南中国海腐蚀环境与疲劳载荷交替作用下飞机铝合金结构疲劳性能退化规律及跨尺度破坏机理研究

为了认识并掌握南中国海环境中飞机铝合金结构的力学行为和跨尺度破坏机理，本项目针环境和飞机使用特点，从电化学、力学、材料学和强度学入手，在实验室环境下，选择温度、相对湿度、盐雾、时间和应力水平等实验参数，采用预腐蚀及疲劳交替试验的方法，对高强度铝合金的腐蚀疲劳机理、腐蚀行为、环境损伤与交变载荷损伤交替作用规律进行系统研究，获得材料\环境\交替时间\疲劳性能之间的量化关系，即退化规律；理论上将原子模型嵌入到连续介质模型中，采用分子动力学和有限元方法，建立描述结构局部损伤演化到整体破坏的跨尺度耦合模型，对表面腐蚀损伤处微裂纹成核以及微裂纹群演化所形成的广布宏观裂纹扩展进行多尺度模拟计算，得到腐蚀损伤结构在交变载荷作用下的微裂纹萌生寿命和宏观裂纹扩展寿命，为南中国海环境下飞机铝合金结构损伤演化定量评估奠定理论。

为了认识并掌握南中国海环境中飞机铝合金结构的力学行为和跨尺度破坏机理，本项目针对环境和飞机使用特点，从电化学、力学、材料学和强度学入手，主要研究工作和取得的成果如下：(1)根据铝合金材料的腐蚀机理和各种环境因素影响疲劳性能的显著程度，将南中国海海域和亚丁湾海域气象数据按环境谱编制原则进行筛选简化，编制了南中国海环境下航空铝合金材料服役环境谱；同时以周期浸润加速腐蚀方法为桥梁，分别采用当量折算和腐蚀程度对比的方法，建立了铝合金材料加速腐蚀的当量折算关系。(2)通过腐蚀试验设计，基于KH-7700光学显微镜测量的腐蚀损伤，改进了表面腐蚀损伤度的计算方法，得到了南中国海铝合金的腐蚀损伤演化规律；(3)进行了不同腐蚀时间和腐蚀温度下的腐蚀与疲劳交替试验，利用光学显微镜记录了不同温度—时间—腐蚀损伤信息。研究了在不同腐蚀时间和温度下腐蚀和疲劳交替作用对2A12铝合金材料宏微观断裂行为和疲劳性能退化规律的影响。(4)进行了6组应力水平和3组应力比下2A12铝合金标准试验件的疲劳试验，通过微观显微断口分析了不同应力水平和不同应力比对疲劳裂纹成核和裂纹扩展的影响。(5)模拟飞机服役环境，进行了铝合金标准试验件和螺栓搭接件的预腐蚀试验。分析了腐蚀对疲劳裂纹扩展的影响。建立了基于微观结构把腐蚀坑看作表面裂纹的几种模型和不同腐蚀程度对应的搭接件疲劳裂纹扩展寿命计算模型。(6)基于Voronoi方法和分子动力学建立了铝合金跨尺度的有限元分析模型，并分析了加载条件下Al结构应力应变规律和裂纹扩展规律。该项目所取得的研究成果为南中国海环境下飞机铝合金结构损伤演化定量评估奠定理论基础。