杨强 高鹏 何肖 仇振国 刘新 韩康宁 白春玉 朱亚新

摘要：航空铝合金材料在实际应用中经常受到环境腐蚀与重复冲击载荷的联合作用，出现腐蚀损伤并引发冲击疲劳破坏。本文通过盐雾腐蚀试验、落锤冲击试验、SEM扫描表征等方法，研究了在不同盐雾腐蚀时长下AA 6061-T6铝合金的腐蚀损伤，以及不同冲击能量对AA 6061-T6铝合金缺口三点弯曲试样的冲击疲劳寿命的影响，并探讨了盐雾腐蚀对材料的冲击损伤机理的影响。试验结果显示，试样U形缺口处的损伤程度随着盐雾腐蚀时长的增加而加剧，腐蚀时间越久，点蚀坑越深，并伴随生成大量的腐蚀微裂纹；随着冲击能量增加，缺口三点弯曲试样的冲击疲劳寿命呈明显降低的趋势，并且不同轧制方向的AA 6061-T6铝合金试样的冲击疲劳寿命具有显著差异；盐雾腐蚀48h试样的冲击疲劳寿命略高于未腐蚀试样的寿命，呈现寿命反常现象，但随着盐雾腐蚀时间继续增加，试样的冲击疲劳寿命又逐渐下降。

关键词：中性盐雾腐蚀；冲击；疲劳寿命；损伤机理

中图分类号：O341文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.12.012

基金项目：国家自然科学基金（12072122）

材料与结构在冲击疲劳载荷下的失效特性往往不同于常规疲劳失效[1-2]。冲击载荷具有作用时间短、速度快、应变率高等特点，这些因素导致材料冲击特性呈现出与冲击能量、应变率的相关性。冲击疲劳是指结构或材料在多次和频繁的冲击载荷作用下，在材料或结构的薄弱部位产生损伤并逐步累积，逐渐发育成裂纹并在持续的冲击载荷作用下继续扩展，最后完全断裂的现象。冲击疲劳在航空航天工程中大量存在，舰载机的弹射起飞、拦阻着舰都涉及典型的冲击疲劳问题。冲击疲劳和单次冲击或常规疲劳不同。在冲击过程中，随着冲击载荷多次加载，断口下产生了更多的解理面和更小的塑性区扩展[3-4]。另外，冲击疲劳下的损伤机理也与常规疲劳损伤机理具有较大差异。

环境腐蚀不仅会引起材料表面的腐蚀损伤，也会加速由腐蚀坑萌生的疲劳短裂纹的萌生和扩展，降低材料的断裂韧性，减小临界裂纹尺寸，大大缩短裂纹形核以及扩展所需的时间，最终也使得材料与结构的疲劳寿命显著下降[5-6]。舰载环境（盐雾和海水）是严重的腐蚀环境[7-8]。杨东方等[9]根据舰載机起落架的服役环境，提出了腐蚀冲击疲劳的概念，研究了3.5%的NaCl水溶液对300M和AF1410两种材料的冲击疲劳行为的影响。结果表明，两种材料在无腐蚀的正常条件下，冲击疲劳寿命十分接近，经历盐水腐蚀后，两种材料的疲劳寿命有不同程度的下降。300M钢的疲劳起始寿命和扩展速率呈现出约40%的较大幅度下降，而对AF1410钢在盐水介质中的疲劳起始寿命是其在空气中的73%，但其裂纹扩展寿命几乎没有变化。原因是在盐水介质中，氢脆会加速300M钢冲击疲劳裂纹的萌生和扩展，使得局部塑性变形区优先腐蚀促使AF1410钢的裂纹萌生。郝雪龙等[10]研究了中性盐雾预腐蚀对AF1410高强度钢疲劳寿命的影响，结果表明，AF1410钢发生了全面腐蚀，随着腐蚀时间的延长，腐蚀损伤程度增加，在疲劳加载过程中易形成较多的疲劳裂纹扩展源而导致疲劳断裂失效。

