一种铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法与流程

本发明属于航空金属材料裂纹萌生与扩展规律检测技术领域，尤其是涉及一种结合相移和电化学阻抗谱研究SCC过程中铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法。

背景技术：

由于航空用铝合金材料具有高强度和低密度的特点，因此是航空航天器件的优良结构材料。任何结构材料都必须考虑其强度、韧性，特别是抗SCC(应力腐蚀)特性。SCC开裂是造成空难事故的主要破坏形式之一，能在短时间内发生严重的破坏，从而严重威胁航空安全。因此，SCC是铝合金材料失效破坏行为的多发领域，亟待人们去深入研究、解决设计和优化测试方法。目前，金属材料裂纹萌生和扩展的检测方法有很多种，其中无损探伤方法是很常见的一种，主要包括X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、涡流探伤等，但是这些方法对于材料尺寸具有严格要求，无法实现SCC过程中的实时监测；另外，目前比较流行的方法主要包括电化学噪声方法、电子扫描显微电镜和透射电子显微镜等，但上述方法都有一定局限性，比如分析处理过程复杂、操作复杂、无法实现在线监测、结果分析方法比较单一等。因此，为了实现在线监测和分析处理过程更加简单，能够及时有效地预测裂纹萌生和扩展规律，深入了解其腐蚀发展机理，急需提出更符合工程实际需要的技术方案。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法。

为了达到上述目的，本发明提供的铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)构建检测系统：所述的检测系统包括作为工作电极的铝合金试样、参比电极、辅助电极、腐蚀容器、慢应变速率拉伸试验机、电化学工作站数据采集系统和计算机数据处理系统；其中腐蚀容器的内部装有氯化钠溶液；参比电极和辅助电极的下部浸没在氯化钠溶液中，上端分别通过导线与电化学工作站数据采集系统的一个接口相连；铝合金试样的下端固定在腐蚀容器的底部，上端固定在慢应变速率拉伸试验机上，并且上部通过导线与电化学工作站数据采集系统的一个接口相接；电化学工作站数据采集系统与计算机数据处理系统相连接；

2)利用上述检测系统每隔30min对加载应力和未加载应力的铝合金试样分别施加不同频率的正弦交流电压或电流扰动信号，该扰动信号经过电化学工作站数据采集系统实时传递给计算机数据处理系统，经过计算机数据处理系统处理后得到铝合金试样在SCC过程中不同频率下的电化学阻抗谱；

3)选择上述电化学阻抗谱中的Bode图并按下述步骤进行相移法处理：

(a)选择某一个频率，得到每隔30min该固定频率下的相位值，由此绘制出加载应力和未加载应力情况下在该固定频率时的相位值随时间的变化曲线；

(b)对加载应力和未加载应力情况下在同一时刻的相位值做差而得到相移值，由此绘制出相移值随时间的变化曲线；

(c)再任意选择两个频率，按照上述步骤(a)、(b)进行同样的处理，分别得到不同频率条件下相移值随时间的变化曲线；

(d)将上述三条相移值随时间变化曲线中同为波峰或波谷的位置判断为裂纹萌生或明显扩展的时间区域；

4)对上述电化学阻抗谱中的Nyquist图进行对比分析，得到裂纹萌生前、裂纹萌生、裂纹明显扩展前、裂纹明显扩展到断裂共四张不同时间段的Nyquist图，通过对上述Nyquist图变化规律进行分析得到SCC过程中氧化膜的溶解与再生、裂纹萌生和扩展在内信息；

5)最后结合相移法和Nyquist图的分析结果得到在SCC过程中铝合金试样上裂纹的萌生和扩展规律。

本发明提供的铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法相比现有技术的有益效果：在采用电化学阻抗谱原理的理论基础上，结合相移法研究SCC过程中航空用铝合金材料裂纹萌生和扩展规律，探索其腐蚀过程变化规律，从而能够实时监测铝合金材料开裂损伤的程度，以便及时采取相应的修复措施，由此可预防空难事故发生，具有简单、快速、高效等特点，并可以推广到其它领域的金属材料，对金属材料综合性能的评估和预测具有重要意义。

附图说明

图1是本发明提供的铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法所采用的实验装置示意图。

图2是1000Hz、100Hz、10Hz三个固定频率下加载应力与未加载应力相位值随时间变化曲线。

图3是铝合金试样在SCC过程中1000Hz、100Hz、10Hz三个固定频率下相移值随时间变化曲线。

图4是铝合金试样在SCC过程中不同时间段的Nyquist图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法作进一步地详细描述。

本发明提供铝合金材料裂纹萌生和扩展规律的检测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)构建如图1所示的检测系统：所述的检测系统包括作为工作电极的铝合金试样1、参比电极2、辅助电极3、腐蚀容器4、慢应变速率拉伸试验机5、电化学工作站数据采集系统6和计算机数据处理系统7；其中腐蚀容器4的内部装有氯化钠溶液；参比电极2和辅助电极3的下部浸没在氯化钠溶液中，上端分别通过导线与电化学工作站数据采集系统6的一个接口相连；铝合金试样1的下端固定在腐蚀容器4的底部，上端固定在慢应变速率拉伸试验机5上，并且上部通过导线与电化学工作站数据采集系统6的一个接口相接；电化学工作站数据采集系统6与计算机数据处理系统7相连接；试验条件：室温，氯化钠溶液的浓度为3.5％，pH＝1；铝合金试样1采用7A04铝合金材料；

2)利用上述检测系统每隔30min对加载应力和未加载应力的铝合金试样1分别施加不同频率的正弦交流电压或电流扰动信号，该扰动信号经过电化学工作站数据采集系统6实时传递给计算机数据处理系统7，经过计算机数据处理系统7处理后得到铝合金试样1在SCC过程中不同频率下的电化学阻抗谱；

3)选择上述电化学阻抗谱中的Bode图并按下述步骤进行相移法处理：

(a)选择某一个频率，比如：10Hz，得到每隔30min该固定频率下的相位值，由此绘制出加载应力和未加载应力情况下在该固定频率时的相位值随时间的变化曲线，如图2(c)所示，可以看出，从开始到断裂总共19个点；

(b)对加载应力和未加载应力情况下在同一时刻的相位值做差而得到相移值，由此绘制出相移值随时间的变化曲线，如图3所示；

(c)再任意选择两个频率，比如：100Hz、1000Hz，按照上述步骤(a)、(b)进行同样的处理，分别得到如图2(b)、图2(a)所示的不同频率条件下相位值随时间的变化曲线以及如图3所示的相移值随时间的变化曲线；

(d)从上述三条相移值随时间变化曲线中可知，曲线中第一个波峰的位置即可判断为裂纹萌生的时间区域，第二个波峰的位置即可判断为裂纹明显扩展的时间区域，

4)结合相移法直观给出的裂纹萌生和扩展的时刻，对上述电化学阻抗谱中的Nyquist图进行对比分析，得到裂纹萌生前、裂纹萌生、裂纹明显扩展前、裂纹明显扩展到断裂共四张不同时间段的Nyquist图，如图4所示，通过对上述Nyquist图变化规律进行分析得到SCC过程中氧化膜的溶解与再生、裂纹萌生和扩展在内信息，为相移法提供更多的动力学信息和电极界面结构信息；

5)最后结合相移法和Nyquist图的分析结果得到在SCC过程中铝合金试样1上裂纹的萌生和扩展规律。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并未对本发明做任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。