航天铝合金变极性等离子弧焊焊接接头的腐蚀与疲劳交替研究

随着可重复使用航天器理念的提出,可重用航天器多次空天往返和地面修复过程的腐蚀与疲劳交替问题不可忽视。本工作以5A06铝合金变极性等离子弧焊焊接接头为研究对象,对焊接接头进行腐蚀与疲劳交替试验,研究不同单位腐蚀时间对腐蚀与疲劳交替工况下疲劳寿命的影响。通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对其断口进行表征,分析了腐蚀与疲劳交替后焊接接头的损伤特性。结果表明,随着单位腐蚀时间的延长,腐蚀与疲劳交替寿命呈现先下降后平稳的趋势。这主要归因于腐蚀会钝化疲劳裂纹尖端,形成新的点蚀坑,同时钝化疲劳过程中的侵入/挤出和微裂纹降低了表面应力的集中程度,使疲劳寿命相对延长,从而反映出寿命保持稳定的状态。其中,断裂位置均处于热影响区,这主要因为焊接热影响区耐腐蚀性差,易造成严重腐蚀损伤,较大的腐蚀坑引起严重的应力集中,从而加速裂纹萌生。

航空铝合金腐蚀与疲劳交替研究现状

飞机在地面停放时主要受到腐蚀损伤,在空中工作时主要受到疲劳损伤,飞机重复经历停放和起飞的过程更接近地面腐蚀和空气疲劳的交替状态。因此,对近年来航空铝合金的腐蚀与疲劳交替研究现状进行综述和总结。首先介绍了腐蚀与疲劳交替裂纹萌生机理,然后根据铝合金腐蚀与疲劳交替研究进展,介绍了腐蚀与疲劳交替实验的分类和加速方法,同时总结了腐蚀与疲劳交替对寿命的影响及其寿命预测模型,并对未来发展趋势进行展望。

多因素作用下混凝土梁长期性能时变劣化规律

为了探究混凝土梁在锈蚀、疲劳、徐变等多因素长期作用下的性能劣化规律,对21根试验梁开展了锈蚀、疲劳和徐变的正交分组试验,通过对钢筋锈蚀深度、梁的刚度和疲劳寿命的测量计算,研究了钢筋混凝土梁长期性能的时变劣化规律。研究结果表明:相较于无损梁,在2.5%、15.0%、60.0%疲劳寿命比和3、6个月持续荷载作用下,损伤混凝土梁的锈蚀深度扩大了1.337~1.934倍;随着钢筋锈蚀和疲劳损伤程度的加深,损伤梁的刚度下降了1.694 kN·m^(2),在持续荷载作用下,其刚度仅为无损梁的34.1%;在锈蚀和徐变相继作用后,损伤梁的疲劳寿命仅为无损梁的16.14%。根据试验研究结果,给出了损伤混凝土梁的临界锈蚀深度衰减系数、短期刚度降低系数、刚度退化系数和疲劳寿命衰减系数,以反映复杂荷载与环境作用对混凝土梁长期性能的影响,为混凝土结构的长期性能评估提供了科学依据。

腐蚀疲劳交替环境下0Cr16Ni5Mo1不锈钢的损伤行为研究

目的研究腐蚀疲劳交替环境下0Cr16Ni5Mo1不锈钢的损伤行为。方法通过开展0Cr16Ni5Mo1不锈钢在不同腐蚀疲劳交替次数下的试验,分析腐蚀疲劳交替频率对疲劳寿命、表面形貌等的影响规律,明确其腐蚀疲劳交替损伤机理。结果腐蚀时间一定时,0Cr16Ni5Mo1不锈钢试验件的疲劳寿命随着腐蚀疲劳交替频率的增加而增加。交替频次较低时,疲劳断裂部位主要发生在试验件表面或侧面的腐蚀损伤处;交替频次较高时,疲劳断裂部位开始内部缺陷处出现。试验件表面附着的腐蚀产物随着交替周期的进行而减少,但随着交替次数的增加,基体截面深处出现腐蚀产物。结论0Cr16Ni5Mo1不锈钢试验件的疲劳寿命随交替次数的增加呈现指数函数规律的增长趋势。腐蚀-疲劳交替作用下,0Cr16Ni5Mo1不锈钢的表面腐蚀损伤形式主要为点蚀,裂纹主要萌生于试件表面的缺陷处,腐蚀加速了裂纹萌生的进程。交替次数的增加促进了表面和缺陷处钝化膜的生成,以及腐蚀产物在缺陷内部的堆积,从而使试验件寿命增大。