铝合金具有密度小、比强度高、延展性好、抗腐蚀性强，以及加工性能优异等优点，在生产生活中的需求日益增加。其中，6xxx系铝合金被广泛应用于汽车制造工业中，以解决汽车轻量化的问题[11]。在铝合金的腐蚀力学性能方面，学者们也进行了大量的研究[12-15]。黄桂桥等[12，15]研究了10种铝合金在青岛海域的海洋环境中长达16年的腐蚀行为，对铝合金分别在海水潮汐区、飞溅区和全浸区的腐蚀结果和影响因素进行了深入探讨。显然，暴露在自然环境下的腐蚀一般都经历非常长的试验周期，需要几年甚至十几年的时间，给试验人员进行长期准确试验带来巨大挑战，同时试验结果容易受外界环境变化的影响。中性盐雾试验是目前应用最广泛的人工模拟盐雾试验，所模拟腐蚀的环境与沿海地区的大气环境相似度高[16]。宋海林等[13]研究了循环交变加速盐雾（CCT）和铜离子乙酸加速盐雾（CASS）下AA 6061-T6铝合金的加速腐蚀行为。结果表明，两种盐雾环境下AA 6061-T6铝合金的腐蚀行为类似，但CASS较CCT腐蚀周期更短，腐蚀更严重。目前，对AA 6061-T6铝合金腐蚀环境下的冲击疲劳寿命研究还比较缺乏。

在材料与结构复杂的服役环境中，腐蚀和冲击是影响服役寿命两个不可避免的重要因素。腐蚀作用对材料冲击疲劳寿命的影响不可忽略。因此，本研究采用间隔喷雾方式的中性盐雾腐蚀试验方法，对AA6061-T6铝合金进行了不同时长的预腐蚀，研究了AA6061-T6铝合金在不同预腐蚀时长下的腐蚀程度；同时，采用落锤冲击试验，开展了预腐蚀后的AA 6061-T6铝合金含缺口三点弯曲试样的冲击疲劳试验，研究了中性盐雾腐蚀对AA6061-T6铝合金冲击疲劳寿命的影响，并对其腐蚀机理和冲击疲劳损伤机理进行了探讨。

1试验方法

1.1试样制备及盐雾腐蚀试验

本试验采用商业AA 6061-T6铝合金，其化学成分见表1，力学性能见表2。

中性盐雾腐蚀试验根据国家标准GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀实验盐雾实验》的试验规范，金属及其合金采用中性盐雾试验方法。将AA6061-T6铝合金按照图1所示的几何尺寸加工成含U形缺口的三点弯曲试样。其中，试样长度为80mm，截面尺寸为20mm×20mm；U形缺口直径和缺口深度均为3mm；缺口处粗糙度控制为0.4，其他加工技术要求如图1所示。本试验中所使用的中性盐雾腐蚀液为浓度5%的氯化钠溶液。中性盐雾腐蚀试验采用间隔喷雾的方式：喷雾12h、间隔12h为一个循环。试验周期分别为48h、96h和168h，其盐雾试验设计参数见表3。在完成既定的盐雾腐蚀周期后，将试样浸入到无水乙醇中，随后放入超声清洗机中清洗15min。清洗完毕后，取出进行干燥处理，并将处理过后的试样干燥保存。为了获得试样U形缺口处的腐蚀情况，我们借助光学显微镜和SEM扫描电子显微镜等显微设备进行观察和分析。

1.2冲击疲劳试验设计

由于缺乏关于冲击疲劳方面的试验规范，本冲击疲劳试验参照了GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击实验方法》相关的试验规范，并自主设计了自动加载落锤冲击试验设备。落锤冲击测试系统的试验原理是将一定质量的锤体提升至设定高度，然后静止释放，锤体自由落体冲击到试样上。反复冲击疲劳测试系统如图2（a）所示，该设备的主要特点是可以实现2～3次/min的自动冲击功能。锤头为图2（b）所示的R2规范的楔形锤头，宽度为25mm。为防止自动冲击过程中，试样受冲击弹落，我们设计了如图2（c）所示的弱接触式约束支座：采用弹簧顶丝约束试样在侧向和竖向的位移，保证每次冲击时试样对中程度达标。在冲击过程中，联合使用力值传感器、高速数据采集卡、速度传感器，来测量冲击过程中锤体冲击力以及速度的变化，从而确定锤头冲击试样过程的力—位移—能量曲线，实现冲击过程分析，反映试样的多次冲击疲劳性能，并通过能量转换公式计算得到单次冲击下试样吸收的能量[17]。

在进行冲击疲劳寿命测试时，选取未预腐蚀试样、预腐蚀48h、96h和168h试样，在不同的冲击能量（分别为15J、17J和20J）下，完成AA 6061-T6铝合金缺口三点弯曲试样的冲击疲劳寿命测试，并记录相关试验数据。为了验证重复性，每组试样测试两次，但平行轧制方向AA 6061-T6铝合金试样在20J能量下只测试一次。另外，为了方便统计，以试样完全断裂所需的冲击次数作为其冲击疲劳寿命。在试样断裂后，做好断口保护，并在SEM扫描电子显微镜下进行断口微观形貌观测。

