酸雨环境下Q420B钢材腐蚀疲劳裂纹扩展试验与模型研究

为研究特高压输电塔所用Q420B结构钢在酸雨环境下的腐蚀疲劳裂纹扩展行为,开展了Q420B的CT试样在人工酸雨喷雾腐蚀环境下的腐蚀疲劳试验。试验采用背面应变法监测裂纹长度,研究喷雾方式、pH值、应力比对裂纹扩展速率的影响。试验现象及断口分析表明,CT试样的断裂类型主要为穿晶疲劳断裂,腐蚀疲劳机制主要为阳极溶解机制。对于各工况,基于Paris模型推导了考虑模型参数随机性及da/dN数据波动性的腐蚀疲劳裂纹扩展速率P-da/dN-ΔK模型。结果表明,腐蚀疲劳裂纹扩展速率的离散性随应力强度因子幅的增大呈先减小后增大的趋势,该现象与Paris模型参数的线性相关性有关;相较于浸泡腐蚀,喷雾腐蚀下的裂纹扩展阶段存在明显的裂纹闭合效应,导致在ΔK较低阶段喷雾工况裂纹扩展速率均低于纯疲劳工况;腐蚀液pH值越低,裂纹扩展速率曲线斜率越大,但其初始速率也越低;应力比方面,增大应力比能明显缓解裂纹闭合效应,且裂纹扩展速率随应力比的升高而升高。

海水腐蚀环境下高强度钢腐蚀疲劳裂纹扩展行为研究

海洋平台在海水腐蚀和海浪流等循环载荷的耦合作用下极易发生腐蚀疲劳断裂。采用自主设计的海水间歇供水循环系统模拟干湿比为1∶1的海水干湿交替环境,研究了空气环境、全浸环境、干湿交替环境和应力比0.1、0.3和0.5对高强度钢EH690钢疲劳裂纹扩展的影响。基于试验获得的a-N曲线和da/dN-ΔK曲线,发现在裂纹扩展前期,EH690钢在干湿交替环境与全浸环境中的裂纹扩展速率为空气中的3倍左右,呈现出显著的疲劳裂纹扩展加速现象;对于给定的应力强度因子,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大;拟合得到不同环境和应力比下CT试件的Pairs常数;通过扫描电镜从微观角度分析EH690高强钢的腐蚀疲劳裂纹扩展机理。本文研究结果为实际海洋平台的腐蚀疲劳寿命评估提供了可靠的试验数据参考。

S690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展行为拘束效应

S690高强钢由于其良好的综合力学性能广泛用于海洋平台中.海洋平台结构易产生腐蚀疲劳失效,海水腐蚀、循环载荷和结构本身的拘束水平对裂纹扩展有重要的影响.通过空气中和海水环境中的S690高强钢疲劳裂纹扩展试验,结合显微断口分析,研究了拘束水平对S690高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响.结果表明,在阳极溶解和氢致开裂的共同作用下,海水环境对S690高强钢疲劳裂纹扩展具有明显的加速作用.同时随着裂纹的不断扩展,拘束水平对S690高强钢腐蚀疲劳裂纹的影响不断增加,且裂纹扩展速率与裂纹扩展前后的拘束水平增量和结构本身的拘束水平均密切相关.

载荷频率对690(TT)合金腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响

通过研究载荷频率变化对690(TT)合金在含饱和氧的模拟压水堆一回路水环境中腐蚀疲劳裂纹扩展行为的影响,得到以下结论:随着载荷频率的降低,裂纹扩展速率(CGR)和环境影响因子(F_(en))均随之增大;裂纹扩展路径为穿晶型,在频率较低或应力比R较大时出现较多的支裂纹;断口呈典型的腐蚀疲劳断裂特征,裂纹在三维空间中扩展,可观察较多的微裂纹。

腐蚀疲劳裂纹形成过程中缺口根部阳极溶解的定量分析

用间接模拟的实验方法 ,对 74 75-T761铝合金材料在 3.5% Na Cl溶液中的变形与腐蚀电流的关系进行了研究 ;然后结合局部应变法 ,对 74 75-T761铝合金 /3.5% Na Cl溶液体系腐蚀疲劳裂纹形成过程中环境(阳极溶解 )对试件缺口根部的腐蚀量进行了计算 。

