环境影响下的多尺度轻金属合金高周疲劳失效机理及对策研究

It is a fact for the environmental corrosion on the strength degradation of metal, such as the effect of water humidity and oil component on the high cycle or super high cycle fatigue strength of light metals can not ignored. To avid the corrosion fatigue damage of light metals, it is one of effective methods that is a smear layer on the surface of light metals. The emphasis of the present work is to investigate the behaviors and characteristics of enhanced strength for the light metals in the high cyclic fatigue (HCF) (10E7-10E8) failure under the different environmental water humidity and oil components by using the dual-spindle rotating bending fatigue testing machine, which include to the compared with the difference of S-N curves for the samples with the different smear layer thicknesses. On the other hand, the emphasis of the present work is to investigate the mechanism of fatigue micro crack initiation and propagation behavior of light metals at the different loading-thermal-corrosion states by using scanning electron microscope (SEM) in-situ observation including to explaining how the corrosion micro defects and interface micro crack are evolved in local stress or strain concentration by experimental observations and finite element analysis (FEA). At the same time, the effects of different environmental corrosion states and coating layer thickness on the fatigue strength degradation or enhanced domination factors of light metals will be discussed by these experimental results and FEA. Based on above the quantitative characteristics of fatigue life and small crack propagation rate under these experimental conditions, the reasonable coating layer thickness can be designed and the remaindered fatigue life can be estimated based on the small crack propagation equation such as the term of , where constants depend strongly on the experimental conditions which are the corrosion states, applied loading type, coating layer thickness, kinds of light metals etc.

环境腐蚀是降低金属强度的一个不争事实，水（油）对轻金属材料的疲劳强度在高周或超高周中的劣化也有较强的影响；另一方面，研究表明2024铝合金表面的微氧弧涂层对疲劳性能则有增强的效果。然而这些工作对其疲劳劣化或增强形成机制尚缺乏清晰、翔实的实验证据，更缺乏足够的微观变形、断裂的实验观察和理论分析。因此，基于我国现有环境特点，选择抗腐蚀能力差的铝、镁合金材料，在多场(力-热-腐蚀)、多尺度下对其疲劳失效机理开展研究，寻找一种合理的微氧弧涂层厚度提高其抗疲劳能力。研究分为：微观尺度-用SEM原位试验方法针对高周疲劳失效机制，研究不同湿度、不同油成分对上述合金疲劳微裂纹萌生与扩展行为定量表征，得到其疲劳裂纹扩展速率方程式为预测其寿命提高一种方法；宏观尺度-用带腐蚀系统的旋转弯曲实验法研究循环次数为10E(7-8),不同微氧弧涂层厚度抵抗环境影响下材料的疲劳寿命增强行为及表征，提出合理的涂层厚度依据。

本项目主要针对轻金属之一的铝合金（2xxx,5xxx,6xxx及7xxx系列）容易在海水环境下出现腐蚀疲劳问题。而现有的铝合金材料环境疲劳研究方法多采用预腐蚀-再机械疲劳试验的方法，用等效疲劳寿命的概念预测铝合金特别是高强度铝合金的疲劳强度（剩余寿命）。这种研究思想与实际结构材料存在一定误差，因此，本项目提出了环境条件下的疲劳寿命试验方法，通过改变不同人工海水含盐量（3.5wt.%NaCl,5.0wt.%NaCl）的液体环境，分别对上述4种铝合金材料进行了300多根试验样品的高周（超高周）疲劳寿命试验（试验循环次数104-108）。宏观的S-N曲线数据表明：各种铝合金在人工海水环境下的耐腐蚀疲劳性能的能力各异；人工海水对循环次数、应力水平（变形）大小的影响程度有很大关系；60%以上的湿度（纯净水）对低强度铝合金（2xxx）影响可以忽略不计，但对高强度铝合金（7xxx）有一定影响；环境腐蚀疲劳寿命低于同一应力水平下的材料预腐蚀疲劳寿命，因此，基于预腐蚀疲劳寿命方法预测的剩余寿命偏危险。微观尺度下的断口分析结果表明：上述宏观上的环境、材料微结构等因素的差异能用微观损伤机制的差异进行表征；特别是腐蚀疲劳的损伤规律依赖与塑性变形量的大小和电化学耦合机制；特别是这些因素诱导的疲劳裂纹萌生位置、数量、疲劳裂纹稳态扩展痕迹（zigzag）微米宽度差异以及裂纹扩展方向等等均可以与宏观寿命数据联系；在对铝合金腐蚀疲劳损伤机制及影响因素认识的基础上，提出了用微弧氧化陶瓷涂层加环氧树脂封孔处理技术，分别讨论了10微米、15微米、20微米及30微米涂层厚度的腐蚀疲劳寿命试验和断口分析，得到了各种厚度下7xxx系列铝合金的相对腐蚀强度 (=NaCl/air)与腐蚀疲劳寿命之间的变化规律及优化结果。首次在国际上报道了微弧氧化陶瓷涂层增强铝合金机械疲劳强度和腐蚀疲劳强度。这些重要结果和关键参数对进一步认识和深入理解铝合金（镁铝合金）的腐蚀疲劳损伤机制，建立预测其腐蚀疲劳剩余寿命具有重要的科学意义，也是我们后续的自然基金项目“11572170，环境诱导的涂层-基体疲劳损伤行为及关键力学问题研究”的重要基础，有望揭示陶瓷硬涂层-铝合金软基体在腐蚀疲劳损伤中的演化规律和影响机制。