（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，青島 266041）

高強(qiáng)度鋁合金具有比重小、強(qiáng)度高、耐蝕性好、加工及焊接性能優(yōu)良等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)[1-3]。在服役期間，飛機(jī)結(jié)構(gòu)會不斷經(jīng)受惡劣自然環(huán)境和交變載荷的考驗(yàn)，對其服役性能提出了嚴(yán)苛要求[4-5]。腐蝕疲勞失效是高強(qiáng)度鋁合金結(jié)構(gòu)的一種常見失效形式，因其無預(yù)兆性、強(qiáng)破壞性、高危害性等特點(diǎn)而備受業(yè)界關(guān)注[6]，畢竟結(jié)構(gòu)安全關(guān)乎到生命安全和國防安全。數(shù)年來，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者致力于高強(qiáng)度鋁合金結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞的研究工作，為該類結(jié)構(gòu)在腐蝕疲勞方面的試驗(yàn)開展，機(jī)理探索和工程應(yīng)用夯實(shí)了基礎(chǔ)。

1 飛機(jī)用高強(qiáng)度鋁合金簡介

自氧化鋁于1808年在實(shí)驗(yàn)室電解還原得到原鋁，并在1884年首次作為建筑材料應(yīng)用于美國華盛頓紀(jì)念碑尖頂至今，原鋁加入各種元素制成的鋁合金已成為工業(yè)應(yīng)用中最為廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料[7]。其中的高強(qiáng)度鋁合金因輕質(zhì)高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，更是成為飛機(jī)輕量化的首選材料，在航空工業(yè)中占據(jù)不可或缺的重要地位。表1給出了典型高強(qiáng)度鋁合金在飛機(jī)上的應(yīng)用情況[2]。

高強(qiáng)度鋁合金是在高品質(zhì)原鋁中添加適量稀土元素制得的，目的在于強(qiáng)化原鋁組織改善原鋁性能，使其能夠滿足使用需求[8]。自1906年Wilm發(fā)現(xiàn)Al-Cu-Mg系（2XXX系）合金的時效硬化現(xiàn)象以來，業(yè)界對于高強(qiáng)度鋁合金開展了細(xì)致的研發(fā)工作。Al-Cu-Mg系合金是發(fā)展最早的一種熱處理強(qiáng)化型合金，目前較為成熟，已先后定型過數(shù)十個牌號；隨著航空工業(yè)的發(fā)展，Al-Zn-Mg-Cu系（7XXX系）高強(qiáng)高韌鋁合金在Al-Cu-Mg系合金的基礎(chǔ)上得以研發(fā)，業(yè)已廣泛應(yīng)用于飛機(jī)中高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)處，進(jìn)一步豐富了航空用材[3,9]。飛機(jī)常用高強(qiáng)度鋁合金在室溫下的機(jī)械性能見表2[1-2,9]。

表1 典型高強(qiáng)度鋁合金在飛機(jī)上的應(yīng)用

2XXX系和7XXX系高強(qiáng)度鋁合金目前仍是航空工業(yè)中應(yīng)用量最大和應(yīng)用范圍最廣的合金，其性能的提高主要基于對合金成分、組織與性能之間關(guān)系的不斷探索和深入發(fā)展；關(guān)鍵在于合金的純化以及組織的細(xì)化、均勻化和亞穩(wěn)化；實(shí)現(xiàn)途徑有調(diào)整主要合金化元素的含量及比值（典型牌號中主合金元素比見表3[8-9]）、減少雜質(zhì)含量、采用先進(jìn)熔體凈化和變質(zhì)處理技術(shù)、使用先進(jìn)熱處理及加工工藝等；本質(zhì)即是為滿足設(shè)計(jì)目的和使用要求，有針對性地改善微觀組織結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)性能。航空工業(yè)發(fā)展到一定階段，便會對高強(qiáng)度鋁合金結(jié)構(gòu)的服役性能提出更高要求。一代材料一代飛機(jī)，縱觀高強(qiáng)度鋁合金的發(fā)展歷史不難看出，其與航空工業(yè)的進(jìn)步是一脈相承、緊密相連的，二者既相互促進(jìn)又相互制約[3]。直至目前，業(yè)界依舊專注于高強(qiáng)度鋁合金的性能改善和新品研發(fā)，在高強(qiáng)度鋁合金的使用中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，逐步提高合金品質(zhì)，為世界航空工業(yè)的前進(jìn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 飛機(jī)服役環(huán)境及結(jié)構(gòu)損傷分析