海水环境中不锈钢腐蚀疲劳裂纹研究进展

在全世界范围内,化石能源和燃气资源的开采证逐渐转向深井、深海。深海环境复杂,而且相关装备、器具在海水中的服役行为也知之甚少,这都对海洋探索带来了一定的困难。海水中富含Cl-,导致金属材料在海水中容易产生局部腐蚀,其中腐蚀疲劳的潜在的危害性最大。在海洋开发工程中,很多场合对材料的性能要求比较苛刻,碳钢、合金钢和普通不锈钢无法满足其使用要求,要借助其他防护手段才能满足实际所需,于是大大增加了使用成本,维护起来也相当麻烦,井下应用受到极大的限制甚至根本无法使用。高合金不锈钢及耐蚀合金(Corrosion Resistance Alloy,CRA)由于具有优异的综合性能特别是较高的抗环境敏感开裂能力,在酸性油气、海洋、高温高压(high-temperature high-pressure,HTHP)等领域仍应用的性价比很高。本文从腐蚀疲劳影响因素的角度重点分析不锈钢腐蚀疲劳断裂的研究现状。主要集中讨论了腐蚀介质、载荷、温度、合金成分、微观结构以及加工方法对疲劳腐蚀的影响,并得到一些规律和结论。

富氢环境下管道钢的腐蚀疲劳裂纹扩展模型

基于腐蚀疲劳裂纹扩展的基本假设,结合氢的弱键理论和局部塑变理论,对处于富氢(氢气)环境下的管道钢提出了氢脆-钝化-断裂模型。推导得出氢脆型腐蚀疲劳裂纹扩展(HE-CFCP)具有明显应力腐蚀准平台开始的转变应力强度因子(Ktran)表达式。考虑了临界断裂强度因子(Kc)对裂纹扩展的影响,提出了HE-CFCP的亚临界断裂强度因子(Ksc)的概念,并将其作为HE-CFCP准平台结束的应力强度因子。通过比较Ktran和Ksc大小,将(Ksc-Ktran)的差值作为衡量由应力强度因子控制的HE-CFCP准平台发生及准平台区间长度的评价标准。通过对已有管道钢的CFCP实验数据分析,考虑氢致损伤和断裂强度因子的影响,将HE-CFCP曲线划分为四个区域:I-近门槛区域;II-I-Paris区域;II-II-氢完全控制区域;III-快速扩展区域。最后分析了氢致损伤对Paris区域和氢完全控制区域的影响。研究表明:基于裂纹扩展动力学规律导出的裂纹扩展速率表达式对描述HE-CFCP具有较好的通用性。

高速列车支撑槽用6005A-T6铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展行为研究

通过微观组织分析、裂纹扩展路径及断口表面形貌分析,研究了高速列车支撑槽用6005A-T6铝合金在3.5%NaCl溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展行为。结果表明:6005A-T6铝合金在3.5%NaCl溶液中的疲劳裂纹扩展速率较空气环境中快3倍左右;腐蚀环境中疲劳裂纹呈沿晶扩展,扩展过程中出现较多的沿晶二次裂纹。6005A-T6铝合金中较高腐蚀电位的第二相促进周围α-Al基体在3.5%NaCl溶液中的腐蚀,并在腐蚀过程中同时释放H2,氢和腐蚀环境的联合作用促进了6005A-T6铝合金在3.5%NaCl溶液中的疲劳裂纹扩展。

超高压换热器用钢SAE4340腐蚀疲劳裂纹扩展速率的研究

对超高压换热器用钢SAE4340进行了在空气与水介质中的疲劳裂纹扩展速率试验,得到其在两种介质中的疲劳裂纹扩展速率。试验结果表明,在水介质中的疲劳裂纹扩展速率较高。

全浸腐蚀后焊接接头疲劳裂纹扩展速率分析

服役于海洋环境中的风力发电机,其塔筒上的焊接结构不可避免地要遭受洋流、风浪、工作过程中带来的疲劳载荷及海洋复杂环境引发的腐蚀,往往成为腐蚀疲劳失效中的薄弱环节,因此,研究焊接接头的腐蚀疲劳现象,探索其背后的运作机制具有十分重要的意义.选用S355低合金高强钢作为试验材料,进行S355钢焊接接头在5%NaCl环境中的预腐蚀疲劳裂纹扩展试验.试验结果表明,与未经预腐蚀的试件相比,预腐蚀48 h的试样疲劳裂纹扩展速率并没有明显增加,而预腐蚀336 h的试样疲劳裂纹扩展速率增加显著.利用扫描电子显微镜对预腐蚀后的疲劳试件进行微观表征,观察到在裂纹扩展路径周围存在微裂纹和分支裂纹,表明金属发生了脆化.在预腐蚀疲劳断面上,观察到了裂纹扩展模式的转变,表层金属呈现平面脆性特征,内部金属保留了疲劳韧性特征,微观表征的结果表明,预腐蚀脆化了表层金属,从而加快了试件整体的疲劳裂纹扩展速率.

