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(jìn)行了許多研究,但都是單獨(dú)對(duì)某一方面進(jìn)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(duì)2A12GT4鋁合金進(jìn)行了加速環(huán)境試驗(yàn),并通過疲勞試驗(yàn)計(jì)算得到了細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度,得到了其與停放時(shí)間的函數(shù)關(guān)系式.在腐蝕預(yù)損傷和腐蝕疲勞方面，對(duì) LY12CZ鋁合金進(jìn)行了預(yù)腐蝕后的疲勞和腐蝕疲勞試驗(yàn),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(kuò)展速率.KIMBERLI等[12G14]對(duì) 2024 鋁合金及 7075 鋁合金的腐蝕損傷及疲勞壽命預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究.作者分別在實(shí)驗(yàn)室空氣和鹽水環(huán)境中,對(duì)未腐蝕和預(yù)腐蝕48h的7XXX 鋁合金試樣進(jìn)行了疲勞試驗(yàn),研究了腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對(duì)鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

將7XXX鋁合金加工成細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(qiáng)度截止值(DFRcutoff)試驗(yàn)方法»的要求進(jìn)行預(yù)制損傷,一邊用人工敲擊制作,另一對(duì)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(duì)其中的兩組試樣進(jìn)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境的溫度為(20±5)℃,相對(duì)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(yàn)時(shí)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(qiáng)度截止值試驗(yàn)方法進(jìn)行疲勞試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境和鹽水環(huán)境下的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下進(jìn)行應(yīng)力比R 為0.06的疲勞試驗(yàn).采用4級(jí)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(yàn)個(gè)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(yàn)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(duì)7XXX鋁合金細(xì)節(jié)疲勞性能的影響。

2.2 雙點(diǎn)法求解細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(yàn)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(duì)數(shù)坐標(biāo)系上, 連接相應(yīng)兩個(gè) N95/95點(diǎn)的直線與壽命 N =105 交點(diǎn) 的最大應(yīng)力即是該條件下試樣的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度 截止值,如圖2所示,求得的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值。

腐蝕預(yù)損傷和鹽水環(huán)境對(duì)鋁合金細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值為基準(zhǔn),則預(yù)腐蝕48h試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度截止值的保持率為67%.

2.3 腐蝕預(yù)損傷對(duì)鋁合金疲勞壽命的影響

在實(shí)驗(yàn)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(huì)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(qiáng),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(duì)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的疲勞壽命,且在低應(yīng)力幅值時(shí)這種差距更明顯;對(duì)于未腐蝕和預(yù)腐蝕48h試樣,在實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(duì)裂紋擴(kuò)展的加速作用是由裂紋擴(kuò)展和鹽水腐蝕過程的交互作用造成的,鹽水進(jìn)入裂紋尖端加速了裂紋擴(kuò)展.因此,鹽水環(huán)境對(duì)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(kuò)展,并產(chǎn)生與裂紋擴(kuò)展方向一致的放射狀臺(tái)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(qiáng),疲勞裂紋源在腐蝕坑底部萌生,大幅縮短了裂紋萌生的時(shí)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(jī)制(解聚)使得裂紋加速擴(kuò)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(duì)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)度截止值為基準(zhǔn)，預(yù)腐蝕48h試樣在實(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的細(xì)節(jié)疲勞額定強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度截止值的保持率為67%。

（2）在實(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)驗(yàn)室空氣環(huán)境下的疲勞壽命，且在低應(yīng)力幅值時(shí)這種差距更加明顯,實(shí)驗(yàn)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。