眾所周知，任何飛機(jī)都是在一定的環(huán)境條件下服役的[10]。服役環(huán)境向來是飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的重要影響因素。只有掌握結(jié)構(gòu)服役環(huán)境特點(diǎn)及因此造成的損傷，方能對其壽命進(jìn)行準(zhǔn)確評估。飛機(jī)的服役環(huán)境包括腐蝕環(huán)境和載荷環(huán)境[11]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷擴(kuò)展、材質(zhì)退化和功能降低就是在與服役環(huán)境的對抗中逐步積累并發(fā)展的，且最終結(jié)果始終是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效。相較民機(jī)，軍機(jī)尤其是海軍飛機(jī)所經(jīng)歷的服役環(huán)境十分苛刻，環(huán)境損傷誘發(fā)的結(jié)構(gòu)失效故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響到戰(zhàn)機(jī)性能。本文以海軍飛機(jī)服役環(huán)境為例展開討論。

腐蝕環(huán)境是指通過化學(xué)或電化學(xué)作用使材料性能退化甚至遭到破壞的一種或多種環(huán)境因素[12]。海軍飛機(jī)在服役期間所經(jīng)歷的腐蝕環(huán)境涉及自然環(huán)境和誘發(fā)環(huán)境。其中，自然環(huán)境即為“高溫高濕高鹽”特性突出的海洋環(huán)境，全年日均濕度在87%以上，鹽霧含量更是高達(dá) 0.3694mg/（100cm2·d），超過內(nèi)陸地區(qū)近 100 倍[13]；誘發(fā)環(huán)境由裝備、設(shè)備等運(yùn)轉(zhuǎn)時散發(fā)的熱量和排放的廢氣形成，表4給出美國不同航母艦載機(jī)表面因燃料廢氣沉積溶解導(dǎo)致的pH值和SO42-含量統(tǒng)計(jì)值[14]，可見艦載飛機(jī)蒙皮表面液膜的pH值總是呈酸性。根據(jù)近期我國海軍飛機(jī)腐蝕情況普查結(jié)果可知，在上述惡劣環(huán)境中服役的各種機(jī)型均已暴露出不同程度的腐蝕損傷。圖1為海軍某型飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷實(shí)例，可見漆面的鼓泡粉化和螺釘連接處的銹蝕十分嚴(yán)重。腐蝕已經(jīng)成為影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)服役性能及其壽命的關(guān)鍵因素。

表2 室溫下飛機(jī)常用高強(qiáng)度鋁合金的機(jī)械性能

載荷環(huán)境指結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的使其產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變且大小、方向隨時間做周期性或不規(guī)則改變的載荷外力因素[15]。疲勞總是與材料科學(xué)密不可分，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞問題更是航空領(lǐng)域研究的重中之重。飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞從飛機(jī)發(fā)展初期就已出現(xiàn)，萊特兄弟曾經(jīng)就因螺旋槳軸疲勞裂紋而將首次有動力飛行推遲至1903年12月17日。若不是出現(xiàn)此問題，也許飛機(jī)發(fā)明紀(jì)念日將會是另外一天[16]。海軍飛機(jī)經(jīng)歷的疲勞載荷的來源一般包括起降和飛行中的地面滑行載荷、突風(fēng)載荷、機(jī)動載荷和著陸撞擊載荷等；艦載飛機(jī)在艦基停放時還要遭受艦船裝設(shè)備（如發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)、螺旋槳、艦炮等）運(yùn)轉(zhuǎn)以及海風(fēng)和海浪擾動誘發(fā)的機(jī)械振動[14,17]。在每次飛行和停放過程中，這些載荷水平均各不相同，經(jīng)年累月勢必會對海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成損傷甚至使其發(fā)生無預(yù)兆斷裂（圖2）?？梢姡谝嗍窍娘w機(jī)結(jié)構(gòu)壽命的主要原因[18]，分析疲勞載荷環(huán)境對結(jié)構(gòu)壽命的影響，既是進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，也是保證結(jié)構(gòu)安全的重要基礎(chǔ)。

表3 典型牌號中主合金元素質(zhì)量比

表4 美軍航母艦載機(jī)表面pH值和SO42-含量統(tǒng)計(jì)

圖1 海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕損傷示例Fig.1 Examples of corrosion damage of naval aircraft

