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海洋工程装备材料腐蚀疲劳裂纹扩展研究综述
撰稿:防腐工程采购网
 
 

       腐蚀疲劳是疲劳应力与腐蚀环境共同作用的损伤形式,广泛存在于工作环境比较恶劣的装备中,例如:石油化工、海洋装备等。复杂的腐蚀环境会降低材料的抗疲劳特性,使其更易发生塑性变形,加速裂纹的扩展,降低材料的使用寿命。腐蚀疲劳对生产生活有着不可忽视的作用, 常常会造成结构的失效断裂,产生严重的事故,给国民经济造成无法挽回的损失,因此,加强对腐蚀疲劳的研究十分必要。

            

       腐蚀疲劳是疲劳应力与腐蚀环境共同作用的损伤形式,广泛存在于工作环境比较恶劣的装备中,例如:石油化工、海洋装备等 。 复杂的腐蚀环境会降低材料的抗疲劳特性,使其更易发生塑性变形,加速裂纹的扩展,降低材料的使用寿命。腐蚀疲劳对生产生活有着不可忽视的作用, 常常会造成结构的失效断裂,产生严重的事故,给国民经济造成无法挽回的损失,因此,加强对腐蚀疲劳的研究十分必要 。

       随着科学技术的快速发展和生活水平的不断提高,单一的陆地资源已难以满足社会的需求,大家也逐渐把目光投向资源丰富且开发率较低的广阔海洋。 我国海洋资源的开发还处于初期阶段, 油气资源的开采还需要进一步加强。 造成油气资源开发缓慢的因素有很多, 其中海洋工程装备落后是主要原因, 而解决海洋工程装备材料腐蚀疲劳问题更是重中之重  。 目前,以 E690 为代表的高刚强因具有较好的耐腐蚀性和较高的抗疲劳特性等优点, 被广泛应用于海洋工程装备中 。欧美、日本等发达国家和地区对 E690 高强钢的研发、生产及应用比较早,标准及规格完善,耐腐蚀性、强度等性能研究及加工工艺都处于世界领先地位。 国内针对海洋工程装备材料 E690 的腐蚀疲劳特性的研究还较少, 主要是通过微观组织、 化学成分和金相等手段研究热处理工艺对其力学与防腐性能的影响 。

       海洋工程装备材料高强钢的腐蚀疲劳已成为严重制约大型海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一,其失效问题更是严重影响大型海洋工程装备的可靠性和安全性,因此有必要对海洋工程装备用高强钢的腐蚀疲劳裂纹扩展机理与规律进行深入研究。本文综述了海洋工程装备材料腐蚀疲劳裂纹扩展的影响因素, 介绍了裂纹扩展速率的计算模型,比较了优缺点,并展望了腐蚀疲劳裂纹扩展的研究趋势。

1 腐蚀疲劳裂纹扩展的影响因素

       腐蚀疲劳是指材料在腐蚀环境和疲劳载荷耦合作用下产生的损伤,宏观表现为裂纹的扩展。与常规疲劳裂纹扩展不同, 腐蚀疲劳裂纹扩展不仅受到疲劳载荷和材料自身特点的影响, 还受到腐蚀环境因素的影响。 因此, 影响腐蚀疲劳裂纹扩展的因素主要可分为环境因素、力学因素和材料因素。 

1.1 环境因素

       腐蚀环境对材料的影响主要是电化学腐蚀,即材料与腐蚀介质形成腐蚀电池,阳极金属溶解、扩散,宏观上表现为裂纹的萌生与扩展;阴极析氢,氢聚集吸附在材料表面,部分氢气进入材料内部,发生氢脆,降低材料韧性, 促进裂纹扩展, 最终导致材料断裂失效。 影响材料电化学腐蚀的环境因素主要有 pH 、含氧量、温度、氯化物的浓度以及干湿交替环境等。

       pH 值反映腐蚀介质的酸碱度,它的变化对腐蚀过程有着重要影响。 一般腐蚀环境可分为酸性、中性和碱性,不同状态下,腐蚀疲劳裂纹的扩展速度存在很大的差异。 随 pH 值的增大,裂纹扩展速率逐渐降低,次级小裂纹萌生数量也减少 。 曾荣昌等 [13]研究了 pH 值对 Mg 合金腐蚀的影响, 当腐蚀溶液为酸性和中性时,材料表面出现点蚀坑,发生局部腐蚀,促进裂纹的扩展;当腐蚀溶液为碱性时,点蚀坑的数量明显减少, 此时材料发生均匀腐蚀且腐蚀速率降低。 黄发从材料表面氧化物的角度研究了 pH值对 690 合金钢电化学腐蚀的影响, 当 pH 值从低到高变化时,钝化膜的溶解速度逐渐降低。 在 pH 值达到 8 以后,钝化膜的电阻较大,致密性很好,电化学腐蚀的强度明显减弱, 腐蚀疲劳裂纹的扩展速率相应降低。

