一种盐水浸泡环境下Al-Zn-Mg-Cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法

本发明属于金属材料腐蚀疲劳试验与可靠性工程，具体是一种盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法。

背景技术：

1、t6态al-zn-mg-cu合金具有较高的比强度和良好的加工性能，广泛用于航空航天、轨道交通及海洋装备。轴类、套筒、传动连接件及薄壁管件在服役期间可能主要承受交变扭转载荷；含氯盐水会使合金表面发生局部腐蚀，循环剪切变形又会使氧化膜或腐蚀产物膜反复失稳和再钝化，形成局部腐蚀、剪切应力集中增强和扭转疲劳裂纹提前萌生的相互促进过程。

2、现有扭转疲劳寿命评价通常以剪切应力幅或扭矩幅建立确定性寿命关系，未将盐水环境中的实时腐蚀状态、扭转滞回耗能及载荷诱发膜层失稳—再钝化过程纳入同一损伤参数。现有腐蚀疲劳试验又常采用预腐蚀后加载，或仅以浸泡时间、质量损失率作为环境修正量，不能表征盐水持续浸泡与循环扭转在同一时间尺度内的交互影响。

3、此外，单一确定性寿命值不能反映al-zn-mg-cu合金组织、初始缺陷、局部腐蚀状态以及耦合试验过程造成的离散性，因而难以直接给出设计循环次数下的失效概率或目标可靠度下的允许寿命。因此，需要一种将纯扭转加载、原位盐水腐蚀状态表征、扭转疲劳损伤和概率寿命模型连续关联的可靠性评价方法。

技术实现思路

1、本发明以解决现有技术中无法真实表征盐水持续浸泡与循环扭转交互影响，以及无法量化评价疲劳可靠性的技术问题；

2、提供一种盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，包括以下步骤：

3、s1、获取同批次t6态al-zn-mg-cu合金试样的几何参数和材料参数，对所述试样的夹持段进行电绝缘处理，并将所述试样整体浸没于盐水环境中；

4、s2、在盐水浸泡持续作用的同时，以剪切应变控制方式向所述试样施加按设定频率正反往复的小应变扭转循环，试验过程中不施加轴向载荷；按照统一时间基准采集扭矩、扭转角、剪切应变以及开路条件下的腐蚀电位；

5、s3、根据剪切应变幅和加载频率确定扭转载荷作用量，根据剪切应力幅、剪切应变幅及一个加载周期内的剪切应力—剪切应变滞回环面积确定扭转疲劳损伤参数；

6、s4、从腐蚀电位中分离慢变基线和周期动态分量，根据所述慢变基线确定腐蚀电位状态量，并根据与扭转载荷特征相位同步的腐蚀电位瞬变确定膜层失稳-再钝化电位响应量；

7、s5、利用所述扭转载荷作用量、腐蚀电位状态量和膜层失稳-再钝化电位响应量对所述扭转疲劳损伤参数进行交互修正，获得扭转-腐蚀耦合损伤参数；

8、s6、根据多个试样的扭转—腐蚀耦合损伤参数和对应的失效循环次数建立随机寿命模型，并利用所述随机寿命模型计算目标循环次数下的可靠度和/或目标可靠度对应的可靠寿命。

9、进一步地，所述al-zn-mg-cu合金处于固溶处理后人工时效的t6态；以质量分数计，zn为4.0%～8.0%，mg为1.0%～5.0%，cu为0.3%～2.0%，余量为al和不可避免的杂质；所述试样为薄壁圆管试样；控制剪切应变为，剪切应变比，其中，为小于预设弹性或近弹性应变上限的剪切应变幅，为加载频率；试验机不设置轴向作动通道，或者其轴向作动通道采用零轴向载荷控制。

10、进一步地，对于外径为、内径为的圆管试样，外表面名义剪切应力为，外表面剪切应变为，其中，为标距段两端的相对扭转角，为标距长度。

11、进一步地，所述扭转载荷作用量按下式确定：，其中，和分别为基准剪切应变幅和基准频率，和为通过空气环境扭转疲劳试验及盐水环境扭转疲劳试验标定的参数。

12、进一步地，所述扭转疲劳损伤参数按下式确定：，其中，为扭矩响应换算得到的剪切应力幅，为受控剪切应变幅，为单位循环耗散能，为耗散能权重；并根据初始动态剪切模量和第检测阶段的动态剪切模量确定刚度退化量，。

13、进一步地，所述腐蚀电位状态量根据腐蚀电位慢变基线相对于加载前稳定浸泡基准电位的偏移确定，，其中，为第检测阶段的腐蚀电位慢变基线，为腐蚀电位归一化尺度。

14、进一步地，所述膜层失稳-再钝化电位响应量通过以下方式确定：在第个扭转载荷周期内提取腐蚀电位相对于慢变基线的负向瞬变幅值；将不小于空白噪声标准差倍且瞬变相位与预设扭转载荷特征相位之差不超过相位阈值的瞬变识别为有效电位事件；根据有效电位事件的平均瞬变幅值、电位恢复时间和有效电位事件占分析周期数的比例中的至少一项确定，其中为不小于的阈值系数。