极化电位下高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展的表征

研究了不同极化电位下高强钢在3.5%NaCl溶液中疲劳裂纹扩展速率的变化规律.在强阴极极化(-1100 mV～-1200mV)和阳极极化(-200mV～-400mV)条件下,高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展寿命明显缩短,而极化电位为-800 mV～-1000mV时,高强钢腐蚀疲劳寿命延长.在Paris经验公式的基础上,引入环境加速因子C(E),建立裂纹扩展速率da/dN与极化电位E之间的关系模型.依据此模型计算的数值与实验值的平均相对误差小于9%,模型精度满足工程应用的要求.

海洋工程结构用钢服役环境模拟及DH36钢腐蚀疲劳裂纹扩展性能研究

利用自行研制的海水腐蚀疲劳的试验装备开展了海洋工程结构用钢DH36在人造海水环境中不同应力比、频率、温度、流速下的腐蚀疲劳裂纹扩展速率特性,以及不同频率下腐蚀裂纹扩展过程中电化学行为研究。结果表明:应力比(R)越高,相同裂纹尖端应力场幅值条件下,疲劳裂纹扩展速率越快,疲劳裂纹扩展速率门槛值ΔKth越低。R=0.3和R=0.5时疲劳裂纹扩展速率相对R=0.1时的平均加速比例达115%和217%。温度越高疲劳裂纹扩展速率越快,30℃时,相对于最低温度(5℃)条件下的平均加速比例为20%。海水流速越快腐蚀疲劳裂纹扩展速率也越快,相对于静止海水环境,0.3 L/min时疲劳裂纹扩展速率的平均加速比例为19%,1 L/min时为34%,到最大流速3 L/min为50%。不同频率下,空气介质中疲劳裂纹的扩展速率基本无差别,但海水介质中的扩展速率差别较大,频率越低腐蚀疲劳裂纹扩展速率越快。通过比较不同频率下腐蚀疲劳裂纹扩展(CFCG)速率与疲劳裂纹扩展(FCG)速率的相对加速比例,可以看出在10 Hz下腐蚀抑制裂纹扩展,而1和0.1 Hz腐蚀加速裂纹扩展,平均加速比例依次为47.8%和261.8%。腐蚀对疲劳裂纹扩展的加速作用可通过原位监控腐蚀疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端区域电化学腐蚀行为得以量化。

Inconel690(TT)合金裂纹尖端小范围屈服时的腐蚀疲劳裂纹扩展行为研究

对Inconel 690(TT)合金腐蚀疲劳裂纹尖端塑性区微观结构进行观察,并研究裂纹尖端塑性区及载荷比对模拟压水堆环境下的裂纹扩展行为的影响。裂纹尖端小范围屈服时,模拟压水堆环境对裂纹扩展速率有3倍左右的加速作用。。

铁路钢桥节点既有腐蚀疲劳裂纹扩展寿命

为评估服役中铁路钢桥由于环境腐蚀作用产生初始裂纹后的剩余疲劳寿命,对列车行走荷载作用下铁路钢桥节点横梁处在环境腐蚀形成初始裂纹后的疲劳裂纹扩展寿命进行研究。以铜九(铜陵—九江)线鄱阳湖铁路钢桥为背景,基于子模型法的多尺度建模方法,运用通用有限元软件建立铁路钢桥整体壳体模型和节点横梁处含初始裂纹的精细网格划分的实体模型,获得了在列车行走荷载作用下铁路钢桥节点横梁处的精确动应力响应;基于断裂力学的四参数Forman公式对铁路钢桥在4种不同初始裂纹长度下的腐蚀疲劳裂纹扩展寿命进行了评估与对比,并对有无环境腐蚀作用下的疲劳裂纹扩展寿命进行了对比分析。结果表明:基于子模型法的壳-实体多尺度建模方法既可以满足大型复杂结构在数值计算过程中的计算效率,又能够满足评估疲劳寿命计算所需的精确动力响应要求,可以精确评估铁路钢桥腐蚀疲劳裂纹扩展寿命;铁路钢桥既有腐蚀疲劳裂纹扩展寿命主要产生在小裂纹扩展阶段,计算得到0.5mm初始裂纹扩展到10mm时需要循环484 509次,占总扩展寿命的50.2%;铁路钢桥疲劳裂纹扩展寿命受环境腐蚀的影响非常大,其比无腐蚀疲劳裂纹扩展寿命降低79%左右。研究结果可为预测疲劳裂纹发展趋势、评估铁路钢桥剩余寿命和评定结构的安全性与运营能力提供参考。