       含氧量是腐蚀环境中不可忽略的因素, 氧对腐蚀过程的影响主要体现在两个方面: 一是氧气溶解在腐蚀介质中, 与电化学腐蚀电池的阴极发生氧化还原反应, 从而促进电化学腐蚀的进行。 二是溶解于腐蚀介质中的氧会与阳极溶解产生的金属发生化学反应,产生氧化物,不同含氧量会导致不同氧化物的产生,影响腐蚀疲劳裂纹的扩展 。 傅晓蕾利用电化学阻抗谱和动电位极化的方法研究海水中溶解氧对船体腐蚀的影响, 发现随海水中氧含量的增加,船体用钢的腐蚀电位和腐蚀电流逐渐增大,裂纹扩展速率增加。 彭文才在研究温度与氧浓度对铝合金在海水中腐蚀行为的影响时发现, 氧浓度会改变电化学腐蚀中的点蚀电位, 高温高氧浓度会使铝合金在海水中主要发生均匀腐蚀, 而在低温低氧的情况下,腐蚀形式以点蚀为主。

      腐蚀疲劳的裂纹扩展与温度有着密不可分的关系,较高温度对腐蚀疲劳裂纹扩展过程有着活化、促进的作用。 J Burns 通过研究低温环境下裂纹扩展时发现,疲劳裂纹扩展的速率与温度呈正相关,随温度的升高,裂纹的扩展速率也逐渐提高。 伴随着温度的升高,材料的物理性能也会发生改变,抗拉强度和弹性模量会因为高温而变小, 腐蚀疲劳耦合作用下的裂纹扩展速率会提高 。当温度升高到一定值时,由于腐蚀产物的变化,裂纹扩展速率会略有下降 。

      影响腐蚀疲劳裂纹扩展的环境因素还有很多,例如腐蚀介质的成分以及微生物等, 对裂纹的扩展都会有一定的影响。同时,材料处在干湿交替的环境中,腐蚀疲劳裂纹扩展速率也会提高。干湿交替环境会在金属表面形成薄液,而薄液的存在有利于氧的扩散传播,在疲劳载荷的共同作用下,促进阳极溶解以及阴极析氢反应,从而加速腐蚀疲劳裂纹的扩展 。 

1.2 力学因素

       在腐蚀疲劳裂纹扩展过程中, 力学因素占据主要地位。 影响腐蚀疲劳裂纹扩展的力学因素主要有应力比、频率、应力幅和波形等。

       针对应力比 R 对腐蚀疲劳裂纹扩展的影响问题,目前国内外学者有着不同的看法。有些学者认为应力比 R 对裂纹扩展的影响有着明显的促进作用。随着应力比 R 的提高,腐蚀疲劳裂纹扩展的门槛值会相应的降低,裂纹扩展速率也会明显提高 。 李松梅利用扫描电镜观察端口发现,应力比对裂纹扩展的影响具有明显的阶段性, 应力比 R 对腐蚀疲劳裂纹扩展的初期阶段和失稳扩展阶段有着明显的影响,而对裂纹稳定扩展阶段的影响比较小。徐人平认为应力比对不同的材料有着明显不同的影响, 塑性性能较好的金属材料对应力比变化的敏感性较差;而塑性较差的材料裂纹扩展速率会随应力比的增加而明显提高。在工程实践中,描述裂纹扩展速率的主要方法是运用 Paris 公式,通过试验发现: R-da/dN-ΔK 有着很好的相关性,在同一 ΔK 的情况下,随着R 的增大, Paris 式中的 C 变大, m 减小 。

       载荷加载频率对裂纹扩展的影响不仅仅是疲劳方面,对腐蚀损伤也有很大的影响。随载荷频率的提高,在一个裂纹扩展周期内,腐蚀介质与材料之间腐蚀反应的时间变短,相应的腐蚀产物减少,腐蚀疲劳裂纹扩展也逐渐趋向于纯疲劳作用下的裂纹扩展。 大量试验研究发现,随频率的提高,腐蚀疲劳裂纹扩展速率减小, 有着向单纯疲劳裂纹扩展靠拢的趋势 。 同时,不同材料腐蚀疲劳特性对加载频率的敏感性也不同。

