论文导读：基于断裂力学理论将预腐蚀形成的腐蚀损伤（预腐蚀试验件的腐蚀坑）等效为半椭圆和半圆形断裂力学缺陷来进行模拟分析裂纹。

　　关键词：腐蚀损伤铝合金，断裂

　　0 引 言

　　铝合金因其高强度和低密度而成为飞机结构的主要材料，在我国自行研制的飞机中，铝合金用量占机体结构材料的比例高达80%以上；虽然在新研制的飞机中钛合金和复合材料的比例有所上升但铝合金的用量仍达到60%~65%[1]。军用飞机在服役过程中，由于所处的地理环境和飞行强度等不同会受到不同程度的腐蚀性损伤，当损伤到一定程度时候，便可能会产生灾难性后果。英国的彗星号客机和美国的F-111战斗机都是比较有名的腐蚀损伤事故。我海军、空军部门也发现了多架战斗机某部位不同程度的损伤，造成了飞机的停飞甚至提前退役，严重影响了部队的战斗力。随着近年来飞机结构寿命问题的日益突出，铝合金的腐蚀损

　　基金项目：国家自然科学基金资助项目（50675221）；总装“十一五”预研项目（51327030104）

　　伤等问题也逐渐成为人们关注的焦点。

　　1飞机结构的腐蚀

　　大量的飞机失效、破坏表明：腐蚀性环境对机体造成的损伤是影响飞机寿命的一个很重要的原因。由于我海军机场绝大部分分布在沿海地区，其地面停放环境特点是高温、高湿和盐雾出现时间长，靠近城市工业区的机场还受到工业废气的污染，海军飞机所处的环境更加恶劣，同时飞机97％以上的时间是在地面停放[2]。大量用于飞机结构件的航空铝合金材LY12-CZ,在上述环境用下极易发生腐蚀现象。

　　腐蚀是金属的化学或者电化学破坏行为，是金属氧化过程的概括与总结。常见的飞机机体的腐蚀损伤有剥蚀、坑蚀、缝隙腐蚀等 （如图1）。剥蚀、坑蚀一般发生在铝合金表面， 缝隙腐蚀一般发生在焊接或者铆接等具有裂纹的连接部位。由于剥蚀是个大面积现象，在进行金相观测时候可以看到大量腐蚀坑的存

　　在。所以，在研究腐蚀损伤是一般利用坑蚀开展研究。大量用于飞机结构件的航空铝合金材LY12-CZ,在腐蚀环境下容易形成腐蚀坑，腐蚀坑的存在会加速形成疲劳裂纹并扩展，从而影响飞机结构疲劳寿命及其剩余强度[3-8]。使得飞机一些部件、甚至是主要承力件受到腐蚀损伤，降低了其结构的剩余强度，缩短了结构的使用寿命，直接威胁飞行安全，可能导致灾难性的事故发生。

　　图1 典型的腐蚀损伤类型示意图

　　3国内外研究现状

　　由于腐蚀环境的作用，在老龄飞机结构上发现主要存在剥蚀和坑蚀两种腐蚀形式，其中坑蚀一般表现为由金属表面并向厚度方向深入发展的一种局部破坏形式，这种腐蚀危害性大，部位一般难于预测，易形成腐蚀疲劳裂纹源 ,成为降低飞机结构强度的一个主要因素[9]。因此通过对腐蚀损伤度的研究可以对飞机关键部位结构寿命和剩余强度进行有效的分析和预测。

　　对飞机结构腐蚀损伤分布进行研究，得出了腐蚀失效模型及腐蚀损伤规律，给出最佳分布形式，是腐蚀损伤可靠性评估的基础。文献[10]通过选取四种分布对现役飞机结构腐蚀损伤进行统计特征研究。文献[11] 针对老龄化飞机安全评估分析中结构表面存在广布随机不等直径腐蚀坑这一现状，采用蒙特卡罗（Monte Carlo） 方法分析并编制了计算机程序，完成了由结构腐蚀原况到计算模型的映射，从而实现了利用计算机模拟再现结构腐蚀损伤，为定量研究腐蚀损伤对老龄飞机结构的剩余强度和寿命影响提供可能。采用BP人工神经网络算法分别对飞机结构材料进行学习训练，建立了腐蚀损伤与环境条件的映射模型，可以预测腐蚀损伤值[12]。采用人工神经网络技术定量预测飞机结构腐蚀损伤是一种较好的工程方法。论文参考。这种方法预测为较好预测飞机结构的寿命和剩余强度提供了可靠保障

　　其中，文献[9]考虑了飞机结构件腐蚀损伤后，潮湿空气、盐雾、盐雾+ SO2等环境介质对疲劳寿命的影响。根据海军现役飞机的腐蚀环境特点及结构件腐蚀损伤深度拟合规律， 以室温大气环境下的寿命评定结论为依据， 提出了一种腐蚀环境下飞机结构疲劳寿命的评定方法。

　　对飞机材料腐蚀性能和预先腐蚀试验件疲劳寿命研究的有， 文献[12,13]研究了常用航空材料大气腐蚀后的疲劳性能劣化规律。文献[14,15]研究了LY12CZ 在EXCO溶液中的腐蚀动力学统计规律。

　　西北工业大学吕国志，张有宏，任克亮等对实验室环境下对LY12-CZ 铝合金进行了预腐蚀及疲劳寿命与剩余强度的预测研究[16]。在不同的温度及不同的腐蚀天数条件下，对试验件进行预腐蚀，按ASTM-G3421标准人工产生腐蚀坑，获得了腐蚀损伤数据，随后进行疲劳试验，初步建立了腐蚀损伤与疲劳寿命降低之间的关系。任克亮等用蒙卡罗方法确定了与已知尺寸腐蚀坑有相同寿命的等效裂纹尺寸[17]。在试验研究基础上，用AFGROW软件模拟腐蚀损伤及腐蚀坑深度的不同对试件疲劳寿命和剩余强度产生的影响，建立了预测含腐蚀损伤试件的疲劳寿命与剩余强度的有效的工程方法。论文参考。