腐蚀疲劳裂纹检测概率曲线测定

腐蚀疲劳是老龄飞机普遍存在的问题，同时也是飞机失效的重要原因之一。因此，必须及早发现腐蚀、腐蚀疲劳裂纹。我们在研究腐蚀疲劳裂纹检测方法的同时，研究了其检出概率问题，做出了腐蚀疲劳裂纹检出概率曲线，供工程参考使用。

应力比对S135钻杆钢腐蚀疲劳行为的影响

利用疲劳试验机和扫描电镜研究了在弱碱性介质(质量分数为3.0%的KCl溶液)中不同应力比R(0.1,0.3,0.5,0.7)对S135钻杆钢腐蚀疲劳行为的影响,并得到了该钻杆钢腐蚀疲劳裂纹扩展表达式和疲劳裂纹临界撕裂点的应力强度因子幅值ΔK与R的关系式。结果表明:随着R的增大,试样裂纹扩展临界撕裂点和最终撕裂点对应的ΔK逐渐减小(R和临界撕裂点的ΔK值之间呈明显的线性关系),试样的腐蚀疲劳裂纹扩展速率增大,腐蚀疲劳相对寿命减小,裂纹开裂由疲劳条带扩展机制转化为解理扩展机制。

7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口

利用电子显微镜和扫描电镜对7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳断口进行研究,分析了7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹的发展过程。结果表明,搅拌摩擦焊接头腐蚀疲劳裂纹萌生于焊核区和热力影响区的交界处并逐渐向热力影响区内部扩展,最终延伸并断裂于热影响区。腐蚀疲劳断口存在多个裂纹源,裂纹源萌生于腐蚀坑处。腐蚀疲劳裂纹扩展分为低速扩展、稳态扩展和快速亚稳态扩展3个阶段。在低速扩展阶段,产生了很多点蚀坑。在稳态扩展阶段,腐蚀疲劳具有脆性断裂特征。在快速亚稳态扩展阶段,循环荷载成为裂纹扩展的主要驱动力而腐蚀作用的影响减弱。腐蚀疲劳裂纹扩展的瞬断区呈现以脆性断裂为主的断裂特征。

腐蚀环境中2种典型钛-铝双耳两层结构的腐蚀行为对比

对采用不锈钢衬套和铜衬套的2种典型钛-铝双耳两层结构进行了加速腐蚀试验,采用扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)分析结构腐蚀形貌、腐蚀产物,对比分析2种结构的耐腐蚀性能。研究表明:在腐蚀环境中,经过10个周期的加速腐蚀试验,2种典型结构均发生了腐蚀疲劳破坏;不锈钢衬套结构的铝合金腐蚀疲劳裂纹形成时间早且断口腐蚀严重,铜衬套周围铝合金的严重腐蚀是诱发该结构腐蚀疲劳损伤的主要原因。推迟疲劳裂纹形成和降低电偶腐蚀等可提高不锈钢衬套结构的耐腐蚀性能,降低结构应力水平、加强结构的日常维护,能有效提高铜衬套结构的耐腐蚀性能。

水轮机叶片焊缝及其热影响区裂纹分析

水轮机叶片上的焊缝及其热影响区常发现有穿透性的裂纹,微观分析结果表明焊缝中存在夹杂物,在焊接残余应力、工作应力、机械震动应力和电化学腐蚀的共同作用下,造成水轮机叶片的焊缝及其热影响区形成穿透性的腐蚀疲劳裂纹。

某高温高压气井完井管柱开裂失效原因分析

某高温高压气井中的油管发生了纵裂失效事故,为了确定其纵裂失效原因,对该井完井管柱不同井深位置的油管抽样进行了探伤检查和理化试验。探伤结果表明,多根油管的接箍和管体外表面产生了裂纹。理化试验结果表明,油管接箍和管体外表面上的裂纹为应力腐蚀和腐蚀疲劳裂纹,裂纹形成的原因与油管材料、环境介质和完井管柱受力条件有关。通过对完井管柱受力条件进行分析计算,确定油管裂纹位置和严重程度与管柱结构设计有关,油管裂纹方向与管柱所受交变内压载荷有关。建议进行油气井管柱设计时油管柱采用伸缩管,并使用与S13Cr110油管匹配的完井液,可预防高压气井完井管柱中油管接箍和管体产生裂纹。