加載波形對D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響

梁永梅,黃 一,吳智敏

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116033)

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加載波形對D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響

梁永梅,黃 一,吳智敏

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，大連 116033)

對標準單邊缺口三點彎曲試樣分別施加三角波、正弦波、方波3種波形，得到了不同波形作用下的腐蝕疲勞裂紋擴展曲線,研究了在不同電位條件下加載波形對海水中D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率(da/dN)的影響。結果表明：無陰極保護時，三角波和正弦波作用下試樣的疲勞裂紋擴展速率相當，并小于方波作用下的疲勞裂紋擴展速率，且方波的加速作用體現在低應力強度因子幅度時；在陰極保護條件下，這種現象更為明顯；而在陽極極化條件下，方波對試件的疲勞裂紋擴展的加速作用減弱。

加載波形；腐蝕疲勞；D36鋼；電位；裂紋擴展

海洋平臺鋼結構受到海風、海浪及工作荷載、晝夜循環(huán)相關聯的周期性荷載及腐蝕的共同作用,很容易發(fā)生腐蝕疲勞損壞。其主要的影響因素有加載頻率、加載波形、應力比、腐蝕介質、溫度、pH、氧含量及電極電位[1-5]等。

Barsom[6-7]首先研究了加載波形對12Ni-5Cr-3M鋼在3%(質量分數,下同)NaCl溶液中腐蝕疲勞特性的影響。結果表明，當加載波形是三角波、正弦波和正鋸齒波時，NaCl溶液會加速鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展；而加載波形為方波和鋸齒波時，鋼在NaCl溶液中的腐蝕疲勞裂紋擴散速率(da/dN)與在空氣中的相當。Lee等[8-9]通過對試件施加三角波、正弦波、方波以及不同保載時間的梯形波，研究了加載波形對1C-1Cr鋼在3% NaCl溶液中腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響。結果表明，在開路電位下，正弦波作用時da/dN最快，之后是三角波、方波；梯形波作用時，隨著保載時間的延長，da/dN增大。他們認為加載波形對鋼腐蝕疲勞裂紋擴展的影響主要取決于陽極溶解的程度，并建立了陽極溶解機制下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率模型。除了保載時間為0.7 s和1.7 s的梯形波，其他試驗結果與采用既定模型計算出的結果一致，原因是在0.7 s和1.7 s的梯形波作用下，保載區(qū)氧被消耗，裂紋表面產生了氫，導致氫脆。許多研究者認為持續(xù)應變型加載波形(正弦波、三角波、正鋸齒波)的da/dN要大于方波的[10-13]。導致這一結果的原因，仍有不同的觀點。Atkinson等[14]認為裂紋發(fā)生在升載過程中,而不是最大載荷的保載過程中；Wang等[10-13]認為鋼在3.5% NaCl溶液中腐蝕疲勞裂紋擴展機制為陽極溶解，對于正弦波和三角波，上升時間足夠緩慢，持續(xù)應變加速陽極溶解，而方波加載瞬間完成，裂紋擴展速率較低；Achilles[15]和Saxena[16]認為加載波形的影響體現在氫的作用，持續(xù)應變使氫更容易從裂紋尖端進入金屬內部。

然而，郭淑銘[17]及路民旭[18]通過試驗驗證了在NaCl溶液中，方波作用下鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展速率大于正弦波和三角波作用下的。他們認為氫脆在腐蝕疲勞過程中起主導作用，方波有一段應力固定不變的恒載階段，有利于氫的聚集和材料脆化，故裂紋擴展速率高。

加載波形對鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展速率有顯著影響的現象早已被人們發(fā)現，但對于加載波形的影響結果和作用機理一直存在不同的解釋。針對這一問題，本工作研究了在自然海水中，三角波、正弦波、方波3種波形對D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展的影響，并通過斷口分析，研究了不同波形對D36鋼腐蝕疲勞的作用機制。

