(shù)φ＝0.767，DFRbaseL＝121×φ×M＝204.175，RC＝1.76。計 算 得DFRL＝297.002MPa，參考DFR值計算疲勞試驗載荷的最大值 為PL＝297.002×（50-10）×1.5＝17 820.102N。疲勞載荷的加載頻率f＝10Hz，循環(huán)應(yīng)力比R＝0.06。

疲勞試驗在MTS LandMark疲勞試驗機上實施，載荷誤差小于1%。斷裂后試驗件見圖6。

圖6 合金鋼螺接試驗件斷裂Fig.6 The fracture of alloy bolted joints

由疲勞試驗獲得的合金鋼裸材螺接結(jié)構(gòu)試驗件的疲勞壽命見表3～表4。

表3 自然環(huán)境暴露一個護航周期合金鋼裸材疲勞壽命Tab.3 The fatigue life of bolted alloy joints after a convoy cycle

經(jīng)正態(tài)測試，表3和表4中的數(shù)據(jù)在顯著度水平0.05情況下符合正態(tài)分布。對表3和表4利用F分布和t分布檢驗均值和方差是否具有一致性。自然環(huán)境暴露下合金鋼螺接件對數(shù)壽命的均值為4.529 35，方差為0.071 29。實驗室加速腐蝕環(huán)境下腐蝕162周期合金鋼螺接件對數(shù)壽命的均值為4.557 6，方差為0.074 06。

表4 試驗室加速腐蝕162周期疲勞壽命Tab.4 The fatigue life of bolted alloy joints after 162 cycles of accelerated corrosion

（a）F檢驗

故通過F檢驗，兩組合金鋼裸材螺接試驗件疲勞壽命（實驗室加速試驗與亞丁灣自然環(huán)境暴露試驗）在顯著度為0.05情況下方差相同。

（b）t檢驗

通過t檢驗，兩組合金鋼裸材螺接試驗件疲勞壽命在顯著度為0.05情況下均值相同。

結(jié)果通過F分布和t分布檢驗，可得出兩組數(shù)據(jù)的均值和方差在95%置信度下一致，故在兩種腐蝕環(huán)境-時間歷程條件下，疲勞壽命再次驗證了合金鋼裸材結(jié)構(gòu)的腐蝕當(dāng)量關(guān)系，即合金鋼裸材結(jié)構(gòu)加速腐蝕162周期對其疲勞性能的影響相當(dāng)于某海域自然環(huán)境暴露6個月。

4 結(jié)論

周期浸潤加速腐蝕試驗與某海域自然環(huán)境暴露試驗具有較好的相關(guān)性和重現(xiàn)性，試驗件在當(dāng)量加速腐蝕試驗時間和自然老化時間匹配時，腐蝕失重和預(yù)腐蝕后疲勞壽命在95%置信度下一致。

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