在飛機(jī)服役期間，腐蝕環(huán)境與交變載荷對于機(jī)身結(jié)構(gòu)單獨(dú)作用的情況其實(shí)并不多見。二者往往同時出現(xiàn)、相互耦合、相互促進(jìn)，加速結(jié)構(gòu)損傷以及性能退化進(jìn)程，最終將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞失效。譬如，在服役時受到腐蝕介質(zhì)和交變載荷協(xié)同作用的高強(qiáng)度鋁合金結(jié)構(gòu)，外部應(yīng)力往往會導(dǎo)致腐蝕電池平衡電位的偏移，使腐蝕電流密度增大，加速腐蝕介質(zhì)作用下的電化學(xué)腐蝕進(jìn)程；而鋁合金表面的電化學(xué)反應(yīng)反過來又會引起附加的位錯流，可對鋁合金產(chǎn)生增塑作用，使得結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力應(yīng)變增大[6]?？梢?，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞損傷并非是腐蝕損傷和疲勞損傷的簡單疊加。兩者共同作用使得結(jié)構(gòu)的環(huán)境敏感斷裂錯綜復(fù)雜，能夠顯著降低結(jié)構(gòu)壽命。根據(jù)文獻(xiàn)[19]提供的數(shù)字、前期現(xiàn)役海軍飛機(jī)腐蝕普查結(jié)果以及老舊飛機(jī)拆解后的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中有半數(shù)以上的破壞形式都與腐蝕或腐蝕疲勞相關(guān)；而且，從現(xiàn)有的相關(guān)研究成果來看，高強(qiáng)度鋁合金對由環(huán)境引起的斷裂是極為敏感的，如存在于大氣中的少量水蒸氣即可嚴(yán)重地降低幾種鋁合金的疲勞壽命，已觀察到其在空氣中的疲勞壽命僅是在真空中或干燥空氣中（相對濕度小于1%）的1/10[20-22]。綜上可知，腐蝕疲勞在高強(qiáng)度鋁合金結(jié)構(gòu)中有著巨大的普遍性和危險性，這成為長期以來困擾航空工業(yè)領(lǐng)域的難題。盡管該問題早已受到業(yè)界的普遍關(guān)注，成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)耐久性與完整性設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，但至今仍有許多相關(guān)課題尚未得到很好的解決。

圖2 海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞損傷示例Fig.2 Examples of fatigue damage of naval aircraft

3 高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞試驗(yàn)研究

腐蝕疲勞問題由Haigh于1917年率先提出，后來Evans對工程實(shí)踐中的大量腐蝕疲勞現(xiàn)象進(jìn)行深入調(diào)查研究并提出了若干重要問題。腐蝕疲勞研究的序幕由此拉開。截至目前，國內(nèi)外學(xué)者已就鋁合金（包括2XXX、5XXX、6XXX、7XXX等4個系列、20余種）在不同服役環(huán)境下的典型腐蝕疲勞問題開展了廣泛的試驗(yàn)研究，積累了許多寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[23]。

3.1 試驗(yàn)影響因素

材料的腐蝕疲勞行為強(qiáng)烈依賴于腐蝕介質(zhì)、交變載荷、材料學(xué)以及冶金學(xué)等不同參數(shù)之間的相互影響[22,24]，這點(diǎn)現(xiàn)已得到公認(rèn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)室腐蝕疲勞試驗(yàn)的主要目的在于再現(xiàn)服役環(huán)境相關(guān)參量對結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞行為的影響，以為結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞機(jī)理的探索提供現(xiàn)實(shí)依據(jù)，故在此就腐蝕環(huán)境和交變載荷兩方面的主要影響因素展開討論。

（1）介質(zhì)成分與濃度。

海軍飛機(jī)的服役環(huán)境主要為海洋環(huán)境。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，常采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～3.5%的NaCl溶液加以模擬。該環(huán)境中富含的氯離子對鈍化膜的破壞作用強(qiáng)烈，而鋁合金的耐蝕性又主要取決于其鈍化膜的完好程度及破裂后的自我修復(fù)能力[25]，故氯離子因可以導(dǎo)致鋁合金表面鈍態(tài)不穩(wěn)定而成為加速結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞失效的罪魁禍?zhǔn)住Ｎ墨I(xiàn)[26]較為全面地研究了不同環(huán)境介質(zhì)對于LC4-CS鋁合金抗疲勞和裂紋擴(kuò)展行為的影響，得到影響的輕重程度依次為：室溫空氣、潮濕空氣（＞90%RH）、3.5% NaCl鹽霧 +SO2、3.5% NaCl鹽霧、3.5%NaCl鹽水，這與文獻(xiàn)[27]對LC4-CS和LY12-CZ兩種鋁合金的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果吻合；而文獻(xiàn)[22，28]亦給出了高強(qiáng)度鋁合金在4種不同介質(zhì)中疲勞強(qiáng)度的排列順序：干燥空氣＞潮濕空氣＞蒸餾水＞海水?？梢姡h(huán)境介質(zhì)的參與確實(shí)會顯著降低高強(qiáng)度鋁合金的疲勞壽命。

