0Cr18Ni9鋼腐蝕疲勞彎曲裂紋擴展行為研究

楊大鵬,潘海洋,趙耀

(1.鄭州職業(yè)技術(shù)學院機械工程系,河南 鄭州 450121 ；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學院城市軌道交通系,河南 鄭州 450121；

3.華中科技大學船舶與海洋工程學院,湖北 武漢 430074)

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0Cr18Ni9鋼腐蝕疲勞彎曲裂紋擴展行為研究

楊大鵬1，3,潘海洋2,趙耀3

(1.鄭州職業(yè)技術(shù)學院機械工程系,河南 鄭州 450121 ；2.鄭州職業(yè)技術(shù)學院城市軌道交通系,河南 鄭州 450121；

3.華中科技大學船舶與海洋工程學院,湖北 武漢 430074)

摘要：計算分析0Cr18Ni9鋼的疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液腐蝕狀態(tài)下與未腐蝕狀態(tài)下的擴展速率與應(yīng)力比R、加載頻率f、應(yīng)力強度因子的變化幅值、彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值、彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系.研究結(jié)果表明，隨應(yīng)力比R不斷增大及加載頻率f逐漸減小，0Cr18Ni9鋼的疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液腐蝕狀態(tài)下的擴展速率逐漸增大，其擴展速率增大的程度在裂紋擴展的第一階段較明顯，第二階段有所減弱，第三階段趨于平緩；在NaCl水溶液腐蝕狀態(tài)下的疲勞斷裂特性方面，線彈性疲勞彎曲裂紋與彈塑性疲勞彎曲裂紋與各影響因素的關(guān)系具有相似性.

關(guān)鍵詞：0Cr18Ni9鋼；腐蝕；疲勞彎曲裂紋；擴展速率

0引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是船舶與海洋工程制造中，NaCl水溶液腐蝕是普遍存在的.NaCl水溶液腐蝕是由于化學或電離反應(yīng)所產(chǎn)生的鈉離子和氯離子擴散到金屬內(nèi)部所引起的各種破壞.海水中存在大量的NaCl，船舶與海水接觸的部分將會發(fā)生NaCl水溶液腐蝕.在石油化工企業(yè)中，許多設(shè)備都在高溫高壓下服役，尤其是NaCl水溶液裝置中的壓力容器，其內(nèi)部的NaCl對安全性會產(chǎn)生較大威脅，使用壽命降低.所以，環(huán)境介質(zhì)對工程結(jié)構(gòu)材料疲勞斷裂性能的影響規(guī)律正日益受到科研工作者的重視.

已有的科研成果主要局限于NaCl水溶液腐蝕直線裂紋在疲勞載荷作用下的擴展特性研究[1-5]，而工程實際中，在NaCl水溶液腐蝕狀態(tài)下，直線裂紋在擴展過程中將由于疲勞載荷的不完全對稱性、結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的物質(zhì)不均勻性與物質(zhì)衰變、斷裂韌度的空間變化等多種因素而發(fā)生彎曲擴展現(xiàn)象.目前針對疲勞載荷作用下的NaCl水溶液腐蝕線彈性與彈塑性彎曲裂紋斷裂性能參數(shù)計算和路徑預(yù)測等問題的研究很少，深度不夠[6-13].本文中將對疲勞載荷作用下的NaCl水溶液腐蝕線彈性與彈塑性彎曲裂紋擴展行為問題進行研究.

10Cr18Ni9鋼在NaCl水溶液中的疲勞彎曲裂紋擴展行為

1.1線彈性疲勞彎曲裂紋擴展行為設(shè)裂紋體的斷裂韌性為KC，應(yīng)力強度因子變化幅度的門檻值為ΔKth，疲勞載荷的應(yīng)力比為R.令投影長度為a的彎曲裂紋的長度為L.根據(jù)0Cr18Ni9鋼腐蝕試樣實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果[1-5]，可得出線彈性或小范圍屈服條件下疲勞彎曲裂紋的穩(wěn)定擴展速率表達式為：

(1)

1.2彈塑性疲勞彎曲裂紋擴展行為根據(jù)0Cr18Ni9鋼腐蝕試樣實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果[1-5]，彈塑性疲勞彎曲裂紋的穩(wěn)定擴展速率可表達為(2)式和(3)式：

(2)

(3)

2結(jié)果討論與分析

對(1)式進行計算分析，可知0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液中腐蝕狀態(tài)下的擴展速率比在空氣中未腐蝕狀態(tài)下大很多.開始當應(yīng)力強度因子的變化幅值ΔK較小時，腐蝕與未腐蝕兩種狀態(tài)下的擴展速率差距較大，其后隨應(yīng)力強度因子的變化幅值ΔK逐漸增大，兩種狀態(tài)下的擴展速率差距逐漸變小.隨應(yīng)力比R的不斷增大以及加載頻率f的逐漸減小，0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液中腐蝕狀態(tài)下的擴展速率逐漸增大.0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴展速率增大的程度在裂紋擴展的第一階段較明顯，第二階段有所減弱，第三階段趨于平緩，如圖1、圖2所示.