       A Albedah通过对比试验发现,应力幅的变化对腐蚀疲劳裂纹扩展也有影响,当应力幅值升高时,裂纹数量及裂纹扩展速率要比低应力幅高, 材料损伤加重,试件寿命降低。

       不同的加载波形对腐蚀疲劳扩展有着不同的影响,当对试件加载正弦波、三角波和正锯齿波时,腐蚀溶液会加速裂纹的扩展速度; 当加载锯齿波和方波时, 腐蚀疲劳裂纹扩展的速率与疲劳裂纹扩展速率相近 。

1.3 材料因素

       影响腐蚀疲劳裂纹扩展的另一个因素是材料自身方面,例如材料的内部缺陷、合金成分以及材料自身特性等,都会对腐蚀疲劳裂纹的扩展产生影响。大量的试验证明: 不同的热处理工艺对高强度钢的抗腐蚀疲劳特性有着不同的影响, 这主要是因为不同的热处理工艺会使材料拥有不同的金相组织,产生不同的腐蚀疲劳损伤,从而改变裂纹的扩展速率 。张忠建通过研究硬质合金在其工作环境中腐蚀疲劳特性时发现,裂纹的萌生多发生在材料杂质、气孔等处,裂纹的扩展速率也明显提高。

2 腐蚀疲劳裂纹扩展模型

       腐蚀疲劳对材料影响的宏观表现可加速裂纹的扩展,裂纹的扩展可分为裂纹的萌生、稳定扩展和失稳扩展三个阶段, 其中裂纹的萌生和稳定扩展占据裂纹全寿命的主要部分, 腐蚀环境也主要影响这两个阶段 。 同时,裂纹的扩展过程也可分为短裂纹和长裂纹,在腐蚀疲劳作用下,短裂纹比长裂纹更易发生,短裂纹的扩展速率比长裂纹也要高很多 。

2.1 腐蚀疲劳裂纹扩展类型

       腐蚀疲劳裂纹扩展主要是腐蚀环境、 疲劳载荷以及材料因素共同作用产生的结果, 针对腐蚀疲劳裂纹扩展的研究已有很多, 其中主要的评价方法还是利用断裂力学中的知识, 利用裂尖应力强度因子ΔK 与裂纹扩展速率之间 da/dN 的关系搭建腐蚀疲劳裂纹扩展模型。 根据图 1 描述的腐蚀疲劳裂纹扩展速率( da/dN ) cf 与常规疲劳裂纹扩展速率( da/dN ) f 之间的关系,腐蚀疲劳裂纹扩展类型可以分为 3 类 。

    1 ) 类型 a

        由图 1 ( a )可知,腐蚀介质会使腐蚀疲劳裂纹扩展门槛值 ΔK thcf 低于疲劳裂纹扩展门槛值 ΔK th ,同时提高了裂纹扩展速率。 当裂纹扩展接近裂纹失稳扩展阶段时,腐蚀介质的作用降低,腐蚀疲劳裂纹扩展速率接近纯疲劳作用下的裂纹扩展速率。 此类型的典型代表有铝合金和水介质的腐蚀疲劳反应。

    2 ) 类型 b

        由图 1 ( b )可知,当应力强度因子低于临界应力强度因子 K ISCC ( 1-R )时,其中 R 为应力比,腐蚀介质的影响基本上可忽略不计; 当应力强度因子达到K ISCC ( 1-R )时,裂纹扩展速率迅速提升,在达到一定值后,进入稳定扩展阶段,最后裂纹进入失稳扩展阶段,腐蚀的作用再次减弱。 这种类型的代表有:钢与氢介质的腐蚀疲劳裂纹扩展。

    3 ) 类型 c

        图 1 ( c )的类型是前两种腐蚀疲劳裂纹扩展类型的混合型,很多材料的腐蚀疲劳就属于此类型,具有很好的代表性。


2.2 腐蚀疲劳裂纹扩展模型

       由于腐蚀介质和材料具有多样性, 很难对各种材料进行系统地试验研究, 更无法建立一个通用的模型来计算腐蚀疲劳裂纹的扩展速率。 很多学者通过大量的试验, 研究了不同的腐蚀疲劳裂纹扩展机理,提出了不同的腐蚀疲劳裂纹扩展模型。