基于寿命包线的飞机典型搭接结构腐蚀疲劳寿命预测

针对飞机在腐蚀环境下服役的寿命预测问题,开展了某型飞机机身壁板搭接结构的腐蚀-疲劳交替试验。基于试验结果和飞机结构寿命包线理论体系,建立了该型飞机机身壁板搭接结构在不同服役地区、不同飞行强度下的寿命包线,并基于寿命包线对其剩余寿命进行了预测。通过开展验证试验,将试验结果与计算结果进行对比,发现预测误差为17.4%。说明结构寿命包线是飞机典型搭接结构寿命预测的有力工具,其预测结果是飞机服役过程中检修周期及寿命管理的一项重要参考依据。

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。

电梯试验塔用高强度螺栓断裂原因分析

本文通过断口分析、材质分析和力学性能测试,对一根电梯试验塔用的高强度螺栓的断裂原因进行分析。结果表明:没有明显证据表明该螺栓断裂与其本体质量及安装有关系;在雨水腐蚀及应力的作用下,裂纹在螺栓的螺纹根部萌生,随后在交变应力作用下,逐渐形成疲劳断裂。据此提出两点建议,一是对处于同等服役环境下存在断裂倾向的螺栓进行替换;二是做好螺栓与雨水之间的物理隔离。

航空航天铝合金腐蚀疲劳研究进展

铝合金因具有高的比强度、比模量,好的加工性能及焊接性能,在航空航天领域应用广泛。而腐蚀疲劳是造成航空航天材料失效的重要原因之一,因其危害性高、破坏性强且难以提前预测等特点,受到了广泛关注。铝合金腐蚀疲劳问题一直是飞机日历寿命研究中的重点问题,随着可重复使用航天器理念的提出,多次空天往返和地面修复过程也使腐蚀疲劳问题在可重用航天器上不可忽视。综述了近年来航空航天铝合金腐蚀疲劳的研究现状,从航空铝合金腐蚀疲劳机理的角度,归纳了腐蚀疲劳裂纹萌生和扩展机制。从腐蚀疲劳环境模拟和腐蚀环境等效两方面,介绍了目前主要的实验室腐蚀疲劳试验技术。分别从材料因素、环境因素和力学因素,分析对腐蚀疲劳裂纹扩展及寿命的影响。重点关注了腐蚀疲劳交替形式下疲劳寿命的特点。提出了在多因素共同影响下的腐蚀疲劳裂纹扩展、损伤演化和寿命预测,以及加速腐蚀环境的当量等效。试验与模拟的有机结合,是今后铝合金腐蚀疲劳的重要发展方向。

自然环境-疲劳交替作用对2024典型连接结构累积损伤的影响研究

目的揭示自然环境和疲劳交替作用下,2024典型连接结构环境损伤规律与损伤机制。方法采用静态暴露试验和静态暴露-疲劳交互试验,对比研究2024典型连接结构的累积损伤特性和疲劳寿命退化规律。通过电液伺服材料试验机测试不同试验周期的试样疲劳寿命,利用环境扫描电镜(SEM)和金相显微镜(OM)观察和表征试样疲劳断口形貌及微观腐蚀特征,利用X射线应力分析仪测量了周期加载引起的孔边残余应力变化。结果金相分析结果表明,周期疲劳加载对2024连接结构的腐蚀损伤进程有一定加速性,交互试验2年的腐蚀深度(51.9μm)大于静态暴露试样(47.0μm)。中值疲劳寿命变化曲线显示,相同环境腐蚀条件下,静态暴露的试样疲劳寿命较“疲劳+静态暴露”交互试验方式有所提高,裸材试样的中值疲劳寿命约为交互试验的1.5~2.3倍,带涂层试样的中值疲劳寿命约为交互试验的1.1~1.4倍。紧固孔周边残余应力检测数据表明,受外加交变应力和环境腐蚀的叠加作用,孔边残余压应力逐渐减小,产生局部塑性变形,这会对疲劳寿命造成不利影响。结论“疲劳+静态暴露”交互试验条件下的试样疲劳寿命退化与低载锻炼效应和电化学效应相互竞争、孔边残余压应力变化及微动磨损密切相关,从而呈现出先升高、后小幅振荡下降的趋势。

荷载与环境的耦合作用对混凝土梁腐蚀疲劳的影响

主要研究了循环荷载与腐蚀环境的耦合作用对混凝土梁腐蚀疲劳的影响,根据试验测试的钢筋应变数据可以看出,腐蚀和疲劳的共同作用加速了钢筋应变的发展。疲劳或腐蚀的单一影响,以及腐蚀后疲劳致使构件劣化的程度,不及腐蚀疲劳作用造成的劣化结果严重,这种共同作用加速劣化进程。从应变发展的连续性来看,耦合作用是连续的,伴随试验构件直至破坏的全过程。研究表明,腐蚀疲劳是使钢筋混凝土构件过早丧失耐久性能的重要原因,研究成果可为构件的耐久性设计和防止在役构件劣化的工程技术措施提供参考。