圖1為加載頻率f=5 Hz時，0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率在不同應(yīng)力比下與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線.其中曲線1是應(yīng)力比R=0.1時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線2是應(yīng)力比R=0.1時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線3是應(yīng)力比R=0.3時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線4是應(yīng)力比R=0.3時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線5是應(yīng)力比R=0.5時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線6是應(yīng)力比R=0.5時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線.

圖2為應(yīng)力比R=0.3時，0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率在不同加載頻率下與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線.其中曲線1是加載頻率f=10 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線2是加載頻率f=10 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線3是加載頻率f=5 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線4是加載頻率f=5 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線5是加載頻率f=1 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線；曲線6是加載頻率f=1 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲線.

圖1　不同應(yīng)力比下線彈性疲勞彎曲裂紋的擴速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲

圖2　不同加載頻率下線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與應(yīng)力強度因子變化幅值的關(guān)系曲

對(2)式進行計算分析，可知0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液中腐蝕狀態(tài)下的擴展速率比在空氣中未腐蝕狀態(tài)下的大.開始當彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值較小時，腐蝕與未腐蝕兩種狀態(tài)下的擴展速率差距較大，其后隨彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值逐漸增大，兩種狀態(tài)下的擴展速率差距逐漸變小.隨應(yīng)力比R的不斷增大以及加載頻率f的逐漸減小，0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴展速率逐漸加大.0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴展速率增大的程度在裂紋擴展的第一階段較明顯，第二階段有所減弱，第三階段趨于平緩，如圖3、圖4所示.

圖3為加載頻率f=5 Hz時，0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率在不同應(yīng)力比下與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線.其中曲線1是應(yīng)力比R=0.1時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線2是應(yīng)力比R=0.1時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線3是應(yīng)力比R=0.5時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線4是應(yīng)力比R=0.5時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線5是應(yīng)力比R=0.7時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線6是應(yīng)力比R=0.7時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線.

圖4為應(yīng)力比R=0.3時，0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率在不同加載頻率下與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線.其中曲線1是加載頻率f=10 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線2是加載頻率f=10 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線3是加載頻率f=5 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線4是加載頻率f=5 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線5是加載頻率f=1 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線；曲線6是加載頻率f=1 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線.

圖3　不同應(yīng)力比下彈塑性腐蝕疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線

圖4　不同加載頻率下彈塑性腐蝕疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端張開位移變化幅值的關(guān)系曲線

對(3)式進行計算分析，可知0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液中腐蝕狀態(tài)下的擴展速率比在空氣中未腐蝕狀態(tài)下的大.開始當彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的變化幅值較小時，腐蝕與未腐蝕兩種狀態(tài)下擴展速率差距較大，其后隨彎曲裂紋尖端J積分變化幅值逐漸增大，兩種狀態(tài)下擴展速率差距逐漸變小.隨應(yīng)力比R的不斷增大以及加載頻率f的逐漸減小，0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液中腐蝕狀態(tài)下的擴展速率逐漸加大.0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴展速率增大的程度在裂紋擴展的第一階段較明顯，第二階段有所減弱，第三階段趨于平緩，如圖5、圖6所示.

圖5為加載頻率f=5 Hz時，0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率在不同應(yīng)力比下與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線.其中曲線1是應(yīng)力比R=0.1時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線2是應(yīng)力比R=0.1時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線3是應(yīng)力比R=0.3時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線4是應(yīng)力比R=0.3時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線5是應(yīng)力比R=0.5時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線6是應(yīng)力比R=0.5時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線.

圖6為應(yīng)力比R=0.3時，0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率在不同加載頻率下與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線.其中曲線1是加載頻率f=10 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線2是加載頻率f=10 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線3是加載頻率f=5 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線4是加載頻率f=5 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線5是加載頻率f=1 Hz時未腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線；曲線6是加載頻率f=1 Hz時腐蝕狀態(tài)下0Cr18Ni9鋼的彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J積分變化幅值的關(guān)系曲線.

圖5　不同應(yīng)力比下彈塑性腐蝕疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J 積分變化幅值的關(guān)系曲線

圖6　不同加載頻率下彈塑性腐蝕疲勞彎曲裂紋的擴展速率與彎曲裂紋尖端J 積分變化幅值的關(guān)系曲線

3結(jié)論

1) 隨應(yīng)力比R的不斷增大以及加載頻率f的逐漸減小，0Cr18Ni9鋼的疲勞彎曲裂紋在NaCl水溶液腐蝕狀態(tài)下的擴展速率逐漸增大，其擴展速率增大的程度在裂紋擴展的第一階段較明顯，第二階段有所減弱，第三階段趨于平緩.

