ld2cs腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率可靠性評(píng)估

1、第 3 4 卷 第 4 期 青 島 科 技 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) ( 自然 科 學(xué) 版 )Vo 1 ． 3 4No ． 42 0 1 3 年 8月J o u r n a lo fQi n g d a oUn i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dTe c h n o l o g y ( N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n )Au g ． 2 0 1 3文 章 編

2、號(hào) ： 1 6 7 2 — 6 9 8 7 ( 2 0 1 3 ) 0 4 — 0 3 9 7 — 0 5L D 2 C S腐 蝕 疲 勞 裂 紋 擴(kuò)展 速 率 可 靠 性 評(píng) 估 王玉 剛 ，李旭 東 ，穆志 濤 ， 朱 武峰 ( 海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū) ，山東 青島 2 6 6 0 4 1 )摘 要 ：L D2 C S鋁 合金 廣 泛應(yīng) 用 于飛 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 中 ， 在 腐 蝕 與 疲 勞環(huán)境 共 同作 用 下 ， 材 料 的使

3、 用壽命 會(huì) 大大 降低 。通過(guò) 對(duì)預(yù) 腐蝕 L D 2 C S合金 的研 究 ， 獲得 了一種 基 于可 靠性 的腐蝕 裂紋 擴(kuò)展 速 率表 達(dá) 式 ， 為預(yù) 測(cè)鋁 合金 構(gòu)件 的安全 壽命提 供 依據(jù) 。該 表 達(dá)式表 明 ， 即便 在腐 蝕條 件 下 ， 鋁 合金 裂 紋擴(kuò)展 仍 然存在 門(mén)檻 值 ， 而 且該 門(mén)檻 值會(huì) 隨 著腐蝕 損傷 變化 。關(guān)鍵 詞 ： 鋁 合金 ；腐蝕 ；可靠性 理論 ；疲 勞裂 紋擴(kuò)展 速 率 中圖分

4、類 號(hào) ： TG1 7 1 ： V2 5 2文 獻(xiàn)標(biāo) 志碼 ： A Re l i a b i l i t yBa s e dCo r r o s i o nFa t i g u eCr a c kGr o wi ngRa t eEv a l u a t i o no fLD2 CSAl u m i nu m Al l o yW ANG Yu — g a n g ，LIXu - d o n g ，M U Zh i 。 t a o ，

5、Z HU W u 。 f e n g( Qi n g d a oC a mp u so fNa v a lA e r o n a u t i c a lAc a d e my， Qi n g d a o2 6 6 0 4 1 ， C h i n a )Ab s t r a c t ：L D2 CSa l u mi n u m a l l o ya r ewi d e l ya p p l i e di na i r c r a f

6、ts t r u c t u r e ． Th ep r e s e n tt h e s i sma k ear e s e a r c ho nt h ef a t i g u ec r a c kg r o wt hr a t e( FC G)o fAA LD2 CSwi t hc o r —r o s i o nd a m a g e ，a n dp r o p o s ear e l i a b i l i t yb a s

7、 e dme t h o dt oe v a l u a t eF CG wh i c hp r o v i d e st h eb a s i so fa l l u mi n u m a l l o yc o m p o n e n ts a f el i f ep r e d i c t i o n ． Th eme t h o dd e mo n s t r a t et h ee x i s t e n c eo ff a

8、 t i g u ec r a c kg r o wt ho fa l u mi n u m a l l o ywi t hc o r r o s i o nd a ma g e ，a n dt h et h r e s h o l dv a l u ev a r i e swi t hc o r r o s i o nd a ma g eKe ywo r d s ：a l u mi n u m a l l o y ；c o r r

9、 o s i o n；r e l i a b i l i t yt h e o r y；f a t i g u ec r a c kg r o wi n gr a t e工 程界 常常 需要 利用 疲 勞裂紋 擴(kuò) 展速 率 的表 達(dá) 式來(lái) 估算 構(gòu)件 安全 壽命 [ 1 - 3 ] ， 精 確 的疲 勞裂 紋 擴(kuò) 展速 率 評(píng)價(jià)公 式 成為 工程 疲 勞評(píng)估 的基 礎(chǔ) 。理 論 上講 ， 完善 的疲 勞 裂 紋擴(kuò) 展 速 率 的表 達(dá)

