摘要: 本文采用中性鹽霧對AF1410超高強度鋼進行不同時間的預腐蝕，并對預腐蝕后的試樣進行不同載荷下疲勞試驗，對預腐蝕疲勞壽命進行研究。得到了該材料的預腐蝕疲勞壽命S-N曲線，提出了預腐蝕對AF1410鋼疲勞壽命影響系數C曲線，并對其進行曲線擬合；對預腐蝕不同時間T、不同疲勞加載S下的預腐蝕疲勞壽命數據進行全面分析，得到了預腐蝕時間和疲勞加載對材料壽命的影響系數C-T-S曲面，最終建立預腐蝕損傷對疲勞壽命影響的擬合公式，研究了預腐蝕對AF1410鋼疲勞壽命影響的動力學規律。

關鍵詞: 預腐蝕；S-N曲線；C曲線；C-T-S曲面。

引 言

腐蝕的存在將顯著地降低金屬材料的強度和硬度，從而對其工程結構完整性帶來極大的傷害，尤其是海洋環境中的腐蝕。而面臨的現狀是隨著我國航空航天工業的迅速發展，對高強度、高韌性材料的需求不斷增加[1,2]。

AF1410鋼具有高強度、高斷裂韌性、良好的加工性能和焊接性能而廣泛用于航空結構材料領域，如起落架等關鍵部位[3,4]，該結構材料在使用過程中對腐蝕環境相當敏感[5]，腐蝕環境加速疲勞裂紋擴展源形成及裂紋的擴展，進而降低結構材料的抗疲勞性能[6]，從而影響飛機結構疲勞壽命。

目前，大多數研究集中在預腐蝕損傷、顯微組織對疲勞壽命影響的研究[7-11]。趙學鋒提出了預腐蝕疲勞壽命影響系數的分析方法[12]。劉建華等[3,4]研究了AF1410中性鹽霧腐蝕行為，并建立在單一加載下的預腐蝕疲勞壽命影響規律，等等。這方面的研究往往建立在少量的、典型試驗基礎之上，尚不全面，缺乏可信度。本文采用能較好模擬海洋大氣環境的中性鹽霧試驗方法[13]，對預腐蝕不同時間AF1410鋼試樣進行不同疲勞載荷下疲勞壽命測試，系統全面地研究中性鹽霧預腐蝕對疲勞壽命影響規律，建立基于較高安全系數的經驗模型，為飛機結構關鍵部件選材提供科學依據。

一 實驗部分

1.1 實驗材料及方法

AF1410鋼的化學成分(質量分數，%)為C 0.16，Mn 0.03，Si 0.02，Cr 1.92，Ni 9.83，Co 14.1，Ti 0.01，Fe余量，其熱處理制度為：860℃，保溫1小時，油冷，然后-70℃ 冷處理1小時，最后在510℃保溫5小時空冷時效。屈服強度為1620MPa，抗拉強度為1750MPa。

圖1  疲勞試樣加工示意圖(單位：mm)

將AF1410鋼按圖1所示加工，將兩端用樹脂封閉，裸露中間實驗部分，并保持400mm2的面積，對其進行中性鹽霧腐蝕實驗。連續噴霧介質為3.5% NaCl (質量分數，下同)水溶液(pH=7)，溫度控制為35±1℃，預腐蝕周期分別為0、5、10、15、20天，每個時間點選30個平行試樣。

采用英國產Instron-8801型電液伺服疲勞實驗機在室溫（28±1℃）下對中性鹽霧預腐蝕試樣進行疲勞實驗，疲勞加載分別采用676、736、796、916、1036MPa（即74.5%、78.0%、85.0%、90.0%σb）的加載，應力比為0.1，頻率為30Hz，保持95%的置信度。對AF1410鋼預腐蝕疲勞壽命進行分析，獲得鹽霧預腐蝕疲勞S-N曲線，并進一步對預腐蝕對材料疲勞壽命影響規律進行分析研究。