2结果与讨论

2.1中性盐雾腐蚀缺口形貌分析

图3为不同预腐蚀时长试样去除腐蚀产物后，U形缺口处的宏观腐蚀形貌。与图3（a）相比，图3（b）和图3（c）中缺口失去金属光泽并出现黑色不规则的点蚀坑。随着预腐蚀时长由96h延长至168h，缺口处颜色逐渐加深并且分别均匀，表明腐蚀程度随腐蚀时长的增加而更加严重。

为進一步观察缺口处的腐蚀情况，使用扫描电子显微镜对腐蚀168h的试样进行观察。从图4（a）中可以看出，经过腐蚀后，缺口根部可观察到大小不均匀、形状不规则的点蚀坑，腐蚀时间越久，点蚀坑越深，分布越密集。对图4（a）中A和B区域进行放大，如图4（b）和图4（c）所示。从图4（b）和图4（c）中，可以看到大量的腐蚀微裂纹。不同区域，腐蚀程度也不同。随着腐蚀地进行，这些微裂纹将扩展和汇聚，导致出现腐蚀剥落现象。对图4（c）中的1区和2区进行EDS能谱分析，结果如图5所示。在1区中，Al元素与O元素密度相当，2区中Al元素密度高于O元素。而1区处于缺口顶部而2区处于缺口底部，这说明表层的氧化物正处于腐蚀剥落阶段[18]。

2.2盐雾腐蚀对冲击疲劳寿命的影响

本文采用落锤冲击试验研究了盐雾腐蚀后，AA 6061-T6铝合金材料不同冲击能量与其冲击疲劳寿命之间的关系。材料微观结构对其宏观力学性能具有重要影响。因此，为了探究AA 6061-T6铝合金材料微结构对疲劳寿命的影响，在加工试样时，分别沿平行轧制方向（RD）和垂直轧制方向（TD）切割三点弯曲试样。在冲击疲劳寿命测试时，以平行轧制方向试样和垂直轧制方向试样两组试验进行对照。平行于轧制方向试样的冲击寿命结果见表4，垂直于轧制方向试样的冲击寿命结果见表5。为了更直观地观察冲击寿命与冲击能量与腐蚀天数之间的关系，将试验数据绘制在图6中，图中的虚线为引导线。

试验结果表明，随着冲击能量增加，平行轧制方向和垂直轧制方向的AA 6061-T6铝合金试样的疲劳寿命均呈明显降低的趋势。低能冲击能量下试样冲击寿命的分散性高于高冲击能量下的试样冲击寿命。此外，不同轧制方向试样的疲劳寿命也有较大的差别：平行于轧制方向试样的疲劳寿命明显高于垂直于轧制方向试样的疲劳寿命。同样的冲击能量和腐蚀程度下，垂直轧制方向试样的冲击疲劳寿命约为平行轧制方向试样疲劳寿命的50%～70%。众所周知，轧制材料具有织构效应，在不同的轧制方向，材料的微结构具有显著差异[19-21]。因此，正是由于平行于轧制方向试样与垂直于轧制方向的微结构与载荷的相对取向不同，导致两者的冲击疲劳寿命具有显著差异。在材料冲击疲劳的研究中，有必要将材料微结构与冲击疲劳寿命进行关联研究。随着AA 6061- T6铝合金盐雾腐蚀天数的增加，两种轧制方向的AA 6061-T6铝合金试样表现出相似的规律，如图6中的引导线所示。经过48h盐雾腐蚀后，不同冲击能量下试样的冲击疲劳寿命略高于未腐蚀试样的寿命，显示出异常的盐雾腐蚀作用。然而，随着盐雾腐蚀程度的加深，15J和17J能量下的冲击疲劳寿命又呈现逐渐递减的趋势，这种趋势在垂直轧制方向试样的寿命中尤其明显，如图6（b）所示。需要指出的是，在20J较大能量的冲击下，两种轧制方向的试样均显示出盐雾腐蚀时间对材料的疲劳寿命无太大影响。

