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本研究系统探究2050-T84 Al-Li合金腐蚀疲劳裂纹扩展的关键因素，包括亚晶结构、腐蚀产物层、应力比及加载方向，通过实验与模拟分析，建立了预测模型并验证其有效性。
赵超|梅宇|钟阳|赵振江|贾学教|贾晓|王俊|卢天一|李松梅|刘建华
中国北京100191，北航大学材料科学与工程学院，热带海洋工程材料与材料评估国家重点实验室
摘要
腐蚀疲劳裂纹的扩展行为对航空航天部件的结构完整性和安全服役寿命至关重要。本研究系统地研究了影响2050-T84 Al–Li合金腐蚀疲劳裂纹扩展的关键因素，特别关注了亚晶微观结构、腐蚀产物层、应力比和加载方向的作用。在亚晶内部，位错和分布式的沉淀物导致局部应力集中，从而改变了腐蚀疲劳裂纹的扩展路径。亚晶内的密集腐蚀坑减缓了裂纹尖端的应力集中，促进了裂纹偏转和随后的裂纹闭合。腐蚀产物层改变了合金表面与裂纹内部之间的电化学势梯度，直接影响裂纹尖端的阳极溶解速率，进而影响裂纹扩展速率。基于这些见解，开发了一个腐蚀疲劳裂纹扩展的预测模型，并通过实验数据进行了验证，结果表明预测结果与实际观察结果高度一致。
引言
Al-Li合金的高强度密度比和优异的疲劳抗性使其在航空航天工业中得到广泛应用[1],[2],[3],[4],[5]。尤其是第三代2050-T84 Al-Li合金已被用于飞机结构部件，如机身蒙皮、机翼和框架[6],[7]。航空航天领域的材料通常承受的疲劳载荷远低于其屈服强度，由疲劳载荷引起的失效通常是结构部件材料的主要损伤形式[8]。因此，材料不仅需要具备适当的静态强度性能，还需要确保其在服役过程中表现出优异的疲劳性能[9]。此外，Al-Li合金复杂的微观结构使其容易发生腐蚀[10],[11],[12],[13],[14],[15]。腐蚀损伤会降低铝合金的疲劳寿命，长期暴露在复杂的外部环境中会导致合金的疲劳和腐蚀失效。腐蚀疲劳裂纹扩展作为最常用的材料损伤耐受性指标之一，对材料的安全性和可靠性至关重要[16]。特别是对于大型飞机结构部件，腐蚀疲劳裂纹扩展阶段占据了总腐蚀疲劳寿命的主要部分[17]。因此，有必要深入研究Al-Li合金在腐蚀环境中的疲劳裂纹扩展机制，准确预测其腐蚀疲劳裂纹扩展速率，以便对Al-Li合金的性能进行评估并确保飞机结构的安全服役。
在以往的研究中，从多种角度阐明了铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的影响机制。载荷频率[18]、微观结构[19]、腐蚀坑[20]和腐蚀产物[21],[22],[23]等因素对合金的腐蚀疲劳裂纹扩展有显著影响。这些影响因素可分为三类：(1)疲劳载荷，(2)材料本身，(3)腐蚀环境。对于第一类因素，Menan等人[18]研究了载荷频率对2024-T351铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。作者发现，在低频率（0.1 ～ 1 Hz）下，腐蚀疲劳裂纹扩展速率低于高频率（2.5 ～ 10 Hz）下的扩展速率，这是因为高裂纹尖端应变率抑制了钝化膜的形成，从而阻止了氢的生成。随后氢的侵入和移动位错的阻碍导致了材料的脆化。对于第二类因素，Jones等人[19]研究了晶界等微观结构对7075-T6铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的影响。作者发现，当裂纹接近或到达晶界时，腐蚀疲劳裂纹停止扩展。对于第三类因素，腐蚀环境的影响主要源于合金表面形成的腐蚀坑和腐蚀产物。Song等人[20]发现，轻微腐蚀坑引起的裂纹偏转和严重腐蚀坑引起的裂纹闭合都对合金的腐蚀疲劳裂纹扩展产生了影响。此外，Chemin等人[21]研究了盐水腐蚀环境对7475-T7351铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展的影响，发现裂纹前沿形成的氧化物和腐蚀产物导致裂纹闭合，降低了裂纹扩展速率，从而使试样的疲劳寿命比在空气中测试的试样延长了约10倍。