一般來說，介質(zhì)濃度首先是通過改變高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕進(jìn)程來影響該類結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞行為的。即，氯離子、氧氣等介質(zhì)的濃度越大，腐蝕發(fā)生越早，發(fā)展也越快，結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞壽命也就越短。文獻(xiàn)[29]對A7N01S-T5中高強(qiáng)度鋁合金焊接接頭在3.5%及5%中性NaCl溶液中的腐蝕疲勞S-N曲線開展了試驗(yàn)測量，結(jié)果如圖3所示，在50萬次條件下，前者的疲勞極限為110MPa，后者的則為105MPa，這說明介質(zhì)濃度的增加會導(dǎo)致該型鋁合金疲勞極限的降低；文獻(xiàn)[30]以7075-T651鋁合金為對象開展研究時得到相似的變化規(guī)律。值得注意的是，腐蝕疲勞壽命隨介質(zhì)濃度發(fā)生變化并不是無限度的，即當(dāng)介質(zhì)濃度增加直到超過某一定值之后，腐蝕疲勞壽命的變化率就很小甚至可以忽略了。

圖3 不同介質(zhì)濃度下A7N01S-T5平滑接頭腐蝕疲勞S-N曲線Fig.3 Corrosion fatigue S-N curves of A7N01S-T5 smooth joints under different medium concentrations

（2）介質(zhì)pH值。

當(dāng)高強(qiáng)度鋁合金發(fā)生腐蝕疲勞時，其裂紋尖端部位會因腐蝕過程中的閉塞酸化作用而使pH值始終保持在某一定值附近。此間若介質(zhì)pH值在特定范圍內(nèi)變化，則對鋁合金腐蝕疲勞影響不大[20]。研究表明：當(dāng)高強(qiáng)度鋁合金在3.5%的中性NaCl溶液中發(fā)生腐蝕疲勞開裂時，其裂尖的pH值可維持在4左右；當(dāng)介質(zhì)pH值過大或過小時，裂尖的pH值將難以保持，疲勞壽命亦會受到影響[19-20，31]。黃小光等[32]試驗(yàn)測得LY12-CZ鋁合金在不同pH值人工海水中的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率曲線，可知pH值的相應(yīng)變化對于腐蝕疲勞有影響顯著；張波等[33]在對LY12-CZ鋁合金鉚接件開展腐蝕疲勞失效行為研究時同樣發(fā)現(xiàn)，降低介質(zhì)pH值、提高溫度、增加預(yù)浸泡時間均會縮短該型鋁合金鉚接件的腐蝕疲勞壽命。一般解釋為，在中性介質(zhì)中，陽極溶解對疲勞裂紋的加速擴(kuò)展起主導(dǎo)作用；而隨著介質(zhì)酸性的增大，這種主導(dǎo)逐漸被析氫反應(yīng)代替，酸性介質(zhì)中的氫離子與新生金屬的裂尖發(fā)生氫置換反應(yīng)導(dǎo)致裂尖材料氫脆，從而大幅提高腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率。

（3）環(huán)境溫度。

環(huán)境溫度對于材料的腐蝕疲勞行為有顯著影響，這點(diǎn)現(xiàn)已達(dá)成共識。溫度不僅可以通過改變粒子活性來改變材料表面腐蝕反應(yīng)速率及腐蝕介質(zhì)與裂尖之間的物質(zhì)傳輸率，甚至可以改變材料本身的脆化性質(zhì)。研究表明[34-35]，高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率隨溫度升高而增大，故提高試驗(yàn)溫度會降低其腐蝕疲勞壽命。

（4）極化電位。

施加極化電位對于高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕疲勞壽命具有重要影響，業(yè)界就此開展了相關(guān)試驗(yàn)。國外的Endo等[36]和Smith等[37]分別研究了陰極極化對ZK41-T6、7075-T6兩種同系鋁合金在海水介質(zhì)中腐蝕疲勞壽命的影響，得到如圖4所示的不同結(jié)果；Stoltz等[38]與Ricker等[39]分別對7075-T6鋁合金在鹽水中的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行試驗(yàn)，前者發(fā)現(xiàn)其擴(kuò)展速率僅在陰極極化時才會加快，后者則得出陰極極化和陽極極化均會加速其裂紋擴(kuò)展速率的結(jié)論。國內(nèi)關(guān)于極化電位對于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞壽命影響的報道較少。魯自界等[40]對LY12-CZ鋁合金在3.5%NaCl溶液（pH=6）中施加極化電位后的裂紋擴(kuò)展速率進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)與自腐蝕條件相比，陽極極化和小的陰極極化均使裂紋擴(kuò)展加速，而大的陰極極化則產(chǎn)生陰極保護(hù)，使其裂紋擴(kuò)展速率低于自腐蝕條件時的裂紋擴(kuò)展速率；常紅等[41]在相同試驗(yàn)條件下開展研究后得出，一定范圍內(nèi)的陰極電位會抑制陽極反應(yīng)，明顯提高LY12-CZ腐蝕疲勞壽命，但當(dāng)陰極極化電位達(dá)到一定值時（-1400mV以上），陰極腐蝕發(fā)生，腐蝕疲勞壽命則會顯著降低?？梢钥闯?，就極化電位對于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞敏感性的影響而言，上述結(jié)論雖有相似之處，但更多的是相互矛盾，以至目前業(yè)界尚未有一般性準(zhǔn)則得出。