    1 ) 叠加模型

        Wei 和 Landes [48] 在研究高强钢腐蚀疲劳时,率先 提 出 了 腐 蚀 疲 劳 线 性 叠 加 的 模 型 , 认 为 当ΔK>K ISCC 时, 腐蚀介质和疲劳载荷对材料的影响是相互独立的, 总的裂纹扩展速率可由腐蚀裂纹扩展速率和单纯疲劳裂纹扩展速率叠加而成,即:

    (da/dN) cf =(da/dN) f +(da/dN) c ( 1 )

        式中: (da/dN) f 为单纯疲劳裂纹扩展速率; (da/dN) c 为腐蚀裂纹扩展速率; (da/dN) cf 为腐蚀与疲劳叠加后的裂纹扩展速率。同时,腐蚀裂纹扩展速率还可利用时间来表示,即:

    (da/dN) c =1/f(da/dt) c ( 2 )

       这种叠加模型将腐蚀与疲劳载荷对裂纹扩展的影响分开考虑, 简化了腐蚀疲劳裂纹扩展速率的计算。 但是,这种模型忽略了腐蚀与疲劳的相互作用,无法准确计算材料实际的腐蚀疲劳损伤, 具有局限性。 随着腐蚀科学的发展, Wei 和 Simmons [49] 又对前面提出的模型进行修正, 加入腐蚀疲劳耦合作用下的裂纹扩展速率:

     (da/dN) cf =(da/dN) f +(da/dN) c +(da/dN) cfc ( 3 )

       式中: (da/dN) cfc 为腐蚀环境与循环载荷耦合作用下的裂纹扩展速率,因腐蚀环境和材料的不同而变化,还没有确定的计算公式。

       叠加模型虽然考虑了腐蚀环境与疲劳载荷相互作用下的裂纹扩展, 但是由于材料和腐蚀环境具有多样性,无法定量地给出腐蚀疲劳的裂纹扩展速率,具有很大的局限性。

    2 ) 竞争模型

       金属材料的腐蚀疲劳过程包含腐蚀过程和疲劳损伤过程, 但裂纹扩展速率并不是两者简单的线性叠加, 而是用两者中裂纹扩展速率较大的一个代替整个腐蚀疲劳裂纹扩展速率,这就是竞争模型 [50] ,即:

    (da/dN) cf =max[(da/dN) f , (da/dN) c ] ( 4 )

     LinWeng 和 SergiyKalnaus [51] 提出了一种新型的竞争模型,即:

    (da/dN) cf =[(da/dN) air ] 1-β [(da/dN) air +(da/dN) c ] β ( 5 )

      式中: (da/dN) air 为在干燥空气中的疲劳裂纹扩展速率, β 为 0~1 变化的系数。 当 β 趋于 0 时,腐蚀疲劳裂纹扩展以疲劳裂纹扩展为主;当 β 趋于 1 时,腐蚀疲劳裂纹扩展是腐蚀与疲劳共同作用。

       虽然过程竞争模型具有计算难度低、 便于工程运用的特点, 但它还是有较大的局限性。 由于材料特性、环境因素以及疲劳载荷具有多样性,这使得腐蚀疲劳过程也不可能完全相同, 若只是利用单方面的最大裂纹扩展速率来代替整个腐蚀疲劳裂纹扩展速率,就会忽略另一方面的影响,无法准确计算整个腐蚀疲劳裂纹扩展速率。

      ( 3 )基于能量守恒原理的裂纹扩展模型黄小光在利用热力学原理研究裂纹扩展时,根据能量守恒原理, 指出腐蚀疲劳裂纹扩展时阳极溶解的电化学能 U 、 动能 E k 以及静态能 u c 总和不变,即:


       式中: E 为弾性模量; k 为材料常数; ρ 为密度; N 0 为单位体积内活动位错源的平均数; L 为滑移面平均长度;β 硬化指数; n p b 为位错数; ν 为泊松比; σ a 为应力幅; σ 0 为平均应力; f 为加载频率; a 为裂纹长度。

       此模型从能量守恒角度计算腐蚀疲劳裂纹扩展速率, 提供了一种全新的思路来研究海洋工程材料腐蚀疲劳问题, 能很直观地反映影响腐蚀疲劳裂纹扩展的主要因素。 同时,该模型也有一些局限性,例如, 并未考虑电化学腐蚀中阴极析氢产生的氢脆及其能量变化。

