腐蚀环境下铝合金疲劳裂纹扩展的试验及仿真

7075-T6铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展特性1陈加华1，杨新岐1，吴海亮1，栾国红21天津大学材料科学与工程学院，北京 (300072)2中国搅拌摩擦焊中心北京搅拌摩擦焊技术有限公司，北京 (100024)E-mail：chenjiahua2008@!摘要：搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型固相连接技术在铝合金等轻型合金连接方面具有很大的优势，建立合理有效的疲劳评定标准是FSW技术推广和应用的必要条件。

本文通过对7075-T6FSW接头不同位置的疲劳裂纹扩展速率进行实验，来研究铝合金FSW接头的疲劳性能。

实验结果表明：后退边HAZ疲劳裂纹扩展速率最慢，而垂直于焊缝区的扩展速率则最快；焊缝中心区的扩展速率在低△K区会低于前进边HAZ，而到裂纹扩展后期，疲劳裂纹扩展速率会高于前进边HAZ；与IIW标准的推荐值相比，所有区域的疲劳裂纹扩展速率均显著低于推荐值，这说明FSW接头的疲劳性能较好。

关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；疲劳裂纹扩展速率；焊接缺陷1．引言进入21世纪，能源问题已经成为世界上所有国家经济发展的制约因素，节约能源成为大家的共识，而构件轻量化是其中重要途径，铝合金的使用能大大减轻构件的重量。

铝合金材料具有比强度高，耐腐蚀和易成形等一系列优点，如7xxx系列，在航空、航天、高速列车和高速舰船等工业制造领域得到越来越广泛的应用。

但是，铝合金具有熔点低、热传导系数较大、热膨胀率高等特点，如采用传统熔焊连接时，将很难保证接头质量[1]。

搅拌摩擦焊（Fiction Stir Welding, 简称FSW）是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的新型固相连接技术，并在全世界范围内申请了专利保护[2]，被誉为是继激光焊接后最为革命性的连接方法。

国内外已有大量实验证明：FSW技术能很好地连接铝合金，且接头强度比熔焊有很大提高。

但在国内关于搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究的文献还非常之少，尤其是疲劳裂纹扩展速率的文章。