二 結果與討論

2.1 疲勞實驗結果及S-N曲線分析

對預腐蝕疲勞試驗過程中的數據進行分析，保證試樣數據滿足95%置信度和5%相對誤差的要求。得到了中性鹽霧預腐蝕0天、5天、10天、15天、20天的AF1410鋼在加載應力分別為676、736、796、916、1036MPa下疲勞實驗數據，如圖2。

對AF1410鋼預腐蝕不同時間試樣的疲勞壽命數據繪制成疲勞壽命分布圖，如圖2數據點所示。由圖可見：隨著加載應力的增加，疲勞壽命逐漸降低。在相同加載下，未經過預腐蝕的試樣的疲勞壽命遠大于預腐蝕試樣疲勞壽命，且預腐蝕疲勞試樣的疲勞壽命隨著預腐蝕時間的延長而逐漸降低。這種差異隨著預腐蝕時間的延長而逐漸降低，預腐蝕10天、15天、20天試樣的疲勞壽命差距相比預腐蝕5天的小。預腐蝕5天的試樣的疲勞壽命與未預腐蝕的試樣差距較大，其中最低應力和最高應力下的疲勞壽命差距最大，這說明預腐蝕5天后試樣的疲勞壽命損失較大。預腐蝕10天、15天、20天的試樣的疲勞壽命相差較小，在最高應力下的疲勞壽命較接近，說明由于腐蝕對材料的破壞較嚴重，同時加載應力較大時，材料在疲勞過程中極易產生疲勞裂紋，裂紋迅速擴展導致材料斷裂失效[3]。由此可見，預腐蝕5天后的試樣對其疲勞壽命影響較大，隨著預腐蝕時間的增加，預腐蝕對試樣疲勞壽命的影響也逐漸增加，但預腐蝕10天、15天、20天后對試樣疲勞壽命的影響效力有所減少。

根據中性鹽霧預腐蝕疲勞試驗結果，可擬合出S-N曲線。由于Sm·N=D，兩邊取對數后可以得到直線方程：

其中：a、b、D為常數；S為疲勞載荷；N為疲勞壽命 (周期)。

圖2  預腐蝕不同時間的疲勞壽命分布及擬合S-N曲線圖

擬合參數如表2所示，比較表中的擬合相關系數R值可見，疲勞曲線擬合程度很高，很好的表現了S-N曲線的變化規律。從圖1中可以看出預腐蝕對疲勞試樣疲勞壽命的影響很明顯，而且這種趨勢隨腐蝕時間的增長而降低。預腐蝕不同時間的疲勞壽命擬合參數中D數值在同一個數量級，且差距不大。常數a、b差距較大，由式1可知，達到相同疲勞壽命時，ln(N+D)值相近，常數a、b的值隨著預腐蝕時間的增加而逐漸減小，所以預腐蝕時間長的試樣所需載荷少，即預腐蝕時間長的試樣在較小載荷下發生疲勞失效。

2.2  預腐蝕對疲勞性能的影響 C曲線

一般地，結構疲勞壽命服從對數正態分布，腐蝕只降低疲勞壽命，并不改變壽命值的概率分布規律[14]。利用統計分析，求出對數疲勞壽命均值和標準差將疲勞壽命值計算，得到對應的中值壽命及標準差。中性鹽霧腐蝕環境對材料的結構疲勞壽命影響采用腐蝕疲勞壽命影響系數C(亦稱為預腐蝕疲勞修正系數)來表征，如式(2)所示。到不同預腐蝕對材料疲勞壽命影響系數值C，當預腐蝕時間為0時，C為1，表明未預腐蝕試樣的疲勞壽命等于原始疲勞壽命；當預腐蝕時間大于0時，C值小于1，表明預腐蝕對試樣的疲勞壽命產生了影響，且預腐蝕后的試樣疲勞壽命為未經預腐蝕試樣的C×100%。將腐蝕疲勞影響系數C曲線進行擬合。