    4 ) Paris 模型

       影响腐蚀疲劳裂纹扩展的因素有很多, 无论是叠加模型还是竞争模型, 在工程运用方面都是较困难。在实际计算过程中,腐蚀疲劳裂纹扩展速率的计算还是依靠 Paris 模型,在疲劳裂纹扩展的基础上考虑腐蚀环境的影响,对 Paris 公式进行修正,即:

    (da/dN) cf =D ( t ) × ( ΔK ) m ( 8 )

     式中: m 为材料参数; D ( t )为与腐蚀介质、加载频率和应力比等有关的参数。

       这种修正方法在工程实践中广泛运用, 以材料在单纯疲劳载荷作用下的裂纹扩展规律为基础,引入环境因素因子, 找出环境因子与疲劳载荷因素的关系,得到新的腐蚀疲劳裂纹扩展模型,再与试验数据对比。 这种方法为工程实践提供了一种很好的思路。

      李旭东在研究加载频率对铝合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响时, 提出了一种新的腐蚀疲劳裂纹扩展数学表达式:

     (da/dN) cf =B cf ( ΔK-ΔK thcf ) ( 9 )

       式中: B cf 为与加载频率有关的表达式。

       XiangqiMen在研究 7075 铝合金腐蚀疲劳特性时,提出裂纹扩展预测模型:

       da/dN=L(ΔK , enν , f … )(da/dN) f ( 10 )式中: L 是关于应力强度因子、腐蚀环境和加载频率的函数。 在研究加载频率对腐蚀的影响时提出了新的数学表达式:

       da/dN=C … 10ii 0+ af! “( ΔK ) m×β ( 11 )式中: i 0 是海水表面的电流强度; α 是表面电流强度与频率的关系; β 为基础常数; f 为加载频率。 通过试验发现:在 3.5%NaCl 溶液中, α 值为 10 , β 值的变化范围为 0.7~1.5 。

       纪冬梅将载荷频率 f 、应力比 R 和腐蚀介质浓度 D 引入腐蚀疲劳裂纹扩展公式 :

      da/dN=C env C Air ( ΔK ) m ( 12 )式中: C env 和 C Air 分别为腐蚀环境因子和干燥空气因子。

      从式( 12 )可通过试验数据拟合得到腐蚀环境因子和干燥空气因子的数学表达式, 具有较好的准确性,但是该公式还是有一些局限性,例如工作量大、没有很好的通用性,也没有区分主要的影响因素。 

3 总结与展望

       目前,针对腐蚀疲劳裂纹扩展的研究有很多,且取得了很多成果,本文总结了很多腐蚀疲劳裂纹扩展速率计算模型, 对于工程结构中腐蚀与防护有着很大帮助。 但是,国内针对海洋工程材料(例如 E690 高强钢)的腐蚀疲劳特性研究较少,要想准确计算腐蚀疲劳裂纹扩展速率,必须解决以下两个方面的问题:

      ( 1 ) 将主要影响因素考虑到腐蚀疲劳裂纹扩展试验中。 影响腐蚀疲劳裂纹扩展的因素有很多,不同的材料和腐蚀环境对于腐蚀疲劳裂纹扩展的影响不同, 准确找出腐蚀疲劳的主要影响因素对研究其裂纹扩展有很大帮助。 例如,影响 E690 高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展的主要因素有应力比、 应力幅、 pH 和干湿交替环境等等,而频率的影响程度就相对减弱。

      ( 2 ) 建立较准确的腐蚀疲劳裂纹扩展理论模型。针对腐蚀疲劳裂纹扩展的模型有很多,这些模型对腐蚀疲劳裂纹扩展的理论研究有很大的帮助,但是将这些模型运用到实际工程中还有一些困难。 目前, 工程中对于腐蚀疲劳裂纹扩展速率的计算模型还是依靠基于断裂力学的 Paris 公式,对其系数进行修正。 将环境因子引入到海洋工程材料腐蚀疲劳裂纹扩展研究中,综合考虑主要影响因素,并给出其数学表达式,定量研究其腐蚀疲劳裂纹扩展。 同时,根据不同阶段腐蚀疲劳裂纹扩展具有的差异性提出分段模型,可更加真实地反应实际裂纹扩展行为,以为海洋工程装备的研发提供支持。

 

                                                                      

 
 
 
 
 
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