TC4合金磨损-腐蚀特性试验及仿真TC4合金是一种广泛应用于航空航天、汽车工业以及医疗器械等领域的钛合金。

由于其优异的力学性能、高抗腐蚀性能以及良好的生物相容性，TC4合金备受研究者和工程师的关注。

然而，在实际应用过程中，TC4合金的磨损和腐蚀问题也备受关注，因为这会影响材料的使用寿命和性能。

因此，进行TC4合金磨损-腐蚀特性试验及仿真分析，对于了解和改善TC4合金的性能具有重要意义。

首先，磨损试验是评估材料耐磨性能的一种重要方法。

进行磨损试验可以模拟材料在实际工作环境中的磨损情况，并通过磨损量的测量来评估材料的耐磨性能。

在TC4合金磨损试验中，常用的方法包括滑动磨损试验和磨料磨损试验。

滑动磨损试验通常在实验室中进行，通过加载一定的载荷和施加滑动速度，使试样与磨损剂相互作用，从而模拟材料在滑动接触过程中的磨损情况。

而磨料磨损试验则是在试样上施加一定的载荷和磨料颗粒，通过磨料颗粒对试样的作用，破坏试样表面，从而评估材料的耐磨性能。

其次，腐蚀试验是评估材料抗腐蚀性能的一种常用方法。

根据TC4合金的特点，常见的腐蚀试验方法包括浸泡法、电化学法以及腐蚀磨损试验等。

浸泡法是将试样浸泡在特定的腐蚀介质中，通过观察试样在不同时间下的质量变化以及表面形貌的变化，评估材料的抗腐蚀性能。

电化学法则是利用电化学技术测量材料在特定电位下的腐蚀行为，比如通过测量材料的腐蚀电流和腐蚀电位来评估材料的抗腐蚀性能。

腐蚀磨损试验则结合了磨损和腐蚀两种因素，模拟材料在腐蚀环境中的磨损过程。

在进行TC4合金磨损-腐蚀特性试验时，同时进行相关的仿真分析也是非常重要的。

通过建立材料磨损和腐蚀的数学模型，可以预测材料在实际工作条件下的磨损和腐蚀行为。

这对于优化材料的设计和工艺具有重要意义。

目前，常用的仿真方法包括有限元分析和计算流体力学仿真等。

有限元分析可以通过建立材料的力学模型和磨损模型，来预测材料在受力状态下的磨损行为。

而计算流体力学仿真则可以模拟材料在腐蚀液中的流动过程，从而预测材料的腐蚀行为。

铸铝合金腐蚀试验
铸铝合金在工业和民用领域中广泛应用，例如航空制造、汽车制造、铁路制造、建筑等。

然而，铝合金在特定环境下容易受到腐蚀侵蚀，这会导致铝合金的性能下降，使用寿命缩短。

因此，进行铸铝合金腐蚀试验显得非常必要。

下面介绍几种常用的铸铝合金腐蚀试验方法及其应用。

一、室温常压腐蚀试验
室温常压腐蚀试验是最常用的一种铸铝合金腐蚀试验方法，简单易行且具有较高的代表性。

试验一般使用盐酸或硫酸加水形成的酸性溶液。

该试验方法能模拟铝合金在室内环境中受到的腐蚀情况，并且可以得到较为稳定的腐蚀速率数据。

二、电化学腐蚀试验
电化学腐蚀试验是通过模拟实际工作条件下铝合金的电化学反应过程，评估其腐蚀程度。

使用电化学方法进行腐蚀试验具有实验稳定、简捷、可精确定量等特点。

常用的电化学腐蚀试验方法包括：极化曲线法、交流阻抗法、电位扫描法等。

这些方法可以对铝合金的腐蚀行为进行深入研究，并可以对铝合金的耐蚀性能进行定量分析。

三、盐雾腐蚀试验
盐雾腐蚀试验是通过模拟海洋环境下铝合金的受腐蚀情况进行评估，这是海面船舶和海洋结构物在使用过程中必须面对的问题。

盐雾试验使用含氯化钠的溶液制成盐雾，将铝合金样品置于盐雾环境下进行腐蚀测试，通常需要长时间测试（如1000小时以上）才能得到可靠的数据。

湿热腐蚀试验是通过模拟高温湿热环境下铝合金的受腐蚀情况，评估其耐蚀性能。

在湿热环境中，铝合金往往会遭受强烈的氧化还原反应和水分解反应，导致其失去原有的性能和机械强度。

湿热腐蚀试验的温度和湿度也是可以变化的，根据实际使用环境进行调整。

过载效应下铝合金裂纹尖端疲劳损伤机理及寿命的多尺度预测1. 引言1.1 概述铝合金在航空、汽车和建筑等领域中广泛应用，其轻质、高强度和耐腐蚀等特性使其成为重要的结构材料。