式中： 

N50(0)為未進行預腐蝕試樣的中值疲勞壽命；

N50(t)為預腐蝕t時間(day)后試樣的中值疲勞壽命。

在相同的加載下，計算得到預腐蝕不同時間對材料的疲勞壽命影響系數值C，且C曲線函數關系符合C=1.0-AtB（其中A、B為常數）分布[15]。不同應力水平下、不同預腐蝕時間后的腐蝕疲勞壽命影響系數C如表3所示。將其數據作圖，并對數據按公式C=1.0-AtB擬合，如圖3所示，擬合參數如表4所示。

圖3  不同載荷下的預腐蝕疲勞壽命影響系數C曲線

由此可見，鹽霧預腐蝕時間對疲勞壽命的影響非常明顯。在預腐蝕0-5天，疲勞壽命下降超過了60%。預腐蝕5天的疲勞壽命影響系數相對分散，說明腐蝕對該材料的腐蝕疲勞壽命影響嚴重。隨著預腐蝕時間的延長，腐蝕對疲勞壽命影響越來越小；預腐蝕15天后，預腐蝕疲勞壽命影響C曲線趨于平緩。隨著預腐蝕時間的延長，最大應力下的預腐蝕疲勞壽命影響系數C值不斷增加，表明腐蝕對疲勞壽命的影響隨加載應力的增加而減小。

3.3預腐蝕對疲勞壽命影響系數C-T-S曲面及公式擬合

預腐蝕對疲勞壽命影響系數C在不同預腐蝕時間T、應力水平S時，具有不同的數值。表明C不但與T有關，還與S相關。利用表3計算數據進行擬合C-T-S曲面圖，如圖4所示。加載應力S不變，隨著預腐蝕時間T增加，C不斷減小，腐蝕對疲勞壽命影響較大；在相同的預腐蝕時間T下，隨加載應力S的增加， C先增加后減小，腐蝕對高應力下疲勞壽命影響不大；疲勞疲勞應力水平越低，則預腐蝕影響所占的比重越高，而在較高的疲勞加載應力水平下，預腐蝕腐蝕對疲勞壽命的影響相對低。

圖4  材料在不同參數下的C-T-S曲面圖

從圖中還可以看出：預腐蝕疲勞壽命影響系數C是預腐蝕時間T和應力水平S的函數，且具有冪函數關系。令預腐蝕疲勞壽命影響系數C是預腐蝕時間T和應力水平的函數，且具有冪函數關系。

根據以往經驗公式[12,16,17]，建立以下形式的預腐蝕疲勞壽命影響系數的多參數模型：

其中：T為腐蝕時間；S為疲勞載荷；a和b為模型參數，根據實驗數據，通過最小二乘法可以得到。

具體地，對式(3)兩端求自然對數，有：

根據最小二乘法用各個實驗值和擬合值離差的平方和(5)最小來保證每個離差的絕對值都很小的原理，可以得到以下方程：

對式(6)展開，經過推導，可以得到參數a和b的值：

根據式(7)，計算出a和b的值，并代回式(3)，則預腐蝕疲勞壽命影響系數可以擬合為：

可見：公式中的C值計算后均小于1；預腐蝕疲勞壽命影響系數公式中時間T前面的常數均小于基體材料，由此可以推斷腐蝕降低了材料的疲勞壽命；在相同預腐蝕時間下，C值隨疲勞加載的增加而增加。

三 結論

本文采用中性鹽霧預腐蝕的方法研究了預腐蝕對航空結構材料AF1410鋼的預腐蝕疲勞行為，探討了腐蝕對其結構疲勞壽命的影響規律，得出了一下結論：

(1) 疲勞試驗結果表明：隨中性鹽霧預腐蝕時間的延長，試樣的疲勞壽命逐漸降低，且分散性增加，材料的腐蝕損傷程度增加；在相同加載下，未經過預腐蝕的試樣的疲勞壽命遠大于預腐蝕試樣疲勞壽命；將疲勞壽命曲線按照S=a-b·ln(N+C)公式進行線性回歸分析，得到了擬合參數，而且相關系數R值接近1，具有很高的相似度，疲勞壽命隨著預腐蝕時間的延長而不斷降低，且服從正態分布；