海洋大气环境与拉伸疲劳载荷耦合作用下30CrMnSiNi2A钢的腐蚀损伤行为

目的研究海洋大气环境与拉伸疲劳载荷耦合作用对30CrMnSiNi2A钢腐蚀损伤行为的影响。方法在湿热海洋大气环境万宁试验站户外环境,首次采用海洋大气环境-拉、压、弯载荷耦合试验设备对30CrMnSiNi2A钢开展海洋大气环境-拉伸疲劳载荷耦合试验,利用金相显微镜、耦合试验设备和扫描电镜,探讨海洋大气环境腐蚀与拉伸疲劳载荷耦合作用对30CrMnSiNi2A钢的腐蚀形貌、腐蚀产物、拉伸性能及断口形貌的影响。结果30CrMnSiNi2A钢静态暴露试验和耦合试验的腐蚀特征均为点蚀,静态暴露试验1 a和耦合试验35 d的最大腐蚀深度分别为95μm和54μm。静态暴露试验1 a,30CrMnSiNi2A钢的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别下降6.6%、6.5%、31.0%;耦合试验35 d,30CrMnSiNi2A钢的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率分别下降11.0%、11.4%、34.5%。断口形貌结果显示,30CrMnSiNi2A钢耦合试验的裂纹源附近扩展区为准解理形貌,存在细小二次裂纹,裂纹以疲劳源为中心,向芯部不断扩展,形成了具有方向性的腐蚀疲劳损伤。结论海洋大气环境腐蚀与拉伸疲劳载荷的耦合作用可以加速30CrMnSiNi2A钢拉伸性能的下降,与静态暴露试验相比,耦合试验的加速倍率约为静态暴露试验的10倍。

G105钻杆管体刺穿失效分析

某油田钻井公司使用的规格为φ101.6 mm×8.38 mm的G105钻杆先后发生两起管体刺穿失效事故,通过化学成分分析、力学性能测试、金相检验、X射线衍射等方法并结合钻杆的受力状态对钻杆刺穿原因进行了分析。结果表明:钻杆刺穿失效形式为腐蚀疲劳,在钻井液中腐蚀介质作用下,钻杆首先发生氧腐蚀和Cl^-加速腐蚀,使钻杆外表面产生许多腐蚀坑,并于腐蚀坑底部形成应力集中;随后在钻井过程的交变应力作用下,应力集中严重的腐蚀坑底部开始萌生裂纹,裂纹不断疲劳扩展直至穿透管壁;最终在钻杆内钻井液的冲刷作用下发生刺穿失效。

模拟波浪作用下锈蚀钢筋混凝土墩柱的疲劳试验研究

基于莫里森方程,将波长、波高、建筑前水深、基床上水深满足一定条件下的波浪荷载简化成正弦式疲劳荷载。通过墩柱构件的通电锈蚀和疲劳加载试验,研究锈蚀率和疲劳加载频率对裂缝宽度和残余应变的影响。结果表明:目标锈蚀率为0,5%时,疲劳加载频率对裂缝宽度和残余应变的增幅均不超10%;目标锈蚀率为10%时,疲劳加载频率与两者几乎无关;锈蚀率对两者的影响较为显著,降低钢筋的锈蚀率有助于提高钢筋混凝土墩柱的耐久性。

环境与疲劳载荷耦合效应相关性理论模型

针对恶劣海洋环境作用下,结构的耐久性与环境作用的相关关系问题,通过对实验数据的分析,研究了干湿交替、冻融循环、腐蚀疲劳恶劣海洋环境作用的相关理论模型.研究结果表明:环境效应作用具有时间特性、作用的相继性和叠加性,各作用效应强度取决于作用前的结构状况,共同作用效应强度将放大作用效果,存在耦合关系,具有明显的相关关系;通过分析作用效应及相关试验结果,给出了基于斜平面的相关关系的理论模型、曲面及边界方程,明确了腐蚀疲劳破坏域的概念,且破坏域由外部曲面包围.

