一种海洋大气腐蚀与疲劳载荷的周期交替损伤金属材料的疲劳寿命估算方法

摘要

本发明公开了一种海洋大气腐蚀与疲劳载荷的周期交替损伤金属材料的疲劳寿命估算方法，属于金属腐蚀疲劳可靠性技术领域。该方法将海洋大气环境腐蚀与疲劳循环载荷周期交替作用下金属材料的总损伤分为环境腐蚀损伤、循环载荷疲劳损伤以及腐蚀+疲劳周期交替耦合损伤；利用环境腐蚀+疲劳载荷周期交替耦合损伤度描述海洋大气环境腐蚀损伤和循环载荷疲劳损伤的周期交替耦合作用；依据实验获得的原始试样、腐蚀损伤试样及周期交替耦合损伤试样的疲劳寿命等基本数据，建立了海洋大气腐蚀+疲劳循环载荷周期交替耦合损伤金属材料的疲劳寿命估算模型，具有高精度和重要应用价值，为海洋大气环境下飞机金属构件服役可靠性的精确评估奠定理论与技术基础。

说明书

技术领域

本发明属于金属腐蚀疲劳可靠性技术领域，特别是提供了一种海洋大气腐蚀与疲劳载荷的周期交替损伤金属材料的疲劳寿命估算方法。

背景技术

飞机在服役过程中，尤其是在高湿热、高盐雾的海洋大气环境下服役时，其金属构件会受到海洋大气的腐蚀损伤，从而加速金属材料疲劳性能的退化，严重威胁飞机的飞行安全。可见，估算海洋大气环境腐蚀作用下飞机金属材料疲劳寿命对于保障飞机金属构件的服役安全性至关重要。目前海洋大气环境腐蚀作用下金属材料疲劳寿命的估算方法主要考虑的是环境预腐蚀+疲劳或环境腐蚀+疲劳同时作用对金属材料疲劳寿命的影响，很少涉及环境腐蚀+疲劳的交替作用，特别是真实海洋大气腐蚀+疲劳循环载荷的周期交替耦合损伤作用对金属材料疲劳寿命退化的影响。事实上，飞机在沿海地区服役时遭受的是一种“环境腐蚀+疲劳载荷+环境腐蚀+疲劳载荷+......”的周期交替耦合损伤过程，也即是，高空飞行时遭受循环载荷疲劳损伤、在机场停放时遭受周围海洋大气的腐蚀损伤。因此，开发一种海洋大气腐蚀与疲劳循环载荷的周期交替耦合损伤金属材料的剩余疲劳寿命精确估算方法，对于准确评估海洋大气环境下飞机金属构件的服役可靠性，具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋大气腐蚀与疲劳载荷的周期交替损伤金属材料的疲劳寿命估算方法，克服传统的海洋大气环境腐蚀作用下金属材料疲劳寿命估算方法未考虑真实海洋大气腐蚀+疲劳循环载荷的周期交替耦合损伤作用对金属材料疲劳寿命退化的影响的局限性，为海洋大气环境下飞机金属构件服役可靠性的精确评估奠定理论与技术基础。

本发明所述的一种海洋大气腐蚀与疲劳载荷的周期交替损伤金属材料的疲劳寿命估算方法，其包括如下步骤：

S1将实验用原始金属材料制成标准的疲劳试样，实验室条件下测得其疲劳寿命数据，绘制相应的S-N曲线；

S2针对标准疲劳试样，在真实海洋大气环境下开展户外暴露腐蚀实验；基于不同户外暴露时间(t)，获得遭受不同海洋大气环境腐蚀损伤程度的试样，实验室条件下测得其疲劳寿命数据，绘制环境腐蚀损伤试样的疲劳寿命(N)与户外暴露时间(t)之间的定量关系曲线N(t)；

S3针对标准疲劳试样，开展真实海洋大气腐蚀+疲劳循环载荷周期交替实验；基于周期交替次数，获得系列遭受不同环境腐蚀+疲劳载荷的周期交替耦合损伤程度的试样，实验室条件下测得其疲劳寿命数据；

S4将海洋大气环境腐蚀与疲劳循环载荷周期交替作用下金属材料的总损伤分为环境腐蚀损伤、循环载荷疲劳损伤、腐蚀+疲劳周期交替耦合损伤三部分；

S5基于前期建立的环境腐蚀损伤试样的疲劳寿命与户外暴露时间之间的关系曲线N(t)，建立海洋大气环境腐蚀累积损伤模型：

式(1)中，D

S6基于Miner线性累积损伤理论，建立循环载荷疲劳累积损伤模型：

式(2)中，D

S7利用环境腐蚀+疲劳载荷周期交替耦合损伤度(D

式(3)中，D

S8基于海洋大气环境腐蚀损伤模型、循环载荷疲劳损伤模型、环境腐蚀+ 疲劳载荷周期交替耦合损伤度，建立海洋大气腐蚀+疲劳循环载荷周期交替耦合损伤金属材料的疲劳寿命估算模型：

式(4)中，N

S9依据前期获得的原始试样、腐蚀损伤试样及周期交替耦合损伤试样的疲劳寿命等基本实验数据，基于海洋大气腐蚀+疲劳循环载荷周期交替耦合损伤金属材料的疲劳寿命估算模型(式4)，确定对应不同周期交替次数(k)的环境腐蚀+疲劳载荷周期交替耦合损伤度(D

本发明方法依据金属材料真实海洋大气环境腐蚀与疲劳循环载荷的周期交替实验数据，率先建立了一种新的海洋大气环境腐蚀损伤与循环载荷疲劳损伤的周期交替作用下金属材料的剩余疲劳寿命估算模型，具有高精度和重要应用价值，有利于海洋大气环境下飞机金属构件服役可靠性的精确评估。

具体实施方式：

以下结合实施例对本发明进行具体描述。需要指出的是本实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例一：一种海洋大气腐蚀与疲劳循环载荷的周期交替耦合损伤7075铝合金材料的疲劳寿命估算方法

将实验用原始7075铝合金制成标准的疲劳试样，实验室条件下测得其疲劳寿命数据，绘制其相应的S-N曲线；针对7075铝合金标准疲劳试样，在真实海洋大气环境下开展户外暴露腐蚀实验；户外暴露时间为30天、60天、90天、180 天、360天，获得海洋大气环境腐蚀损伤铝合金试样，实验室条件下测得其疲劳寿命数据，绘制环境腐蚀损伤铝合金试样的疲劳寿命(N)与户外暴露时间(t) 之间的定量关系曲线N(t)；针对标准铝合金疲劳试样，开展真实海洋大气腐蚀+ 疲劳循环载荷周期交替实验；基于周期交替次数，获得系列遭受不同环境腐蚀+ 疲劳载荷的周期交替耦合损伤程度的铝合金试样，实验室条件下测得其疲劳寿命数据；依据获得的原始铝合金试样、腐蚀损伤铝合金试样、周期交替耦合损伤铝合金试样的疲劳寿命等基本实验数据，基于建立的海洋大气腐蚀+疲劳循环载荷周期交替耦合损伤金属材料的疲劳寿命估算模型(式4)，确定7075铝合金材料对应不同周期交替次数(k)的环境腐蚀+疲劳载荷周期交替耦合损伤度(D