然而，在实际工作条件下，铝合金组件常常遭受到过载效应的影响，导致裂纹尖端的疲劳损伤加速发展，缩短了组件的使用寿命。

因此，了解过载效应对铝合金裂纹尖端疲劳损伤机理及寿命的影响，并提出合适的预测方法具有重要意义。

本文旨在全面探讨过载效应下铝合金的裂纹尖端疲劳损伤机理，并通过多尺度预测方法来预测其剩余寿命。

通过这项研究，我们希望能够为工程实践提供一些指导建议，并促进相关科学领域的发展。

1.2 文章结构本文共分为五个章节，各章节内容如下：- 第二章将概述过载效应的定义和对铝合金裂纹尖端的影响，并通过实际案例进行详细分析。

- 第三章将介绍铝合金裂纹尖端疲劳损伤机理，包括裂纹尖端应力场特征、裂纹扩展过程中的变形行为分析以及疲劳断裂表面特征研究。

- 第四章将综述多尺度预测方法，包括微观层级预测模型、中观层级预测方法和宏观层级预测技术，并探讨其应用案例。

- 第五章将对实验结果进行验证，并提出相应的模型改进展望。

同时，总结工程实践指导建议并探讨未来发展方向。

1.3 目的本文的目的在于深入了解过载效应对铝合金裂纹尖端疲劳损伤机理的影响，并针对不同尺度提供多种预测方法。

通过实验结果验证与模型改进，我们希望能够提出一些工程实践指导建议，并为未来相关研究领域提供新的思路和方向。

通过本文的研究成果，我们期待能够有效延长铝合金组件的使用寿命，提高其可靠性和安全性，在相关领域推动材料科学和工程的进步。

2. 过载效应概述2.1 什么是过载效应过载效应是指在材料或结构承受超出其设计工作条件的额外荷载时所产生的影响。

这种额外荷载可以是瞬态或持续荷载，超过了材料或结构的正常负荷范围。

过载效应可以导致材料或结构中的各种不可逆损伤，特别是在强度较低的部分。

2.2 过载效应对铝合金裂纹尖端的影响过载效应对铝合金裂纹尖端有着重要影响。

AlSi10Mg(Cu)铸铝合金的热疲劳裂纹萌生及早期扩展行为周航;张峥【摘要】The damage evolution under thermal fatigue loading forAlSi10Mg (Cu) cast alloy on the crack initiation and early propagation stage, mainly focusing on the influence of silicon particles on the thermal fatigue crack behaviour. The results show that, thermal fatigue crack origins from the failure interfaces between debonded silicon particles and matrix, that is because of the difference in thermal expansion coefficient between silicon particles and aluminum matrix, thus leading to the misfit of thermal strain, finally caused cyclic stress on the interfaces with fatigue failure. The propagation of thermal fatigue crack related to the growth on both length and width direction, ductile dendrite hinders the propagation of fatigue crack. The result of simulation analysis about the stress distribution around silicon particles during thermal fatigue is given to help discuss the experiment results.%微观观察AlSi10Mg (Cu) 铸铝合金在热疲劳裂纹的萌生和早期扩展过程, 重点研究共晶硅粒子对热疲劳裂纹行为的影响.结果表明:热疲劳裂纹萌生于脱粘共晶硅粒子与铝基体间的开裂界面, 原因是共晶硅粒子与铝基体的热膨胀系数不同, 引起热循环过程中两相热应变不协调, 从而在两相界面处产生循环应力而引起疲劳破坏.热疲劳裂纹的扩展在长度和宽度上同时进行, 具有良好塑性的铝枝晶对疲劳裂纹的扩展起阻碍作用.对热疲劳过程中共晶硅粒子周围应力场的模拟分析进一步解释了实验现象.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2019(047)003【总页数】8页(P131-138)【关键词】AlSi10Mg (Cu) 铸铝合金;热疲劳;裂纹萌生;共晶硅粒子【作者】周航;张峥【作者单位】北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100191;北京航空航天大学材料科学与工程学院,北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TG113.25铝硅系合金具有良好的铸造性能，包括液态较高的流动性、较小的收缩性，且热裂、缩孔和疏松倾向小；同时还具有较好的强度和塑性、比重轻、焊接性好。