10、式 應(yīng) 能 定 量 地表 明疲 勞裂 紋 擴(kuò) 展 速 率 與 各 主要 參 數(shù) ( 如 應(yīng) 力 強(qiáng)度 因 子 幅 度 △ K， 應(yīng) 力 比 R， 金 屬 力 學(xué) 性 能 等 ) 的關(guān) 系 ] ， 并 能與 大量 的試 驗(yàn)結(jié) 果對(duì) 應(yīng) 起 來(lái) 。但 是 由于疲 勞 問(wèn)題 本 身 存 在 很 大 的分 散性 ， 因此 評(píng)估 裂 紋擴(kuò) 展速 率并 不是 一項(xiàng) 簡(jiǎn)單 的工作 。文 獻(xiàn) E l i 給 出 的疲 勞 裂 紋 擴(kuò)展 速率 的 表達(dá)

11、式 合 理地 考 慮 了加載過(guò)程 中裂紋尖端 的鈍化效 應(yīng) ， 并 考慮 了疲 勞裂 紋擴(kuò)展 門(mén)檻值 的存在 ， 指 出控制 疲 勞裂紋 擴(kuò)展 的主要 參量是最 大 應(yīng)力 強(qiáng) 度 因子 K 與 門(mén)檻 應(yīng)力 收 稿 日期 ：2 0 1 2 - 0 8 — 2 8作者簡(jiǎn)介 ： 王玉剛( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 講師．* 通信聯(lián)系人 強(qiáng)度 因子 K n 之差 。 由于腐蝕疲 勞結(jié)果具有很 強(qiáng)的 分散性 ， 因此需要 對(duì) 實(shí)驗(yàn) 數(shù)

12、據(jù)進(jìn) 行 可靠 性 分析 ， 才 能夠?qū)Y(jié)構(gòu) 壽命 進(jìn)行具 有高可靠性 的評(píng)估 。本 研 究在 試驗(yàn) 的 基 礎(chǔ) 上利 用 文 獻(xiàn) [ 1 ] 給 出 的 疲勞 裂紋 擴(kuò)展 速 率 的 表 達(dá)式 ， 給 出一 種 獲 得 帶 有 可靠性 的疲勞 裂紋 擴(kuò)展 速率 表達(dá) 式 的方法 。1實(shí)驗(yàn)部分 1 ． 1 實(shí) 驗(yàn) 材 料 實(shí)驗(yàn) 材料 選用 L D2 C S鋁 合金 板材 進(jìn)行 ， 試樣 尺寸如 圖 1 所 示 ， 其 化 學(xué)成 分 列

13、于表 l ( 實(shí) 測(cè) 值 ) 。屈服強(qiáng) 度 2 5 5MP a ， 抗 拉 強(qiáng) 度 2 9 0MP a ， 延 伸 率 8 ． 9第 4期 王玉剛等 ： L D 2 C S腐蝕 疲勞裂紋擴(kuò)展速率可靠性評(píng)估 2 ． 2 基于 孔蝕 率 的腐蝕 損傷 的表 征 描述蝕坑在腐蝕試件 的分布 多采用孔蝕率 ：1 — 口 一 ÷ >： A×1 0 0，( 1 )A ： l式 ( 1 )中 ：為 腐蝕 表 面 上

14、蝕 坑 數(shù) 量 ； A 是 試 件 表 面 的 總投影 面積 ； A 代 表試 件 表 面 第 i個(gè) 腐蝕 坑 的投影 面積 。 因?yàn)槲g 坑形 狀過(guò) 于復(fù) 雜 ， 無(wú) 法 獲得 每 一 個(gè) 蝕 坑 的面 積 ， 式 ( 1 )無(wú) 法 直接 使 用 。 本 工 作 利 用 MATL AB對(duì)獲 得 的 腐 蝕 圖像 進(jìn) 行 數(shù) 字 處 理 ，獲 得試 件表 面孑 L 蝕率 。顯微 鏡采 集 到 的試 件 表 面 圖 像 是 真 彩 圖 像

15、，真彩 圖像 經(jīng)過(guò) 數(shù) 字 化 處理 可 以轉(zhuǎn) 換 成 灰 度 圖像 。將 真 彩 圖轉(zhuǎn) 化 為 M ×N 像 素點(diǎn) 陣 F， 像 素 點(diǎn) 陣 中 每個(gè) 點(diǎn) - 廠 ( i ， J )的數(shù) 值代 表 (， J )處像 素 點(diǎn) 的灰 度 值 ， 其 中 ： i 一 0 ， 1 ， ? ， N 一 1 。( a ) 灰度圖像 r 廠 ( O ， 0 )F — f∞M一1 , 0 )·O ， N 一1 )·1 ，

