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环境与力学因素协同作用下的航空铝合金性能研究

何建平  
【摘要】: 超硬铝合金是重要的航空结构材料,广泛用于军用飞机和民用飞机的大梁、桁条、隔框等承力部位。由于环境腐蚀介质的侵蚀不可能完全避免,因此,有关超硬铝合金构件的腐蚀损伤,仍然是航空领域中十分重要的研究内容。 超硬铝合金在环境中的损伤,绝大多数情况下属于剥离腐蚀。超硬铝合金表面状态、环境条件的变化,均可能改变剥蚀的发展过程,为此,本文提出在恒温条件下,用电位法、电阻法定量研究铝合金的剥蚀性能。实验结果显示了LC4CS铝合金的自腐蚀电位与时间的关系,和腐蚀速率与时间的关系有着十分相似的规律,两者均在120分钟前后有不同的变化。从自腐蚀电位的变化规律可以推断,在腐蚀的初期阶段,铝合金表面自然生成的钝化膜逐渐溶解,使铝合金腐蚀速率快速增加。当腐蚀浸泡的时间大于120分钟后,腐蚀产物在铝合金表面产生了明显的位阻作用,从而使腐蚀速率逐渐下降,直至48小时后,腐蚀速率趋于一相对稳定的数值。 铝合金受外力作用,有可能裸露出新鲜金属,新鲜金属与其余已钝化的部分之间,存在耦合作用。实验结果显示,新鲜金属的自腐蚀电位随时间的增加而逐渐增大,如果时间足够长,自腐蚀电位将趋于稳定的数值。耦合状态下,新鲜金属的耦合电位正向移动的速率极快,在40秒钟后已接近于铝合金稳定的自腐蚀电位。根据耦合作用理论,获得了耦合电位、裸露的新鲜金属腐蚀速率的数学表达式,数学模拟所得的耦合电位与时间的关系,和实验结果有较好的一致性。 将上述耦合理论应用于铝合金的裂纹尖端,并据此研究裂尖的电化学行为,发现铝合金新鲜表面的溶解速率随应变速率的增加而增大。应变速率愈大,耦合电流随时间增大的速率也愈快,但几乎均在应变量为0.04左右时,耦合电流呈急剧增大的趋势。 腐蚀减少了铝合金构件总的承载能力,也对其强度产生影响。环境介质的组成、形态是影响腐蚀疲劳裂纹扩展的重要因素。3.5%NaCl溶液和3.5%NaCl薄液层的化学组成几乎完全相同,只是薄液层中氧的传质速率较快。实验结果显示了在薄液层中,LC4CS铝合金的湿腐蚀疲劳裂纹扩展速率,大于在3.5%NaCl溶液中的速率。实验还发现其疲劳断口的形貌,也与3.5%NaCl溶液中的有明显区别。阳极氧化是提高铝合金耐蚀能力的常用方法,如果从疲劳性能的角度考虑,经硫酸阳极氧化的铝合金腐蚀疲劳性能比铬酸阳极氧化的更好一些。 再将“耦合作用”的猜想,引入铝合金的腐蚀疲劳裂纹扩展过程中,用电化学的方法测定耦合电流与加载时间的关系,并从理论上导出LC4CS铝合金应力腐蚀裂纹扩展速率的数学表达式,数学模拟的结果与实验值具有较好的一致性。


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