圖4 極化電位對腐蝕疲勞影響的試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.4 Comparison of experimental results of the effect of polarization potential on corrosion fatigue

（5）應(yīng)力波形。

從現(xiàn)有相關(guān)研究來看，應(yīng)力波形對于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞的影響主要考慮了極值和頻率兩個方面。在循環(huán)應(yīng)力的高載荷部分延長停留時間是有害的，尤其是對應(yīng)力腐蝕敏感的系統(tǒng)，因?yàn)橐坏M足臨界應(yīng)力條件，應(yīng)力腐蝕便會參與到腐蝕疲勞中加速結(jié)構(gòu)失效[42]。至于頻率，因其決定腐蝕介質(zhì)與裂尖材料的持續(xù)作用時間，故普遍觀點(diǎn)認(rèn)為，應(yīng)力頻率越低，裂紋擴(kuò)展速率越大，腐蝕疲勞強(qiáng)度也就越低[43]。盡管如此，仍有研究表明，應(yīng)力頻率對于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞壽命的影響并不顯著，上述變化規(guī)律并不適用于所有體系[44]。關(guān)于應(yīng)力頻率和腐蝕環(huán)境對于腐蝕疲勞的共同作用，尚需要更為深入的研究。

（6）平均應(yīng)力。

研究表明，不管是對空氣中的疲勞問題還是腐蝕環(huán)境下的疲勞問題，疊加在交變應(yīng)力之上的平均拉應(yīng)力均會增大裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度水平，在每次循環(huán)時加劇結(jié)構(gòu)破壞，使得高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕疲勞壽命降低，而平均壓應(yīng)力則可使其腐蝕疲勞壽命得以提高[22]。

3.2 環(huán)境模擬技術(shù)

一般環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)及壽命評估技術(shù)已相對完善，而采用何種試驗(yàn)方法方能準(zhǔn)確再現(xiàn)飛機(jī)在沿海地區(qū)服役時所經(jīng)歷的腐蝕疲勞環(huán)境的作用，成為結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞失效機(jī)理探索及剩余壽命評估的關(guān)鍵問題。目前的實(shí)驗(yàn)室腐蝕疲勞環(huán)境模擬有以下4種方法：

圖5 腐蝕疲勞交互作用典型試驗(yàn)裝置Fig.5 Typical test device for interaction of corrosion and fatigue

（1）腐蝕疲勞，即使結(jié)構(gòu)在腐蝕環(huán)境中接受交變載荷作用直至損傷破壞，所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)是力學(xué)、化學(xué)因素交互協(xié)同作用的結(jié)果。該類試驗(yàn)中，為建立必要的環(huán)境條件，且便于裂紋的狀態(tài)監(jiān)測，一般采用圖5所示的試驗(yàn)裝置。該裝置主要包括環(huán)境小盒、疲勞試驗(yàn)機(jī)及監(jiān)測設(shè)備等3部分，可完成指定載荷譜、應(yīng)力水平和腐蝕介質(zhì)下的疲勞耐久性試驗(yàn)。沈海軍[24]使用該裝置對7475-T761及LY12CZ等兩種鋁合金開展了“載荷-環(huán)境體系”下腐蝕疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展行為的研究并取得理想效果。

（2）腐蝕成核疲勞，即常見的預(yù)腐蝕后疲勞，結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷會加速疲勞裂紋的形成。這是一種腐蝕和疲勞的相互作用。卞貴學(xué)、張有宏等[45-46]據(jù)此對LY12CZ鋁合金的預(yù)腐蝕疲勞壽命開展了研究；劉建中等[47]則照此法研究了含預(yù)腐蝕損傷2024鋁合金的疲勞斷裂行為并基于斷裂力學(xué)對其壽命進(jìn)行了預(yù)測，效果理想。該試驗(yàn)方法在高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞試驗(yàn)研究中應(yīng)用較為廣泛且成熟。