(2) 采用預腐蝕疲勞壽命影響系數C描述中性鹽霧腐蝕環境對AF1410鋼的疲勞壽命的影響，得到了不同載荷下的預腐蝕疲勞壽命影響系數特征曲線，并進行了擬合；

(3) 得到了不同預腐蝕時間T、不同疲勞加載S下的預腐蝕疲勞壽命影響系數C-T-S曲面圖，采用最小二乘法對不同預腐蝕時間、不同應力下的疲勞壽命影響系數C值進行擬合，推導出預腐蝕疲勞壽命影響系數公式：C=e-0.2569TS0.0167T，對材料的應用具有指導意義。

參考文獻

[1] Li Xu-Dong, Wang Xi-Shu, Ren Huai-Hui, et al. Effect of prior corrosion state on the fatigue small cracking behaviour of 6151-T6 aluminum alloy [J] . Corrosion Science, 2012(55): 26–33

[2] R.H. Oskouei, R.N. Ibrahim. Restoring the tensile properties of PVD-TiN coated Al 7075–T6 using a post heat treatment, Surf. Coat. Technol. 205 (15) (2011):3967–3973.

[3] 郝雪龍, 劉建華, 李松梅等.中性鹽霧預腐蝕對AF1410高強鋼疲勞壽命的影響[J] .航空材料學報, 2010, 30（1）:67-71

[4] 劉建華, 尚海波, 陶斌武, 等.0Cr18Ni5和AF1410高強度鋼的腐蝕行為研究[J] .材料工程，2004, 8: 29-31.

[5] 劉建華,郝雪龍,李松梅等.AF1410鋼電子束焊接接頭的腐蝕電化學行為研究[J] .北京科技大學學報, 2010, 32（11）: 1449-1454

[6] WEI R P. Corrosion and corrosion fatigue of airframe materials[R] .DOT/ FAA/ AR -00/22,2000.

[7] X.S. Wang, J.H. Fan. An evaluation the growth rate of small fatigue cracks in cast AM50 magnesium alloy at different temperature in vacuum environment[J] .Int. J. Fatigue 28 (1) (2006) 79–86

[8] J. Kand, R.D. Fu, G.H. Luan, C.L. Dong, M. He. In-situ investigation on the pitting corrosion behaviour of friction stir welder joint of AA2024-T3 aluminum alloy[J] .Corros. Sci., 2010, 52 (2): 620–626

[9] G.R. Engelhardt, D.D. Macdonald. Modelling the crack prpagation rate for corrosion fatigue at high frequency of applied stress[J] .Corros. Sci. ,2010,52 (4) :1115–1122

[10] K. Jones, S.R. Shinde, P.N. Clark, D.W. Hoeppner. Effect of prior corrosion on short crack behaviour in 2024–T3 aluminum alloy[J] . Corros. Sci., 2008, 50 (9):2588–2595.

[11] 陳群志，楊蕊琴，李國元等.腐蝕對30CrMnSiNi2A鋼結構疲勞壽命的影響[J] .裝備環境工程，2007，4(5):7-10.

[12] 趙學鋒,王富永,趙海軍. 預腐蝕疲勞壽命影響系數及S-N曲線研究[J] . 機械強度, 2008, 30(6): 977-981

[13] 唐毅, 宋愛民.鹽霧實驗條件對實驗結果的影響[J] .微電子學, 2009，39(2): 289-293

[14]  賀小帆，劉文珽，王忠波，等.疲勞壽命預腐蝕影響系數曲線通用性研究[J] .機械強度，2004，26 (1): 101-104

[15] 任三元，曹鵬鈞，劉海濤.預腐蝕典型鉚接結構疲勞壽命特性研究[J] .裝備環境工程，2009，6(1): 27-29

[16] 高鎮同, 熊峻江. 疲勞可靠性[M] .北京:航空航天大學出版社,2000

[17] 趙海軍, 金平, 柳文林等. 預腐蝕疲勞壽命影響系數模型研究[J] .腐蝕科學與防護技術, 2006, 18(4): 265-267