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铝合金7075-T6的预腐蚀疲劳试验研究及寿命预测.pdfVIP

铝合金7075-T6的预腐蚀疲劳试验研究及寿命预测.pdf

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摘 要 摘 要 在航空航天领域,为了减轻结构重量,提高结构性能,比强度高的铝合金材 料得到了广泛的应用,但在高温、潮湿等环境下,铝合金材料中的组分颗粒和周 围铝基之间会发生电化学反应而形成腐蚀坑。在老龄飞机数量日渐趋增的大背景 下,飞机结构遭受环境腐蚀而引发的疲劳破坏问题日益突出,业已成为世界各国 军用和民用飞机所面临的严峻问题。科学评估和准确预报不同预腐蚀状态下材料 的疲劳寿命,对保障飞行安全、提高经济效益有着全局性的意义。 本文针对飞机地面停放遭受腐蚀损伤、而后续高空飞行承受疲劳载荷这一预 腐蚀疲劳过程,从试件的预腐蚀形貌、蚀坑引起的应力集中以及疲劳断口特征等 方面研究预腐蚀损伤对疲劳性能的影响,并基于断裂力学原理提出了腐蚀坑―等 效裂纹的预腐蚀疲劳寿命预测方法。具体研究内容有如下几个方面: (1)针对预腐蚀 24h 、120h 和 240h 的犬骨状7075-T6 高强铝合金试件 (带 中心通孔,K =3.2 ),在疲劳试验之前,借助光学显微镜和光学轮廓仪对预腐蚀 t 形貌进行了详细地表征,测量统计了三种预腐蚀时间下蚀坑的尺寸参数、形态参 数和分布规律,对比研究发现:预腐蚀 24h 的腐蚀损伤较轻,与试件表面的机加 工粗糙度相当;随着预腐蚀时间的增长,蚀坑深度、表面积和截面面积等尺寸参 数明显增大,且相邻蚀坑易相互交错而形成蚀坑团簇。 (2 )针对 7075-T6 预腐蚀试件,分别在 R = 0.5 、0.06 和-1 三个应力比下, 采用成组法进行了疲劳 S-N 曲线测试,研究了预腐蚀损伤对材料疲劳性能的影 响;并对试样断口,借助扫描电子显微镜进行了详细的断口分析,从显微形态、 物理尺寸以及蚀坑数量等方面对导致裂纹萌生的主导蚀坑及非主导蚀坑进行了 讨论,并进行了两者表征参量的统计分析和对比。研究表明:在疲劳极限附近预 腐蚀时间对寿命的影响较为显著;疲劳裂纹多启裂于单个蚀坑或相邻蚀坑,且在 中/高应力水平下试件呈现多裂纹萌生机制。 (3 )针对单个蚀坑,基于断口表征中蚀坑实际形态,将其等效为理想半椭 球形,利用有限元方法在较大尺度范围内建立了三维计算模型 (蚀坑宽长比 R : s 0.2~2.5 ;蚀坑深宽比 R :0.1~20 ),系统地研究了单轴拉伸条件下单个蚀坑的应 d I 摘 要 力集中效应,确定了应力集中系数与蚀坑形状参数之间的经验公式,并提出:蚀 坑的宽长比参数 Rs 决定着单个蚀坑可能导致的最大应力集中系数 Ktmax ,且两者 之间呈良好的线性关系。在蚀坑深度不易测量的工程实践中,该结论具有参考价 值。 (4 )结合预腐蚀损伤和断口形貌特征,针对单个蚀坑的长度、宽度和深度 方向上出现的一个或多个相邻腐蚀坑,分别建立三维有限元模型,系统研究了不 同方向上的相邻蚀坑对应力集中系数的影响,并提出:蚀坑在垂直加载方向上的 相邻导致应力集中系数增大,且在两蚀坑中心距约等于两蚀坑半宽之和时出现最 大应力集中,而当中心距大于两蚀坑半宽之和的 2.5 倍时,两蚀坑的应力集中效 应基本互不影响。 (5 )为全面表征导致疲劳裂纹萌生的主导蚀坑特征,采用扫描电镜进行断 裂面分析、配合光学显微镜进行腐蚀表面分析,提出并实施了对主导蚀坑的三维 观测;基于应力集中效应的有限元计算结果和主导蚀坑三维观测的结果,给出了 危险蚀坑的判断准则,同时对 “裂纹不一定从最大最深蚀坑处萌生”这一大量文 献中提到但未解释的断口特征进行了原因剖析。 (6 )基于断裂力学原理,详细区分单裂纹萌生试件和多裂纹萌生试件,进 行寿命反推获得了试件的等效裂纹尺寸;借助相关性分析技术确定了腐蚀坑与等 效裂纹之间的最相关参数对,并分别建立了相应的腐蚀坑―等效裂纹的当量方 法;针对预腐蚀试件进行了疲劳寿命预测,根据断口分析结果,低应力水平下使 用单裂纹的当量方法、中/高应力水平下使用多裂纹的当量方法。预测

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