（3）疲勞-腐蝕-疲勞的交替（交互）作用，即疲勞后的結(jié)構(gòu)遭受了腐蝕成核疲勞。該方法主要是考慮到海軍飛機(jī)在海上低空飛行科目較多時結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的狀態(tài)。陳躍良等[48]將經(jīng)歷“預(yù)腐蝕-疲勞”及“疲勞-腐蝕-疲勞”等兩類試驗(yàn)的LY12CZ鋁合金結(jié)構(gòu)壽命值對比，發(fā)現(xiàn)后者中的試驗(yàn)件壽命更長，且隨預(yù)疲勞壽命的增加而呈降低趨勢。這是因?yàn)楹笳咧械母g過程可鈍化疲勞過程中產(chǎn)生的微裂紋，有修復(fù)疲勞微損傷的功能，從而降低局部應(yīng)力集中，增加了結(jié)構(gòu)疲勞壽命。

（4）腐蝕改變結(jié)構(gòu)載荷狀況，即腐蝕損傷導(dǎo)致載荷的傳遞路徑改變或者轉(zhuǎn)移，從而引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變的變化，由此導(dǎo)致疲勞裂紋。該類方法多應(yīng)用于飛機(jī)搭接結(jié)構(gòu)。最為典型的是搭接面腐蝕時，腐蝕產(chǎn)物在搭接處有限的空間內(nèi)膨脹產(chǎn)生局部應(yīng)力（即枕墊應(yīng)力）。該應(yīng)力會使搭接處產(chǎn)生應(yīng)變，且隨時間不斷增大，最終導(dǎo)致裂紋萌生。目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)基于有限元方法建立了相關(guān)模型用于分析枕墊應(yīng)力對不同連接結(jié)構(gòu)載荷傳遞的影響，依此研究搭接結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞行為并取得了一定進(jìn)展，但考慮到結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能千變?nèi)f化，這樣的有限元模型并不具有廣泛適用性[49-50]。

迄今為止，盡管業(yè)界已開展了諸多高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕疲勞試驗(yàn)，得到了一些可靠結(jié)論，為揭示其腐蝕疲勞失效機(jī)理提供了依據(jù)，但考慮到高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕疲勞敏感性，環(huán)境參數(shù)的細(xì)微變化可能會導(dǎo)致其腐蝕疲勞行為的巨變，故在該類材料的腐蝕疲勞試驗(yàn)影響因素方面仍有大量工作和問題亟待完成和解決；至于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞環(huán)境的模擬，目前多集中在預(yù)腐蝕疲勞上，特別是點(diǎn)蝕、剝蝕引起的腐蝕成核疲勞，缺少完整的描述腐蝕與疲勞同時存在及相互影響的理論與知識，不同外界條件下腐蝕和疲勞的交互或交替作用對材料性能的影響規(guī)律至今仍無定論。

4 高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞機(jī)理研究

開展材料腐蝕疲勞研究所要解決的最基本問題是探究其腐蝕疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的原因及過程，高強(qiáng)度鋁合金也不例外。對國內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)歸納，得到幾點(diǎn)關(guān)于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞機(jī)理的結(jié)論。

4.1 腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)理

在影響腐蝕疲勞裂紋萌生的眾多因素中，除力學(xué)因素外，以腐蝕環(huán)境造成的損傷為最甚。目前關(guān)于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞機(jī)理的描述多以腐蝕知識為基礎(chǔ)。

（1）局部腐蝕理論。該理論認(rèn)為，在循環(huán)載荷與腐蝕環(huán)境作用下，構(gòu)件表面易形成腐蝕坑，而在這些腐蝕坑的底部和邊緣，會有應(yīng)力集中效應(yīng)，使其極易成為疲勞裂紋源。一般認(rèn)為，表面產(chǎn)生了蝕坑的材料對于腐蝕疲勞是敏感的，但也觀察到在表面未有蝕坑時仍有腐蝕疲勞現(xiàn)象出現(xiàn)。這說明該理論具有一定局限性。另有研究表明[47-49]，蝕坑對于高周次的疲勞壽命影響很大，而對高應(yīng)力低周次的腐蝕疲勞影響較小。

（2）形變活化腐蝕理論。該理論認(rèn)為，在循環(huán)載荷作用下，金屬內(nèi)部產(chǎn)生滑移變形，滑移帶中的變形區(qū)域活化能高于未變形區(qū)域，兩個區(qū)域與腐蝕介質(zhì)共同構(gòu)成腐蝕原電池，且變形區(qū)域成為陽極，未變形區(qū)域成為陰極，陽極會因不斷受到腐蝕溶解而形成疲勞裂紋，最終導(dǎo)致腐蝕疲勞失效。該理論目前的應(yīng)用并不廣泛，且多見于解釋高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞問題，在高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞問題中應(yīng)用的很少[19-20]。