腐蚀疲劳腐蚀疲劳是指金属材料在循环应力或脉动应力和腐蚀介质共同作用下，所产生的脆性断裂的腐蚀形态。

在腐蚀介质和交变应力的共同作用下，金属的疲劳极限大大降低，因而会过早地破裂。

这种破坏要比单纯交变应力造成的破坏（即疲劳）或单纯腐蚀造成的破坏严重得多，而且有时腐蚀环境不需要有明显的侵蚀性。

材料腐蚀疲劳试验是指在腐蚀介质中测试材料的疲劳腐蚀性能的试验。

腐蚀疲劳是构件在循环载荷和腐蚀环境共同作用下，腐蚀疲劳损伤在构件内逐渐积累，达到某一临界值时，形成初始疲劳裂纹。

然后，初始疲劳裂纹在循环应力和腐蚀环境共同作用下逐步扩展，即发生亚临界扩展。

当裂纹长度达到其临界裂纹长度时，难以承受外载，裂纹发生快速扩展，以至断裂。

因此，对于光滑试件的腐蚀疲劳过程包括裂纹形成、亚临界扩展和快速扩展，以至断裂等过程。

产生腐蚀疲劳的金属材料中有碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金和其他非铁合金等。

腐蚀疲劳一般按腐蚀介质进行分类，有气相腐蚀疲劳和液相腐蚀疲劳。

从腐蚀介质作用的化学机理上分，气相腐蚀疲劳过程中，气相腐蚀介质对金属材料的作用属于化学腐蚀；而液相腐蚀疲劳通常指在电解质溶液环境中，液相腐蚀介质对金属材料的作用属于电化学腐蚀。

腐蚀疲劳按试验控制的参数，又分为应变腐蚀疲劳和应力腐蚀疲劳。

前者是控制应变量，得到应变量与腐蚀疲劳寿命的关系；后者是控制试验应力，得到应力与腐蚀疲劳寿命的关系。

腐蚀疲劳的特点有：腐蚀疲劳不存在疲劳极限；与应力腐蚀相比，腐蚀疲劳没有这种选择性，几乎所有的金属在任何腐蚀环境中都会产生腐蚀疲劳，发生腐蚀疲劳不需要材料－环境的特殊组合；金属的腐蚀疲劳强度与其耐蚀性有关；腐蚀疲劳裂纹多起源于表面腐蚀坑或缺陷，裂纹源数量较多；腐蚀疲劳断裂是脆性断裂，没有明显的宏观塑性变形。

金属在h2s环境中抗硫化应力开裂和应力开裂及应力腐蚀开裂的试验方法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：金属在H2S环境中的抗硫化应力开裂和应力开裂以及应力腐蚀开裂是工程材料研究中一个重要的课题。

随着工业发展的进步，金属在硫化氢环境下遇到的腐蚀问题越来越严重，因此对金属的抗硫化能力进行有效评估和研究显得尤为重要。

本文将重点介绍金属在H2S环境中抗硫化应力开裂和应力开裂以及应力腐蚀开裂的试验方法。

一、抗硫化应力开裂试验方法1.慢应变速率拉伸试验（SSRT）慢应变速率拉伸试验是一种常用的用于评估金属抗硫化应力开裂能力的试验方法。

在试验中，将金属样品置于硫化氢环境中，通过施加不同应变速率的拉伸载荷来评估金属的应力开裂敏感性。

通过观察试验样品的断口形貌，可以判断金属在H2S环境中的抗硫化应力开裂能力。

2.冲击试验（Charpy V-notch Impact Test）Charpy V-notch冲击试验是一种常用的测试金属在低温下的韧性能力的方法，也可以用于评估金属在H2S环境中的抗硫化应力开裂能力。

通过在冲击试验中引入硫化氢气体，可以模拟实际工作环境下的应力开裂情况，进一步评估金属的性能。

2.环境应力开裂试验（Environmental Stress Cracking Test）2.断裂力学分析（Fracture Mechanics Analysis）断裂力学分析是一种常用的方法，用于评估金属在应力腐蚀开裂条件下的裂纹扩展行为。

通过对金属样品的裂纹形貌和裂纹扩展速率等参数进行分析，可以评估金属在应力腐蚀开裂条件下的裂纹扩展机制和发展规律。

第二篇示例：金属在H2S环境中抗硫化应力开裂和应力开裂及应力腐蚀开裂是材料科学和工程领域一个重要而复杂的问题。

H2S是一种常见的硫化氢气体，常常存在于石油、天然气等工业生产中。

金属材料在H2S环境中受到应力作用时容易发生各种腐蚀和开裂现象，这对于工程结构的安全性和可靠性都提出了严峻的挑战。