16、 N一1 )· f ( M一1 ． _ Ⅳ 一1 )N灰 度值 為 0表 示 全 黑 ， 灰 度 值 為 2 5 5表 示全 白 。 圖 3 ( b )為浸 潤(rùn) 4 8h的 L D 2 C S鋁合 金表 面灰 度 圖像 ( 圖 3 ( a ) )的局部 數(shù)據(jù)矩 陣 ， 圖 中微 小 區(qū)域 被 數(shù)字 化為 1 3 × 7的矩 陣 ， 矩 陣 中每個(gè) 元 素 代 表 像 素點(diǎn) 灰度值 ， 取 值均 在 0～ 2 5 5之

17、 間 ， 其 中最小 值 6 7 ， 表 示 該 區(qū) 域顏 色最 深 處 的色 值 ， 是 蝕 坑 區(qū) 域 ； 最 大值 2 5 4 ， 表示 該 區(qū)域 顏 色 最 淺 處 的 色值 ，是 基體 材 料 。 腐蝕 圖像 灰度 值 的 分布 體 現(xiàn) 了鋁 合 金 材料 表 面腐 蝕 的 狀 況[ 1。， 但 仍無(wú) 法 獲 得 孔 蝕 率 a ， 需將 灰 度 圖像 轉(zhuǎn)化 為二 值 圖像 ， 過(guò) 程如 下 。1 7 41 751 7 31

18、7 O1 73l 7 81 8 81 7 91 80l 7 71 7 4l 7 61 811 8 O1 7 0l 7 21 7 01 6 71 6 91 7 41 7 71 6 91 7 31 0 2l 2 61 02l 7 71 7 91 51l 5l1 471 4 01 381 4l1 4 29 09 08 67 97 67 96 71 311 331 3 11 2 51 241 3 01 271 7 46 43 4l 7 4l 9

19、 41 8 41 4 42 1 42 442 2 42 4 42 0421 42 2 42 5 42 5425 42 5 425 42 5 42 5 425 42 5 42 4 325 425 42 5 42 5 425 42 5 425 425 425 42 5 42 5 425 42 5425 425 425 42 5 42 5 4( b ) 數(shù)據(jù)矩陣 圖 3 浸潤(rùn) 4 8h試 件 灰 度 圖 像 及 其 數(shù) 字 矩 陣 Fi g

20、． 3Gr a y - s c a l ei ma gea n dd i g i t a lm a t r i xo fs pe c i m e ne x p o s e df o r4 8h設(shè)腐 蝕 圖像 的灰 度 閾值 為 k ， g ( i ， J )為 圖像 中位 置 為 (，)處 的像 素點(diǎn) 的二值 化 灰度 ， 則 在二 值 化 圖像過(guò) 程 中令 ：， ． ． 、f1 ，f ( i ， J )≥ k ；g，一Io ， 廠 (

21、，) < 忌 ?；P(guān) 系近 似為一 條 直線 ， 可 以用式 ( 3 )表示 。一 1 0 。。。 · ?！?4． 3 6× 1 0× 1 ． 0 3 3，( 2)式 ( 3 )中 代表 浸潤(rùn) 時(shí) 間 ， h 。元 素值 為 0的像 素點(diǎn) 是 純 黑 的像 素 點(diǎn) ， 表 示 該像 素 點(diǎn)位 于蝕 坑 位 置 。 元 素 值 為 1則 是 純 白 的 像 素點(diǎn) ， 表示 鋁 合金 基體 上 的像素 點(diǎn)

22、 。 統(tǒng)計(jì) 圖像 中 g ( i ， J )一 。的像 素 的數(shù) 量 。 這個(gè) 數(shù) 值 與 圖像 的總 像 素 比值就 是 孔蝕 率 a 。 灰 度 閾值 k 取 值過(guò) 大過(guò) 小 都會(huì) 導(dǎo) 致錯(cuò) 誤 的結(jié) 果 。 根 據(jù) 文 獻(xiàn) [ 1 1 ]的 研 究 ， 灰 度 閾值 k取 值 在 1 7 O～ 1 9 0之 間時(shí) 的計(jì)算 結(jié)果 比 較 穩(wěn)定 而且 準(zhǔn) 確 。 本 研究 取 k— l 7 0 ， 得 到 的孔 蝕 率 隨著 浸 潤(rùn)

23、時(shí) 間 的 變 化 曲線 見(jiàn) 圖 4 ( 每 個(gè) 浸 潤(rùn) 周 期 統(tǒng)計(jì) 3 個(gè) 試 件 的孔蝕 率 ) ， 在半 對(duì) 數(shù)坐標(biāo) 下 該變 圖 4 孔 蝕 率 隨 著 浸 潤(rùn) 時(shí) 間 的 變化 曲線 F i g ．4Su r f a c ed a ma g er a t i oo tv e r s u st h ee q u i v a l e n te x p o s u r et i me( 3 )¨¨¨&