（3）表面鈍化膜破裂理論。該理論認(rèn)為，循環(huán)載荷使金屬表面發(fā)生滑移，位錯運(yùn)動致金屬表面鈍化膜破裂，因而滑移臺階處會形成沒有鈍化膜保護(hù)的微小陽極區(qū)，在四周大面積有鈍化膜覆蓋的陰極區(qū)作用下，形成“小陽極大陰極”的不利局面，陽極區(qū)快速溶解，直到鈍化膜重新被修復(fù)為止。之后不斷重復(fù)以上滑移-膜破裂-溶解-成膜的過程，便逐步形成了腐蝕疲勞裂紋?；谠摾碚?，文獻(xiàn)[48]研究了LY12-CZ鋁合金的腐蝕疲勞行為，認(rèn)為在腐蝕較輕狀況下，腐蝕過程的鈍化有著修復(fù)疲勞微損傷的功能，可以使疲勞壽命微增。

（4）表面吸附理論。在腐蝕疲勞裂紋萌生壽命的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)一種常見現(xiàn)象，即經(jīng)過預(yù)浸泡的金屬，即使表面不產(chǎn)生點(diǎn)蝕，其抗疲勞性能也會下降，且這種抗疲勞性能的下降可以通過某種表面處理得以恢復(fù)[47]。文獻(xiàn)[50]將這種現(xiàn)象歸結(jié)成為表面吸附理論。該理論認(rèn)為，金屬與環(huán)境接觸面位置由于吸附腐蝕介質(zhì)而使得金屬表面能降低，從而改變了金屬的機(jī)械性能，當(dāng)其遭受循環(huán)應(yīng)力作用時，表面滑移帶和微裂紋很容易產(chǎn)生和擴(kuò)展，由此導(dǎo)致腐蝕疲勞失效。

4.2 腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制

歸納現(xiàn)有腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)理的研究成果發(fā)現(xiàn)，其中有部分理論與腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)制相近，這是因?yàn)椴牧舷鄳?yīng)的行為能夠降低其應(yīng)力強(qiáng)度因子，既使材料易于開裂，又使其抗裂紋擴(kuò)展性能下降。高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制模型主要可分為形變活化促進(jìn)陽極溶解模型、氫脆模型和表面能下降模型3種。

（1）形變活化促進(jìn)陽極溶解模型發(fā)展過程如圖6所示。裂紋尖端的較大變形（或變形導(dǎo)致鋁合金表面氧化膜破裂）會使結(jié)構(gòu)局部活化，氯離子也可在氧化膜缺陷處吸附并穿透氧化膜（可能是取代了氧化膜中的氧原子）使得零電荷點(diǎn)位顯著負(fù)移，二者共同作用使得鋁合金表面形成可在腐蝕過程中優(yōu)先溶解的活化中心——陽極[51]。因此，早期研究者對于高強(qiáng)度鋁腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制的認(rèn)識傾向于陽極溶解機(jī)理。但是對于某些關(guān)于鋁合金腐蝕疲勞的試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果，該理論并不能有效支撐，如文獻(xiàn)[52]將7475-T6鋁合金在0.5% NaCl溶液中預(yù)腐蝕24h（控制無點(diǎn)蝕）再在空氣中開展疲勞試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其疲勞裂紋擴(kuò)展速率會加快，且這種抗疲勞性能的下降可以通過某種表面處理得以恢復(fù)。另外，文獻(xiàn)[53]在評估7475-T761鋁合金在3.5% NaCl溶液里裂紋擴(kuò)展時的陽極溶解貢獻(xiàn)時得出，陽極溶解對疲勞裂紋的擴(kuò)展速率影響很小。

（2）氫脆模型如圖7所示。1969年，Grubl等發(fā)現(xiàn)在鋁合金的應(yīng)力腐蝕開裂中存在氫脆作用。隨著質(zhì)譜儀的應(yīng)用，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在鋁合金試樣的腐蝕疲勞斷面上亦有氫分布，且滲透至其內(nèi)部一定距離[54]。高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的氫脆機(jī)理目前己為許多試驗(yàn)支持。普遍的一種觀點(diǎn)認(rèn)為，鋁合金在水溶液中發(fā)生腐蝕疲勞裂紋的擴(kuò)展，裂尖溶液因Al3+的水解作用（式（1））使得pH值降低，故裂紋內(nèi)的陰極可發(fā)生析氫反應(yīng)。氫離子（或者原子）以某種方式進(jìn)入鋁合金后使其塑性部分損失而更易發(fā)生疲勞斷裂。