2.3冲击疲劳损伤机理分析

为了进一步了解冲击疲劳下，材料的损伤断裂机理，以及盐雾腐蚀对AA 6061-T6铝合金试样冲击损伤的影响，我们对不同腐蚀天数的试样断口进行了整体SEM扫描分析，如图7所示（虚线代表U形缺口根部所在位置）。整体上看，不同盐雾腐蚀时长对断口形貌没有特殊影响。传统的疲劳断口一般分为三部分，即疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬断区[22]。裂纹扩展区和瞬断区是研究疲劳损伤机理的重点观察的区域。因此，接下来先对冲击疲劳破坏断口U形缺口根部和断面中上部位进行详细分析。

图8给出了不同腐蚀时长试样断面邻近缺口根部（图7中红色方框位置）的SEM放大图。由图中可以看出，在裂纹扩展区，4种不同腐蚀时长的试样断口形貌非常相似，呈现出大量韧窝和撕裂脊，韧窝尺寸从几微米到十几微米不等。另外，在图8（a）和图8（b）所示的未腐蚀试样和腐蚀48h试样断口裂纹扩展区中，还可以看到台阶状的疲劳条纹，而在腐蚀96h和168h试样断口裂纹扩展区中则未观测到明显的疲劳条纹。此外，对图7中黄色圆圈内所示的裂纹瞬断区进行详细的SEM扫描观测，结果如图9所示。从图中可以看出，不同腐蚀时长的试样断口瞬断区特征也基本相似，有大量的韧窝存在，且韧窝分布较为均匀。与扩展区的断口相比，瞬断区的韧窝尺寸更大，均在10nm以上，部分韧窝尺寸超过20nm。结合图8和图9的分析可以得出结论：盐雾腐蚀对裂纹扩展区和瞬断区几乎没有影响，影响试样冲击疲劳寿命的主要因素在于盐雾腐蚀对疲劳源的影响。因此，需要进一步分析盐雾腐蚀对疲劳源形核的影响。

疲劳裂纹源的形核位置主要与材料本身的缺陷或者试样加工时引入的表面损伤有关[23]。盐雾腐蚀会加深试验表面的损伤程度，从而促进冲击疲劳裂纹源的形核。然而，根据表4和表5中的冲击疲劳寿命分析，盐雾腐蚀48h试样的寿命略高于未腐蚀试样的寿命，呈现反常的现象。由于无法对疲劳裂纹源的形核进行直接观测，只能对影响试样疲劳裂纹源形核因素进行分析。对不同的腐蚀试样，加工条件是一样的，因此加工条件不会影响不同腐蚀时长试样的疲劳裂纹源形核。可能的原因就在于不同腐蚀时长改变了试样表面的损伤或缺陷程度。因此，我们对不同腐蚀时长的试样U形缺口根部表面进行了详细的SEM观测。不同腐蚀时长试样缺口根部的表面形貌如图10所示。可以看出，由于加工条件的限制，未腐蚀试样表面存在较多刺突，呈现比较大的粗糙度，如图10（a）所示。然而，经过48h盐雾腐蚀，试样表面刺突被腐蚀脱落，试样表面形貌变得均匀，粗糙度得到改善，如图10（b）所示。但腐蚀96h和168h后，由于腐蚀程度较大，试样表面出现了明显的腐蚀坑，表面粗糙度又重新恶化，如图10（c）和10（d）所示。通常，表面粗糙度高的试样不容易形核疲劳裂纹；而粗糙度越差，越容易出现疲劳裂纹形核。因此，通过表面粗糙度的分析，可以得出结论：正是盐雾腐蚀对试样表面粗糙度的影响程度差异，导致不同腐蚀时长的试样冲击疲劳寿命存在差异。由于盐雾腐蚀48h的试样表面粗糙度优于未腐蚀试样，导致腐蚀48h试样的寿命略高于未腐蚀试样寿命，呈现寿命反常现象。而腐蚀96h和168h的试样表面粗糙度又逐渐变差，导致其冲击疲劳寿命又逐渐下降。如果控制试样U形缺口初始表面粗糙度更低，初始表面更光洁，将不会出现经过盐雾腐蚀后表面粗糙度反而改善的情况。这样，试样的冲击疲劳寿命将不会出现随腐蚀先上升后下降的异常情形。因此，在未来的研究中，有必要对试样进行更低表面粗糙度的加工控制，进一步验证盐雾腐蚀对AA 6061-T6铝合金三点弯曲试样冲击疲劳寿命的影响。另一个可能的原因是，由于盐雾腐蚀试验环境有大量的水分和较高的温度，促进了铝合金与氧气和水的电化学腐蚀，形成了具有保护性的氧化膜。在盐雾腐蚀时间较短的情况下，氯离子未能完全破坏这层具有保护性的氧化膜，使得腐蚀48h试样的寿命略高于未腐蚀试样寿命。

