关键词:
铝锂合金
高周疲劳
盐雾环境
裂纹扩展
应力
摘要:
航空合金构件在复杂循环载荷作用下极易引发疲劳失效,严重威胁飞行器结构安全并缩短其服役周期。当载荷循环与腐蚀环境产生协同作用时,构件更易发生具有多场耦合特征的腐蚀疲劳失效,这对航空结构件的抗损伤设计提出了更严峻挑战。本文以第三代AA2099铝锂合金为研究对象,通过改变固溶与预拉伸后的停放间隔时间调控T?相析出行为,结合高周疲劳及高周腐蚀疲劳试验,系统研究不同应力水平下高周疲劳及盐雾腐蚀疲劳的裂纹演化机制。结合透射电镜、电子背散射衍射等表征手段,揭示了工艺参数对析出相强化效应的影响规律,阐明了应力水平对裂纹萌生模式、滑移带间距及疲劳条纹特征作用机制,并评估了腐蚀环境与应力协同作用对疲劳寿命的衰减效应,主要结论如下:
(1)固溶和预拉伸后的停放间隔时间影响合金力学性能及T1相析出行为。固溶后停放12h,预拉伸后停放72h(NA12-72)的样品表现出最优的力学性能,其屈服强度为563.7 MPa,抗拉强度为595.2 MPa,显微硬度为160.2 HV。长时间自然时效促进T1相的析出与细化,对比NA12-72和NA48-72样品,T1相体积分数从1.82%增加到2.03%,但析出强化贡献从90.2 MPa降低至87.5 MPa,这表明当T1相的体积分数达到一定阈值后,继续延长间隔时间会减弱析出强化效果。
(2)疲劳裂纹萌生主要发生在表面或近表面,特别是夹杂物或富铁颗粒附近。高低应力状态下,疲劳裂纹萌生行为和扩展机制有所不同:低应力下裂纹趋向单源萌生,高应力下裂纹趋向多源萌生;低应力下激活单滑移系统导致裂纹扩展路径曲折,高应力下激活多滑移系统导致裂纹扩展路径平坦。当应力水平从240 MPa增加到300MPa,滑移带间距由2.41μm减小至0.36μm。早期裂纹扩展呈现短裂纹特征,在距离裂纹萌生点300μm处,受裂纹尖端加工硬化影响,疲劳条纹间距随应力水平升高从0.32μm缩小至0.24μm。
(3)在高周腐蚀疲劳条件下,当应力水平从240 MPa增至300 MPa,疲劳裂纹扩展路径由曲折(T/L=1.21)趋于平直(T/L=1.01)。低应力下腐蚀因素起关键作用,在腐蚀坑及腐蚀产物处易发生损伤;高应力下疲劳因素起关键作用,滑移带引发的腐蚀导致了进一步的损伤。与空气环境相比,腐蚀环境使合金疲劳寿命降低:在240 MPa时疲劳寿命降幅为36%,300 MPa时疲劳寿命降幅为59%。