圖6 形變活化腐蝕理論原理示意Fig.6 Schematic diagram of active corrosion theory

圖7 腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的氫脆模型Fig.7 Hydrogen embrittlement model of corrosion fatigue

有研究表明，陽極溶解在高強(qiáng)度鋁合金的氫脆中起著重要作用。文獻(xiàn)[55]對7071鋁合金在海水中的疲勞開展試驗(yàn)研究后得出，陽極溶解在鋁合金腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展過程中的主要作用是為裂紋尖端的陰極反應(yīng)提供電子，以保證有足夠向體內(nèi)擴(kuò)散的氫；文獻(xiàn)[56]在經(jīng)試驗(yàn)后亦指出，7475-T761鋁合金在3.5%NaCl溶液中形成腐蝕疲勞裂紋時，陽極溶解恰恰與陰極的析氫反應(yīng)構(gòu)成了裂紋擴(kuò)展必需的共軛過程。

至于氫（包括擴(kuò)散氫或固溶氫、氫分子和氫化物等）如何滲透進(jìn)入鋁合金內(nèi)部使得材料發(fā)生氫致破壞，研究人員正試圖從氫在金屬中的微觀形態(tài)來探求原因，即尋找鋁合金氫脆破壞的微觀機(jī)理。當(dāng)前的氫脆機(jī)理可歸納為弱鍵理論、氫與位錯交互作用理論、氫致滯后塑性變形理論、“Mg-H”復(fù)合體理論等[54]。然而，由于這些理論對試驗(yàn)條件等都存在適用范圍限制，有一定局限性，故找到能夠解釋高強(qiáng)度鋁合金氫脆本質(zhì)的普適機(jī)理將是今后研究工作的重點(diǎn)[57-58]。

（3）表面能下降模型。即吸附理論，與腐蝕疲勞裂紋萌生機(jī)理中的吸附理論相近。該模型認(rèn)為，裂尖新鮮的金屬界面由于吸附了活性粒子使其表面能降低，從而改變了材料的力學(xué)性能，使得在循環(huán)載荷作用下裂尖更容易擴(kuò)展。該理論與氫脆模型均屬于環(huán)境使得材料本身疲勞性能發(fā)生了改變，但其沒有氫脆模型應(yīng)用范圍廣，活性粒子對于材料的作用機(jī)理也尚不清楚[59-60]。

4.3 腐蝕疲勞研究趨勢

對于高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞的研究目前已在諸多方面取得進(jìn)展，但因影響因素復(fù)雜多變，以致有許多問題尚未很好解決，如：腐蝕疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展機(jī)理多，且均有較強(qiáng)的材料-環(huán)境依存性，不具備通用性；對于一個腐蝕疲勞體系往往存在多種腐蝕疲勞損傷機(jī)理共存的情況，如何有效評價各自對疲勞壽命影響的貢獻(xiàn)；現(xiàn)存理論大多為試驗(yàn)規(guī)律總結(jié)，缺少基于熱力學(xué)原理的腐蝕疲勞理論；在不同服役環(huán)境中且全面考慮各影響因素的前提下，如何定量分析各因素的影響并獲得較為精確的腐蝕疲勞失效模型；相關(guān)研究成果尚不能實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命的完整性評價，工程應(yīng)用價值有待進(jìn)一步提高；新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，如結(jié)構(gòu)的連接方式、防腐措施、復(fù)合材料偶接等，同樣也會給高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕疲勞帶來新的挑戰(zhàn)。這些均是該領(lǐng)域需要解決的重點(diǎn)難點(diǎn)問題，也是該領(lǐng)域未來的研究方向。

5 結(jié)論

高強(qiáng)度鋁合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上應(yīng)用廣泛，其在服役過程中會遭受環(huán)境破壞，故開展高強(qiáng)度鋁合金腐蝕疲勞研究勢在必行。這樣既可有效評估飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞壽命，保證腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，防止因結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞失效造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，又可系統(tǒng)評價材料的抗腐蝕疲勞性能，為優(yōu)選材料和優(yōu)化工藝提供參考，延長結(jié)構(gòu)的腐蝕疲勞壽命。然而，腐蝕疲勞影響因素復(fù)雜多變，腐蝕疲勞機(jī)理尚無定論，亦是不爭事實(shí)，故其歷來受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。相信隨著研究的不斷深入，尤其是理論探索與工程應(yīng)用的結(jié)合，人們對于高強(qiáng)度鋁合金的腐蝕疲勞將會有更為深刻的認(rèn)識和理解。

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