15、进一步地，所述扭转—腐蚀耦合损伤参数按下式确定：，其中，为腐蚀电位状态量，为膜层失稳—再钝化电位响应量，为刚度退化系数，为腐蚀直接作用系数，为往复小应变扭转与腐蚀交互作用系数，为膜层失稳作用系数；各系数由空气扭转对照组和不同合金成分、剪切应变幅、加载频率及盐水状态的耦合试验组联合标定。

16、进一步地，失效循环次数为达到预设裂纹长度和试样最终断裂中的任一失效判据时对应的循环次数。

17、进一步地，所述随机寿命模型满足，其中，为失效循环次数，和为待标定参数，为表征材料、腐蚀缺陷和试验离散性的随机误差；根据随机误差的分布获得条件寿命累积分布函数，目标循环次数下的可靠度为；当随机误差服从均值为0、标准差为的正态分布时，目标可靠度对应的可靠寿命按下式确定：，其中，为给定扭转-腐蚀耦合损伤参数下对数寿命的预测均值，为标准正态分布函数的反函数。

18、本公开的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：

19、（1）通过盐水持续浸泡与正反向小剪切应变扭转同步作用，保留循环剪切导致膜层失稳、再钝化、局部腐蚀发展和扭转疲劳裂纹萌生相互促进的真实过程；

20、（2）采用剪切应变控制并明确不施加轴向载荷，使评价结果对应纯扭转腐蚀疲劳工况；

21、（3）通过弹性剪切能、循环耗散能和动态剪切模量退化共同表征小应变扭转损伤，避免仅依赖面积很小的滞回环；

22、（4）在开路条件下利用与扭转载荷相位同步的腐蚀电位负向瞬变获得膜层失稳-再钝化电位响应量，测量过程不施加外部极化；

23、（5）将腐蚀电位慢变状态、小应变扭转-腐蚀交互作用、膜层失稳活动及扭转刚度退化纳入同一耦合损伤参数，并利用对照试验标定各系数；

24、（6）通过随机寿命模型输出可靠度与可靠寿命，能够反映材料组织、局部腐蚀状态和疲劳寿命的离散性。

1.一种盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，所述al-zn-mg-cu合金处于固溶处理后人工时效的t6态；以质量分数计，zn为4.0%～8.0%，mg为1.0%～5.0%，cu为0.3%～2.0%，余量为al和不可避免的杂质；所述试样为薄壁圆管试样；控制剪切应变为，剪切应变比，其中，为小于预设弹性或近弹性应变上限的剪切应变幅，为加载频率；试验机不设置轴向作动通道，或者其轴向作动通道采用零轴向载荷控制。

3.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，对于外径为、内径为的圆管试样，外表面名义剪切应力为，外表面剪切应变为，其中，为标距段两端的相对扭转角，为标距长度。

4.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，所述扭转载荷作用量按下式确定：，其中，和分别为基准剪切应变幅和基准频率，和为通过空气环境扭转疲劳试验及盐水环境扭转疲劳试验标定的参数。

5.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，所述扭转疲劳损伤参数按下式确定：，其中，为扭矩响应换算得到的剪切应力幅，为受控剪切应变幅，为单位循环耗散能，为耗散能权重；并根据初始动态剪切模量和第检测阶段的动态剪切模量确定刚度退化量，。

6.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，所述腐蚀电位状态量根据腐蚀电位慢变基线相对于加载前稳定浸泡基准电位的偏移确定，，其中，为第检测阶段的腐蚀电位慢变基线，为腐蚀电位归一化尺度。

7.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，所述膜层失稳-再钝化电位响应量通过以下方式确定：在第个扭转载荷周期内提取腐蚀电位相对于慢变基线的负向瞬变幅值；将不小于空白噪声标准差倍且瞬变相位与预设扭转载荷特征相位之差不超过相位阈值的瞬变识别为有效电位事件；根据有效电位事件的平均瞬变幅值、电位恢复时间和有效电位事件占分析周期数的比例中的至少一项确定，其中为不小于的阈值系数。

8.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，所述扭转-腐蚀耦合损伤参数按下式确定：，其中，为腐蚀电位状态量，为膜层失稳-再钝化电位响应量，为刚度退化系数，为腐蚀直接作用系数，为往复小应变扭转与腐蚀交互作用系数，为膜层失稳作用系数；各系数由空气扭转对照组和不同合金成分、剪切应变幅、加载频率及盐水状态的耦合试验组联合标定。

9.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，失效循环次数为达到预设裂纹长度和试样最终断裂中的任一失效判据时对应的循环次数。

10.根据权利要求1所述的盐水浸泡环境下al-zn-mg-cu合金扭转耦合疲劳可靠性评价方法，其特征在于，所述随机寿命模型满足，其中，为失效循环次数，和为待标定参数，为表征材料、腐蚀缺陷和试验离散性的随机误差；根据随机误差的分布获得条件寿命累积分布函数，目标循环次数下的可靠度为；当随机误差服从均值为0、标准差为的正态分布时，目标可靠度对应的可靠寿命按下式确定：，其中，为给定扭转-腐蚀耦合损伤参数下对数寿命的预测均值，为标准正态分布函数的反函数。