1　試驗

試驗鋼為西日本制鐵所生產的D36鋼，加載方向沿軋向，其化學成分和力學性能見表1和表2。將D36鋼加工成標準三點彎曲梁試件，如圖1所示,試件尺寸為16 mm×32 mm×150 mm，單邊線切割的缺口尺寸為4.0 mm。在空氣中，分兩段預制2 mm裂紋：預制初始階段，最大荷載為25 kN，最小荷載為2 kN，加載頻率為10 Hz；在預制裂紋的最后階段，最大荷載改為15 kN，最小荷載和加載頻率保持不變。

表1　D36鋼的化學成分(質量分數)

表2　D36鋼的力學性能

腐蝕疲勞裂紋擴展試驗在MTS810電液伺服疲勞試驗機上進行，采用自行設計的海水循環(huán)系統(tǒng)和腐蝕疲勞加載裝置。試驗采用載荷控制，加載波形為三角波、正弦波和方波,最大載荷為20 kN，應力比為0.1，加載頻率為1 Hz，介質為大連市自然海水，海水成分見表3。

表3　自然海水的化學成分

電化學測試在DJS-292恒電位儀上進行,采用三電極體系：工作電極為試件，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑絲電極。

疲勞試驗結束后，繼續(xù)在空氣中拉斷試樣，用酒精清洗斷口，吹干后放入干燥器中保存。切下斷口部分做成4 mm×4 mm×2 mm的試樣，在丙酮和酒精中超聲波清洗30 min，再用QUANTA450掃描電鏡觀察斷口形貌。

2　結果與討論

2.1不同波形下腐蝕疲勞裂紋擴展機制

在腐蝕疲勞過程中陽極溶解機制和氫致開裂機制同時存在，兩種機制都能加速腐蝕疲勞裂紋擴展，但一般只有一種機制占主導作用。

試驗測得D36鋼的自腐蝕電位為-670 mV，正弦波作用下D36鋼的最佳保護電位為-800 mV。

圖2為三角波作用下腐蝕疲勞斷口形貌。由圖2可見,在外加電位為-400 mV時，斷面呈現大量腐蝕坑;腐蝕坑隨著外加電位的負移而逐漸減少，在-1 200 mV陰極極化電位下斷口呈現氫脆解理特征。通過斷面分析可知，在三角波作用下，外加電位正于-800 mV時，陽極溶解機制起主要作用，負于-800 mV時氫脆起主要作用。

施加陰極保護可以減少陽極溶解同時加速氫脆作用，而施加陽極電位則可以減少氫脆作用同時加速陽極溶解[12]。故對于以陽極溶解為主的腐蝕疲勞，施加陰極保護可以達到很好的保護效果，而對于氫脆為主的腐蝕疲勞則不宜施加陰極保護[19]。

由圖3,4可以看出,應力強度因子幅度ΔK為40 MPa·m1/2、加載波為三角波時，D36鋼在-800 mV電位下的da/dN是外加電位為0時的0.83倍，施加陰極保護對三角波作用下的腐蝕疲勞起到了很好的保護作用。加載波為方波、ΔK為40 MPa·m1/2時，D36鋼在-800 mV電位下的da/dN是外加電位為0時的1.48倍，施加陰極保護加速了鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展。方波作用下的試件斷面呈現氫脆解理特征，如圖5所示。海水中鋼的腐蝕疲勞過程中陽極反應為

(1)

在充氣環(huán)境中陰極反應為

(2)

非充氣環(huán)境中陰極反應為

(3)

(4)

方波作用時，在保載區(qū)陰極反應使氧被消耗，在裂紋尖端將產生氫，導致氫脆占主導作用。由此可以推斷，在自然海水中，當頻率為1 Hz、應力比為0.1時，三角波作用下鋼的腐蝕疲勞是由陽極溶解控制，而方波作用下是由氫脆控制。