　　外国文献中对腐蚀损伤物理形态主要研究是通过采用数理统计、神经网络、随机过程等方法对暴露于环境中的材料的表面性能、表面腐蚀坑密度和尺寸、体积减少量等随时间的统计及试验研究。Godard [18]通过对铝合金的试验分析，提出了点蚀理论，并得出一个简单有效的估算蚀坑成长的公式，其中为腐蚀深度，为腐蚀时间，是常数。文献[19]通过观察分析公式虽然是由铝合金试验得出的，可以适用于不同含水环境下的其它材料。这种点蚀理论为评估腐蚀损伤的描述提供了基础，难点是参数。文献[20,21]分别对AA2024—T3、AA7075—T6和AA7178（分别相当于LY12、LC9和LC4）进行了预腐蚀条件下，蚀坑的形成与发展研究。

　　文献[22]、[23]中提到，当结构件的主要的疲劳裂纹已经增长时，一般的腐蚀缺陷或者环境的缺陷不可能再与其竞争。从而根据主要的疲劳裂纹对对构件的剩余强度或者寿命进行分析。文献[24]中提到单纯的侵蚀环境作用因为腐蚀产物覆盖等原因而逐渐减缓，但疲劳载荷作用后，会破坏覆盖层，重新加速随后的环境作用。Hoeppner[25]中作者把Godard提出的点蚀理论与线弹性断裂力学（LEFM）理论结合起来形成点蚀疲劳理论，并且在此基础上提出了临界深度及腐蚀坑成长速度模型。由于环境的作用，腐蚀损伤不可以避免。因此，对环境损伤和结构寿命之间关系研究先定量统计分析环境引起的损伤度，再从一定的初始损失尺寸开始用疲劳裂纹扩展速率，预测腐蚀疲劳裂纹的寿命。

　　4 腐蚀损伤因子的提出

　　目前国内对预先存在的腐蚀损伤结构的疲劳寿命这一的问题进行了研究，基于断裂力学理论将预腐蚀形成的腐蚀损伤（预腐蚀试验件的腐蚀坑）等效为半椭圆和半圆形断裂力学缺陷来进行模拟分析裂纹，建立腐蚀疲劳寿命分析模型，从而实现了结构腐蚀、寿命及剩余强度分析。很少考虑到在腐蚀环境作用下，腐蚀形貌一直是变化的，腐蚀形貌的变化（确切的说是，腐蚀的损伤程度一直在增加）对构件的腐蚀损伤处的应力强度因子产生影响。论文参考。所以，可以对不同时刻的腐蚀损伤的三维尺度形态用一个腐蚀损伤因子来描述。这样就可以用腐蚀损伤因子来描述腐蚀形貌的变化。

　　5模型概述

　　利用飞机结构腐蚀损伤的三维尺度形态环描述环境损伤形貌，可以方便的将环境损伤物理形态和结构剩余强度或寿命结合起来，在实际预测中，可以起到方便、快捷的效果。用腐蚀损伤因子描述腐蚀损伤的三维尺度形态半椭圆和半圆形断裂力学缺陷来进行模拟分析裂纹，这样就可以建立腐蚀损伤因子和腐蚀形貌的关系，然后再通过建立不同时刻的腐蚀损伤模型计算应力强度因子，寻求腐蚀损伤因子对应力强度因子的影响规律。如图2表明了腐蚀损伤因子的引入建立起了腐蚀形貌和寿命之间的桥梁。图3是具体的可行性技术路线图。

　　图2腐蚀损伤因子的引入

　　图3 具体实施的可行性技术路线图

　　对不同时刻的腐蚀损伤形貌建立模型，也就是考虑到了腐蚀形貌的变化。这里也是用半椭圆和半圆形断裂力学缺陷来进行模拟分析裂纹。同时要考虑材料的初始不连续状态。初始不连续状态（Initial Discontinuity State，IDS）指的是材料或结构中的不连续状态（如制造加工缺陷、擦伤、小孔、夹杂等）的初始尺寸和数量。IDS与当量初始裂纹尺寸（EIFS）概念相似，并且与造成试件断裂的物理特征紧密联系，有着明确的物理意义。IDS作为在腐蚀中不被影响的一个材料特性加以考虑。图4为横截面上IDS等效的半圆形裂纹示意图，图5横截面上任意时刻的腐蚀坑等效的半椭圆尺寸。分以下三种模型进行计算分析， 其中模型3为已知腐蚀深度时的简化模型。

　　表1 三种半椭圆表面裂纹尺寸模型

　　模型1模型2模型3

　　宽度方向的等效裂纹长度2a+2IDS2a2IDS

　　厚度方向的等效裂纹深度c+ IDSc+IDSc+IDS

　　图4 IDS等效的半圆形裂纹示意图

　　图5横截面上任意时刻的腐蚀坑等效的半椭圆尺寸。

　　6 结束语

　　本文对目前国内外关于腐蚀环境损伤对飞机结构使用寿命影响的常见的研究方法进行了分析和总结。并在此基础上，探讨了通过引入腐蚀损伤因子，并考虑材料的初始不连续状态，建立了腐蚀形貌和结构全寿命之间的关系的一种新的方法。并概述了这种新方法所建立的腐蚀损伤的三种模型，得出了全寿命研究方法可行性的技术路线。随着课题的进一步开展，课题组将对这种方法进行实际实验的分析与研究。

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