300M钢在3.5%NaCl溶液中腐蚀疲劳性能

300M钢在3.5%NaCl溶液中腐蚀疲劳性能

伍少华

（中国特种飞行器研究所湖北省荆门市448035）

1概述

飞机在服役过程中不仅受到疲劳载荷作用，根据其服役环境的不同，同时还会受到各种环境的腐蚀影响，环境的腐蚀作用将导致结构材料发生腐蚀，严重降低疲劳寿命。研究表明，腐蚀和疲劳是影响飞机结构安全性和经济性的两大主要因素，它们共同作用形成飞机结构的腐蚀疲，劳影响着飞机结构的使用寿命，严重影响飞机安全性能，乃至飞行故障及灾难的发生。

300M超高强度钢作为飞机主要结构材料，通常用于飞机起落架结构或是重要连接接头，不仅具有高强度、高韧性等优异的力学性能，还具有良好的可加工线和焊接性能[2]-[3]，但同样也存在对服役环境敏感的问题。目前关于300M超高强度钢的疲劳裂纹萌生、疲劳断裂及预腐蚀损伤行为的研究较多[1][2]，相比之下，对该材料的腐蚀疲劳研究和预测则显得不足。

飞机在沿海地区等恶劣环境下服役期间，海洋大气中的盐分溶解于机体表面水膜中，将形成腐蚀性盐溶液环境，腐蚀环境将加速疲劳裂纹扩展源形成及裂纹的扩展，进而降低结构材料的抗疲劳性。本文采用3.5％NaCl溶液环境来模拟沿海服役飞机结构所遭遇的腐蚀环境，通过300M钢缺口试样在3.5％NaCl溶液环境中腐蚀疲劳试验，研究以300M超高强度钢在盐溶液腐蚀环境下的腐蚀疲劳性能。

2试验方法

本次腐蚀疲劳试验方法参考GJB1997-94《金属材料轴向腐蚀疲劳试验方法》成组法进行。

试验材料为300M超高强度钢，化学成分(质量分数，%)为：C0.41，Sil.66，Mn0.64，P0．009，S0.0013，Cr0.71，Ni1.9O，V0.008，Mo0．37，其余为Fe。

试样材料为300M钢锻件，试样形式采用Kt=3标准缺口轴向疲劳试样。试验前，在3.5％NaCl溶液环境中进行24h预腐蚀，然后开展腐蚀疲劳试验，测试其在3种应力比下的疲劳性能测试，获取腐蚀疲劳S-N曲线以分析其腐蚀疲劳性能。

通过设计非金属透明的环境箱及循环装置实现3.5％NaCl盐溶液环境下的疲劳性能测试。如图1所示，环境箱与腐蚀溶液贮存箱通过小型水泵构成腐蚀环境循环系统，其中环境箱不得有介质泄漏，环境体积与试样被浸表面积之比不小于20mL/cm2。循环装置应保证环境箱里的溶液更换一次的时间不大于1分钟，每5d更换一次腐蚀介质。

图1腐蚀疲劳试验示意图

通过以下公式分别计算出每种载荷下的期望，标准差S及变异系数，试验数据结果须满足HB/Z112-1986《材料疲劳试验统计分析方法》附表1所规定95%置信度要求。

（1）

（2）

（3）

根据对数腐蚀疲劳寿命符合正态分布假设，可获得50%存活率的各组试件的中值疲劳寿命，即：

（4）

式中:

Ni—每组试验中第i个试样的疲劳寿命；

n—每组试验件的样本量；

N50—正态母体中具有50％存活率的中值疲劳寿命。

疲劳S－N曲线采用三参数式进行拟合，即

N=10^(（A1-lg(σmax）)/A2）+A3（5）

式中:

A1，A2，A3—材料在一定应力集中系数和一定应力水平(如规定应力比或平均应力)下的常数。

3试验结果及讨论

试验测定了3.5%NaCl盐溶液环境下300M钢缺口式样在应力比分别为0.06、0.5、-1时的腐蚀疲劳寿命，根据不同应力时各式样腐蚀疲劳寿命数据，绘制出S-N曲线如图3所示。

根据该数据拟合腐蚀疲劳中值寿命曲线方程为：应力比R=0.06的S－N曲线拟合方程为N=10^(（12.20-lg(σmax）)/2.93）-18.88，应力比R=0.5的S－N曲线拟合方程为，N=10^(（13.18-lg(σmax）)/3.13）-17.51，应力比R=-1的S－N曲线拟合方程为N=10^(（10.44-lg(σmax）)/2.45）+34.25。

图13.5％NaCl盐溶液下典型腐蚀疲劳断口形貌

图23.5％NaCl盐溶液下的腐蚀疲劳S-N曲线

4结论

在3.5%NaCl盐溶液中，300M钢腐蚀疲劳极限约为100MPa~220MPa，相同寿命时，应力比为-1时腐蚀疲劳强度最小，应力比0.06次之，应力比为0.5时腐蚀疲劳强度最大。

参考文献

[1]张睦林，朱立群，刘慧丛，等.300M超高强度钢在模拟积水环境中的腐蚀行为.航空学报，2013Vo1.34，No.4：954-96.

[2]柳木桐，刘建华，钟平.超高强度钢耐腐蚀性能研究进展.科技导报，2010,28（9）：112-115.

[3]刘鹏，蔡健平，王旭东，等.飞机起落架材料防护技术现状及研究进展．装备环境工程，2011(2)：67—71.

[4]王融著.金属材料的腐蚀疲劳.[M]西安：西北工业大学出版社，2001.74.

[5]李鸿鹏，李锋，等.LY12CZ铝合金腐蚀疲劳研究进展.腐蚀科学与防护技术，2005vol17，No.3，175-177.