中壓調(diào)速汽門預(yù)啟閥閥碟開裂失效分析

近年來,國內(nèi)外的眾多學(xué)者在鋁合金腐蝕預(yù)損傷、腐蝕疲勞和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)疲勞性能等方面進行了許多研究,但都是單獨對某一方面進行研究,將兩者結(jié)合起來研究得還比較少.為了將細(xì)節(jié)疲勞額定值法應(yīng)用于含多相似疲勞細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的疲勞分析,依據(jù)細(xì)節(jié)疲勞額定值法和系統(tǒng)可靠性模型,建立了含多相似疲勞細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)疲勞額定值估算模型。

對2A12GT4鋁合金進行了加速環(huán)境試驗,并通過疲勞試驗計算得到了細(xì)節(jié)疲勞額定強度,得到了其與停放時間的函數(shù)關(guān)系式.在腐蝕預(yù)損傷和腐蝕疲勞方面，對 LY12CZ鋁合金進行了預(yù)腐蝕后的疲勞和腐蝕疲勞試驗,得出SGN曲線,初步建立了腐蝕損傷與疲勞壽命降低之間的關(guān)系.研 究不同腐蝕環(huán)境下7475GT7351鋁合金的疲勞性能及疲勞裂紋擴展速率.KIMBERLI等[12G14]對 2024 鋁合金及 7075 鋁合金的腐蝕損傷及疲勞壽命預(yù)測進行了研究.作者分別在實驗室空氣和鹽水環(huán)境中,對未腐蝕和預(yù)腐蝕48h的7XXX 鋁合金試樣進行了疲勞試驗,研究了腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

將7XXX鋁合金加工成細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值試樣,沿軋制方向取樣.7XXX 鋁合金的化學(xué)成分見表1.按標(biāo)準(zhǔn) HB7110-1994«金屬材料細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值(DFRcutoff)試驗方法»的要求進行預(yù)制損傷,一邊用人工敲擊制作,另一對角邊用挫削制作,將加工好的試樣等分成四組.試樣的形狀及尺寸如圖1所示.對其中的兩組試樣進行預(yù)腐蝕處理,即將試樣完全浸泡于丙酮中,超聲清洗15min后放置于專用夾具上通風(fēng)晾干,隨后將其再浸泡于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的 NaCl溶液中,48h后取出并去除表面的腐蝕產(chǎn)物,用去離子水清洗干凈后吹干備用。

實驗室空氣環(huán)境的溫度為(20±5)℃,相對濕度小于50%.鹽水環(huán)境為采用 NaCl和去離子水配制而成的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的 NaCl溶液,試驗時試樣完全浸沒于鹽水溶液中,腐蝕裝置內(nèi)的溶液為連續(xù)循環(huán),每周更換一次.按照金屬材料細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值試驗方法進行疲勞試驗,實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下的試驗頻率均為10 Hz,加載波形為正弦波.將未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕48h后的試樣分別在鹽水環(huán)境和實驗室空氣環(huán)境下進行應(yīng)力比R 為0.06的疲勞試驗.采用4級成組法確定試樣的中值SGN 曲線,試樣的數(shù)量滿足由變異系數(shù)確定的最小試驗個數(shù),中值疲勞壽命區(qū)間為 1×104 ~5×105,置信度 滿 足95%.若試樣未在預(yù)制損傷部位斷裂或斷口上有明顯的冶金缺陷或其他缺陷,則試驗數(shù)據(jù)無效。

采用 NovaNanoSEM450型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的疲勞斷口形貌,分析腐蝕預(yù)損傷及鹽水環(huán)境對7XXX鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響。

2.2 雙點法求解細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值

根據(jù)式(5)和(6)求得置信度、可靠度均為95% 的疲勞壽命 N95/95,結(jié)果列于表3中.分別將不同 狀態(tài)試樣及不同試驗環(huán)境下的 N95/95 畫在縱、橫坐 標(biāo)分別為最大應(yīng)力和疲勞壽命的雙對數(shù)坐標(biāo)系上, 連接相應(yīng)兩個 N95/95點的直線與壽命 N =105 交點 的最大應(yīng)力即是該條件下試樣的細(xì)節(jié)疲勞額定強度 截止值,如圖2所示,求得的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值。

腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對鋁合金細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值的影響較大,且鹽水環(huán)境的影響更大.若以未腐蝕試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值為基準(zhǔn),則預(yù)腐蝕48h試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為97%,未腐蝕試樣在鹽水環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為73%,預(yù)腐蝕48h試樣在鹽水環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為67%.