基于这些影响因素，研究人员建立了一系列铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的预测模型。Kovalov等人[24],[25]通过定义有效裂纹长度和载荷频率对裂纹内外腐蚀环境的影响，建立了铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的预测模型。载荷频率的增加导致裂纹快速开启和闭合，从而增强了腐蚀溶液渗透到裂纹内部的能力。这导致有效裂纹长度减小和裂纹内部的电位降增加，进而提高了腐蚀疲劳裂纹扩展速率。该模型建立了载荷频率、裂纹尖端的腐蚀电流密度和腐蚀疲劳裂纹扩展速率之间的关联。然而，该模型忽略了铝合金复杂微观结构对其腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响。Wang等人[26]基于断裂力学原理建立了铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的表达式，即，其中Bcf是腐蚀疲劳裂纹扩展系数，这是一个对腐蚀环境敏感的材料参数。他们认为，与实验室干燥空气相比，3.5 wt.% NaCl环境增加了Bcf值，从而提高了合金的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。该模型提取了腐蚀环境对疲劳裂纹扩展速率的影响，但缺乏腐蚀环境、材料微观结构和疲劳性能之间耦合机制的考虑。
尽管已有研究提出了铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的预测模型，但这些模型都是将铝合金视为均质理想材料建立的，忽略了铝合金复杂的微观结构。腐蚀疲劳是一个多因素相互耦合和影响的过程。合金的腐蚀是一个随时间演变的动态过程，在建立模型时应考虑这一动态因素。因此，有必要对新一代2050-T84 Al-Li合金在腐蚀环境中的疲劳裂纹扩展影响因素进行深入研究，并总结关键影响因素，以建立其腐蚀疲劳裂纹扩展速率的预测模型。本研究解决了两个主要研究目标。首先，利用腐蚀疲劳裂纹扩展试验、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、电化学测试、第一性原理计算和有限元模拟等方法，研究了亚晶、腐蚀产物层、应力比和加载方向等因素对2050-T84 Al-Li合金腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响机制。其次，确定了关键影响因素，并基于这些因素建立了2050-T84 Al-Li合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的预测模型。通过将预测数据与实验结果进行比较，验证了模型的准确性。
材料制备
本研究中使用的2050-T84 Al-Li合金购自西南铝业（集团）有限公司。用于腐蚀疲劳裂纹扩展试验的试样为预裂紧凑拉伸（CT）试样。选取了合金厚板（厚度为100mm）的四分之一层和中间层作为取样位置（图1a）。CT试样的尺寸如图1b所示，预制裂纹的长度为2 mm。通过结合逆极图（IPF）图（图1c和1e）进行...
腐蚀疲劳裂纹扩展试验
图2展示了2050-T84 Al-Li合金在空气中和3.5 wt.% NaCl溶液中，应力比为0.1时的da/dN-ΔK曲线以及相应的Paris定律拟合曲线。用于拟合的Paris定律由方程（1）给出：其中C和m是材料依赖的常数，称为疲劳裂纹生长材料常数。这些常数可以通过疲劳试验确定。Paris定律拟合结果如图2(c)所示。
结论
本研究探讨了亚晶、腐蚀产物层、应力比和加载方向如何影响2050-T84 Al-Li合金在3.5 wt.% NaCl溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展机制。随后基于识别出的关键因素建立了腐蚀疲劳裂纹扩展速率的预测模型。可以得出以下结论：
- (1)
在腐蚀疲劳试验中，合金亚晶的腐蚀导致形成了密集的腐蚀簇
作者贡献声明
梅宇：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、方法论制定、概念构建。赵超：撰写 – 初稿撰写、方法论制定、实验研究、数据分析、概念构建。李松梅：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、监督。刘建华：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、监督。王俊：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、监督。卢天一：撰写 – 审稿与编辑、结果验证、监督。贾学教：撰写 – 审稿与编辑
致谢
本研究得到了中央高校的基础研究基金的支持。作者感谢北航大学的分析与测试部门对SEM、TEM和SKP设备测试的支持，同时也感谢北航大学的高性能计算平台对第一性原理计算的支持。