φ139.7 mm×10.54 mm G105钻杆刺穿失效分析

采用宏观分析、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、扫描电镜断口分析及能谱分析等手段对某规格为φ139.7 mm×10.54 mm的G105钻杆的刺穿原因进行了分析。结果表明:钻杆刺穿的实质是早期疲劳失效;蹩钻、跳钻等钻柱振动引起钻杆上产生的严重交变应力是导致钻杆失效的主要原因;钻井液中的溶解氧对钻杆外表面造成氧腐蚀并形成腐蚀坑,促进了疲劳裂纹的萌生;钻铤直接过渡到钻杆,截面变化突然,使应力集中加剧,也是导致钻杆发生疲劳失效的原因之一。建议在钻井液中添加除氧剂和缓蚀剂,并适当降低钻压,调整钻井参数,避免钻柱剧烈振动。

列车用弹簧断裂原因分析

采用直读光谱仪、光学显微镜和扫描电子显微镜等分析手段对断裂弹簧进行了失效分析。结果表明,该弹簧断裂性质为腐蚀疲劳断裂。弹簧表面与表面的有机涂层存在一定的间隙,外界的水蒸气和腐蚀性离子会穿透有机涂层,对基体材料造成腐蚀,产生腐蚀坑,形成应力集中点,在交变载荷和腐蚀性介质的共同作用下产生裂纹源,最终发生腐蚀疲劳断裂。

碳化与列车荷载耦合作用下城市轨道交通U型梁腐蚀疲劳寿命评估

为了研究碳化环境与重复列车荷载耦合作用下城市轨道交通U型梁的疲劳损伤演化规律以及腐蚀疲劳性能,提出一种考虑碳化锈蚀与疲劳耦合效应的城市轨道交通U型梁腐蚀疲劳寿命评估方法,研究混凝土保护层疲劳开裂对钢筋锈蚀的加速效应以及钢筋锈蚀对疲劳抗力的影响。针对某城市轨道交通高架线的30 m预应力混凝土U型梁,采用该方法评估该U型梁在设计工况下的疲劳损伤演化规律和腐蚀疲劳寿命,并分析不同列车通行频率和碳化环境对疲劳损伤演化及腐蚀疲劳寿命的影响。研究结果表明:在所设计的碳化环境和列车通行频率下,U型梁的腐蚀疲劳寿命为403 a,表明U型梁的腐蚀疲劳性能良好;碳化环境和列车通行频率对U型梁腐蚀疲劳寿命影响较大;与设计工况相比,极端碳化环境和极限列车通行频率分别导致U型梁的腐蚀疲劳寿命下降30.28%和31.27%,在两者共同作用下,腐蚀疲劳寿命下降45.41%。

G105钻杆刺穿原因分析

某油井G105钻杆在使用过程中发生刺穿失效。通过宏观分析、化学成分分析、力学性能分析、金相分析、扫描电镜分析及腐蚀产物XRD分析的方法对该钻杆的刺穿原因进行分析。结果表明:该钻杆的失效原因是钻杆内表面发生氧腐蚀形成腐蚀坑;钻杆加厚过渡区存在截面变化而产生应力集中,加之腐蚀坑底部的应力集中,在腐蚀坑底部萌生疲劳裂纹并贯穿壁厚,管内高压钻井液沿贯穿裂纹由内向外刺出而失效。

高炉煤气能量回收透平叶片失效的原因

某湿式高炉煤气能量回收透平(TRT)机组运行3a后,发现其一级和二级动叶片叶根出现裂纹,通过宏观形貌观察、化学成分分析、拉伸性能测试、微观形貌观察等对叶片进行了失效分析,探讨了裂纹产生的原因。结果表明:叶片上的裂纹属于典型的腐蚀疲劳开裂,裂纹位于叶根第一榫齿中间部位;裂纹在叶根与主轴榫槽的接触面所产生的腐蚀坑处萌生,在复杂交变应力的作用下,裂纹进一步扩展,最终导致机组的异常振动和停机。

伶仃洋大桥锌-铝-稀土合金镀层钢丝腐蚀-疲劳耦合试验研究

深中通道伶仃洋大桥主缆采用∅6 mm 2060 MPa锌-10%铝-稀土合金镀层钢丝,为了解腐蚀-疲劳耦合作用对该类型钢丝疲劳寿命的影响,对其进行试验研究。在钢丝试样常规疲劳试验的基础上,结合伶仃洋大桥主缆的承载特征和海洋环境下的服役特点,对腐蚀疲劳试验的方法进行比选,最终采用了干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验的新方法,研究不同应力变幅下主缆钢丝的腐蚀疲劳寿命、腐蚀状态及断口形态。结果表明:由于腐蚀和疲劳循环耦合作用,∅6 mm 2060 MPa锌-10%铝-稀土合金镀层钢丝抗疲劳性能有所降低,其疲劳应力变幅越大,疲劳循环次数降低幅度越大。当应力变幅为360 MPa时,在相当于4倍以上常规热镀锌钢丝盐雾腐蚀试验时间的腐蚀下,钢丝表面锈蚀超过30%,其应力循环次数为197万次,接近200万次。