2.3 腐蝕預(yù)損傷對鋁合金疲勞壽命的影響

在實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下,預(yù)腐蝕48h試樣的疲勞壽命均低于未腐蝕試樣的疲勞壽命;與預(yù)腐蝕48h試樣相比,未腐蝕試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)更加分散.同一條曲線在低應(yīng)力水平下的疲勞壽命數(shù)據(jù)比高應(yīng)力水平下的疲勞壽命數(shù)據(jù)更加分散.腐蝕預(yù)損傷會在試樣上留下腐蝕坑,腐蝕坑處的局部應(yīng)力急劇升高,在疲勞載荷作用下,預(yù)腐蝕處的應(yīng)力集中效應(yīng)加強,裂紋快速萌生,使得裂紋萌生階段占疲勞壽命的比例減少,因此疲勞性能下降,疲勞壽命數(shù)據(jù)更加集中。

2.4 鹽水環(huán)境對鋁合金疲勞壽命的影響

未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕48h試樣在鹽水環(huán)境下的疲勞壽命明顯低于實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命,且在低應(yīng)力幅值時這種差距更明顯;對于未腐蝕和預(yù)腐蝕48h試樣,在實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命數(shù)據(jù)較鹽水環(huán)境下的更加分散.鹽水環(huán)境有效地助長了裂紋的起裂和擴展.在裂紋起裂階段,鹽水腐蝕造成試樣表面損傷,疲勞裂紋起裂得更快;鹽水環(huán)境對裂紋擴展的加速作用是由裂紋擴展和鹽水腐蝕過程的交互作用造成的,鹽水進入裂紋尖端加速了裂紋擴展.因此,鹽水環(huán)境對鋁合金疲勞性能的影響更為顯著。

2.5 疲勞斷口形貌

未腐蝕試樣和預(yù)腐蝕48h試樣都在預(yù)制損傷處發(fā)生了斷裂,疲勞斷口表面均存在大量的腐蝕產(chǎn)物，且有明顯的腐蝕坑存在,如圖中箭頭所指：裂紋在腐蝕坑底部萌生,然后以半橢圓輪廓線 向前擴展,并產(chǎn)生與裂紋擴展方向一致的放射狀臺階和條紋,最終導(dǎo)致試樣斷裂.鹽水環(huán)境下產(chǎn)生的腐蝕坑使試樣的應(yīng)力集中效應(yīng)得到了加強,疲勞裂紋源在腐蝕坑底部萌生,大幅縮短了裂紋萌生的時間,縮短了裂紋萌生壽命;在疲勞和鹽水腐蝕的交互作用下,裂紋尖端的循環(huán)滑移和破壞機制(解聚)使得裂紋加速擴展,所以7XXX鋁合金在鹽水環(huán)境下的疲勞性能大幅下降。

3 結(jié)論

（1）腐蝕預(yù)損傷及鹽水環(huán)境對7XXX鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響較為顯著；以未腐蝕試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值為基準(zhǔn)，預(yù)腐蝕48h試樣在實驗室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為97%，未腐蝕試樣在鹽水環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為73%，預(yù)腐蝕48h試樣在鹽水環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強度截止值的保持率為67%。

（2）在實驗室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下，預(yù)腐蝕48h試樣的疲勞壽命均低于未腐蝕試樣的疲勞壽命，且未腐蝕試樣的疲勞壽命數(shù)據(jù)相對分散。

（3）未腐蝕和預(yù)腐蝕48h試樣在鹽水環(huán)境下的疲勞壽命明顯低于在實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命，且在低應(yīng)力幅值時這種差距更加明顯,實驗室空氣環(huán)境下的疲勞壽命數(shù)據(jù)較鹽水環(huán)境下的更加分散。