另外，需要指出的是，虽然盐雾腐蚀对试样U形缺口处的腐蚀程度随着腐蚀时长的增加而逐渐加深，但目前的试验中腐蚀影响深度只有几十微米深。相比试验中三点弯曲的试样的厚度尺寸20mm，该盐雾腐蚀深度不足以对试样冲击寿命造成太大的影响。因此，当冲击能量增加到一定程度时（20J），试样腐蚀时长对冲击寿命的影响变得更弱，如图6中20J能量下的冲击疲劳寿命所示。在未来的研究中，需要考虑更大腐蚀程度对试样冲击疲劳寿命的影响，以及腐蚀导致的冲击疲劳寿命变化与冲击能量的依赖关系。

3結论与展望

本文结合落锤冲击试验、盐雾腐蚀试验、SEM表征技术等方法，研究了AA 6061-T6铝合金含U形缺口三点弯曲试样在不同盐雾腐蚀程度下的冲击疲劳寿命。研究的主要结果如下：

（1）盐雾腐蚀对三点弯试样U形缺口根部表面有显著的损伤影响，试样缺口根部表面可观察到大小不均匀、形状不规则的点蚀坑；腐蚀时间越久，点蚀坑越深，分布越密集，并且会伴随产生大量的腐蚀微裂纹。

（2）随着冲击能量增加，AA 6061-T6铝合金试样的冲击疲劳寿命呈明显降低的趋势；平行轧制方向试样的冲击疲劳寿命明显高于垂直轧制方向的寿命；随着腐蚀时间的增加，试样的冲击疲劳寿命显示出先略微增加而后下降的异常趋势；在较大能量的冲击下，盐雾腐蚀时间超过96h后对材料的冲击疲劳寿命影响不大。

（3）通过SEM扫描观测，发现盐雾腐蚀对冲击疲劳扩展区和瞬断区的损伤机理没有明显影响；但U形缺口根部表面的粗糙度会随着盐雾腐蚀时长的增加先降低而后又逐渐增加，导致腐蚀48h试样的冲击疲劳寿命略高于未腐蚀试样寿命，呈现寿命反常现象。

在本研究中，试样表面粗糙度与不同盐雾腐蚀程度试样的冲击疲劳寿命具有较大关联。因此，在未来的研究中需控制试样具有更低的表面粗糙度，进一步深入研究盐雾腐蚀对AA6061-T6铝合金三点弯曲试样冲击疲劳寿命的影响。另外，本文采用的三点弯曲试样截面尺寸较大，在高冲击能量下，盐雾腐蚀对试样冲击疲劳寿命的影响较弱，未来的研究也有必要进行更深程度盐雾腐蚀试验，研究盐雾腐蚀的影响与冲击能量的依赖关系。

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Effect of Neutral Salt Spray Corrosion on the Impact Fatigue Life of AA 6061-T6 Aluminum Alloy

Yang Qiang1，Gao Peng2，He Xiao2，Qiu Zhenguo2，Liu Xin2，Han Kangning2，Bai Chunyu1，Zhu Yaxin2

1. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structures Impact Dynamics，Aircraft Strength Research Institute of China，Xian 710065，China

2. Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

Abstract： Aeronautical aluminum alloy materials are often subjected to the combined effect of environmental corrosion and repeated impact load， which leads to corrosion damage and impact fatigue failure. This paper studies the corrosion damage of AA 6061-T6 aluminum alloy under different salt spray corrosion duration and the influence of different impact energy on the impact fatigue life of notched three-point bending specimen of AA 6061-T6 aluminum alloy by means of salt spray corrosion experiment， drop weight impact tests and SEM scanning characterization. The effect of salt spray corrosion on the impact damage mechanism of materials is also discussed. The results show that the damage degree of U-shaped notch is aggravated with the increase of salt spray corrosion duration. The longer the corrosion is， the deeper the pitting pit is. In addition， a large number of corrosion microcracks are generated， which will affect the impact resistance of the specimens. With the increase of impact energy， the impact fatigue life of the notched three-point bending samples decreases obviously， and the impact fatigue life of the AA 6061-T6 aluminum alloy samples prepared along different rolling directions has significant differences. The impact fatigue life of the samples corroded by salt spray for 48h is slightly higher than that of the samples without corrosion， showing an abnormal life. However， with the increase of salt spray corrosion time， the impact fatigue life of the samples decreases gradually.

Key Words： neutral salt spray corrosion； impact； fatigue life； damage mechanism