2) 在NaCl水溶液腐蝕狀態(tài)下的疲勞斷裂特性方面，線彈性疲勞彎曲裂紋與彈塑性疲勞彎曲裂紋與各影響因素的關(guān)系具有相似性.

3) 0Cr18Ni9鋼在工程結(jié)構(gòu)中普遍存在，本文中為船舶與海洋工程、化工設(shè)備及其他腐蝕壓力結(jié)構(gòu)的壽命評估、安全評定與可靠性設(shè)計提供了相應(yīng)的理論計算模型.

參考文獻4

[1] 趙建平,周昌玉,於孝春,等.加載頻率f和應(yīng)力比R對腐蝕疲勞裂紋擴展速率影響的研究[J].壓力容器,1999，16(6)：1-4.

[2] 業(yè)成，李強，周昌玉，等.0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼在低濃度NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴展規(guī)律及機理研究[J].壓力容器，2000，2(17)：27-31.

[3] 陳美英，?？得瘢驮?幾種高強度鋼腐蝕疲勞裂紋擴展行為的研究[J].材料工程，1994(003):38-41,44.

[4] 劉曉坤,王建軍.屈服強度對40CrMnSiMoVA超高強度鋼腐蝕疲勞裂紋擴展的影響[J].材料科學與工藝.1994,2(2):1-5.

[5] 謝根栓，王茂廷.鉻鉬鋼在氫蝕下的疲勞裂紋擴展研究[J].撫順石油學院學報，1994，14(4)：29-32.

[6] Hampton Roy W,Nelson,Drew.Stable crack growth and instability prediction in thin plates and cylinders[J].Engineering Fracture Mechanics,2003,70(3/4),469-491.

[7] Richard H A,Fulland M,Sander M.Theoretical crack path prediction[J].Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures,2005,28(1/2),3-12.

[8] He Y T,Van Grls M A J,et al.Prediction of crack growth in IC passivation layers[J].Microelectronics Reliability,2004,44(12),2003-2009.

[9] Lee Sang-Ho,Yoon Young-Cheol.Numerical prediction of crack propagation by an enhanced element-free Galerkin method[J].Nuclear Engineering and Design,2004,227(3),257-271.

[10] Naim John A.Simulation of crack growth in ductile materials[J].Engineering Fracture Mechanics,2005,72(6),961-979.

[11] Taylor L,David K,Cornetti D A.The fracture mechanics of finite crack extension[J].Engineering Fracture Mechanics,2005,72(7),1021-1038.

[12] Zacharopoulos D A.Stability analysis of crack path using the strain energy density theory[J].Theoretical and Applied Fracture Mechanics,2004,41(1/3),327-337.

[13] 丁智平,陳吉平,王騰飛,等.鎳基單晶合金多軸非比例加載低周疲勞研究[J].力學學報,2012,44(2):326-333.

(責任編輯郭定和)

Study on fatigue curved crack growth behaviors of 0Cr18Ni9 steel

YANG Dapeng1，3,PAN Haiyang2,ZHAO Yao3

(1.Department of Mechanical Engineering,Zhengzhou Technical College,Zhengzhou 450121,China;

2.Department of Urban Rail Transport,Zhengzhou Technical College,Zhengzhou 450121,China;

3.School of Naval Architecture & Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan 430074,China)

Abstract:Relationships between fatigue curved crack growth tempo of 0Cr18Ni9 steel in NaCl water solution eroding environment or under the condition of non corrosion and stress ratio R、strain rate f、stress intensity factor amplitude of variation ΔK、curved crack tip opening displacement amplitude of variation、curved crack tip J integral amplitude of variation ΔJ have been calculated and analyzed.It can be indicated from the findings that fatigue curved crack growth tempo of 0Cr18Ni9 steel in NaCl water solution eroding environment increase gradually as stress ratio R increase and strain rate f decrease continuously.The extent of the growth tempo increase is comparatively sharp at the first stage of crack propagation,abating at the second stage,tend to be gentle at the third stage;The relationship between linearly elastic or elastic plastic fatigue curved crack and each influencing factor are similar in terms of fatigue fracture behaviors in NaCl water solution eroding environment.

Key words:0Cr18Ni9 steel;eroding;fatigue curved crack;growth tempo

中圖分類號:TB301

文獻標志碼:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.01.008

文章編號:1000-2375(2016)01-0041-05

作者簡介:楊大鵬(1976-)，男，博士，副教授，E-mail:ydpzpysh@163.com

基金項目:國家自然科學基金重大研究計劃項目(91016026)和河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(152300410003)資助

收稿日期:2014-03-20