2.2波形對D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響

圖6為自腐蝕電位條件下加載波形對D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響。由圖可見,正弦波、三角波和方波加載時所對應的da/dN均明顯高于空氣中的結果;三角波和正弦波作用下試樣的疲勞裂紋擴展速率相當，并小于方波作用下的疲勞裂紋擴展速率;方波的加速作用在低ΔK時比較明顯,當ΔK為40 MPa·m1/2，方波加載時D36鋼的da/dN是三角波作用時的1.465倍。在腐蝕疲勞過程中，交變應力使氫不斷向裂尖三軸應力區(qū)移動，導致氫在裂紋尖端聚集。而方波有一段應力不變的恒載區(qū)，有利于氫的聚集和脆化[20-21]。通過掃描電鏡及試驗分析得出：在海水中，方波作用下的腐蝕疲勞氫脆占主導作用，而三角波和正弦波加載時，持續(xù)應變加速了陽極溶解，因此腐蝕疲勞陽極溶解占主導作用。氫脆對方波的加速作用大于陽極溶解對三角波和正弦波的加速作用，且在低ΔK時更為明顯。隨著ΔK的增大，方波作用下陽極溶解作用增強，氫脆作用減弱，三種波形作用下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率差異逐漸減小。

2.3不同電位下波形對D36鋼腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響

圖7和圖8分別為-400 mV和-800 mV極化電位下D36鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展速率曲線。由圖可以看出,不同加載波形對da/dN的影響同海水中一樣體現在低ΔK時，且隨著ΔK的增大，三種波形的腐蝕疲勞裂紋擴展速率逐漸趨于一致。-400 mV電位、ΔK為40 MPa·m1/2條件下，方波加載時D36鋼的da/dN是三角波加載時的1.33倍；外加電位為0、ΔK為40 MPa·m1/2條件下，方波加載時D36鋼的da/dN是三角波加載的1.465倍。這是因為在陽極極化條件下，氫脆對方波的影響減弱，陽極溶解對三角波和正弦波的影響增大，故方波與三角波作用下腐蝕疲勞裂紋擴展速率之間的差異減小。最佳保護電位(-800 mV)、ΔK為40 MPa·m1/2條件下，方波加載時D36鋼的da/dN是三角波加載時的2.014倍，大于外加電位為0時的比值(1.465)。對于三角波和正弦波作用下的腐蝕疲勞，施加-800 mV陰極保護電位，抑制了陽極溶解，起到保護作用。而對方波作用下的腐蝕疲勞施加-800mV陰極保護電位，促進氫脆，加劇了試件的腐蝕疲勞。方波與三角波和正弦波作用下的腐蝕疲勞裂紋擴展速率的差異增大。

3　結論

(1) 正弦波和三角波作用下，D36鋼在自然海水中腐蝕疲勞裂紋擴展機理取決于外加電位。正于合適陰極保護電位(-800 mV)時，陽極溶解機制起主導作用,負于最佳陰極保護電位時，氫脆機制起主導作用。

(2) 當加載波形為方波時，不宜采用陰極保護降低腐蝕疲勞裂紋擴展速率。方波作用下，在自然海水中氫脆機制起主導作用。

(3) 在海水中，方波作用下D36鋼的腐蝕疲勞裂紋擴展速率大于正弦波和三角波作用下的。在陽極極化條件下，方波對疲勞裂紋擴展的加速作用減弱；在陰極極化時，方波對疲勞裂紋擴展的加速作用增強。

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Influence of Loading Waveforms on Corrosion Fatigue Crack Growth for D36 Steel

LIANG Yong-mei, HUANG Yi, WU Zhi-min

(State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116033, China)

The corrosion fatigue crack growth curves were measured under triangle, sinusoidal and square waveforms using gaps unilateral standard three-point bend specimens. The influence of loading waveforms on corrosion fatigue crack growth rate(CFCGR) for D36 steel was studied in natural seawater solution at different applied potentials. The results show that the CFCGR under sinusoidal waveform was the same as that under triangular waveform and was lower than the value under square waveform without cathodic protection. The acceleration of square waveform was more noticeable in the low stress intersity factor range. Under cathodic protection condition, the difference of the CFCGR between square waveform and sinusoidal waveform became wider. Whereas, the acceleration of square waveform on fatigue crack growth rate was reduced under anodic polarization condition.

loading waveform; corrosion fatigue; D36 steel; potential; crack growth

10.11973/fsyfh-201604005

2015-03-24

工信部高技術船舶項目

梁永梅(1991-)，碩士，從事海洋結構腐蝕疲勞性能的相關工作,15941164827,lfly.m@163.com

TG172

A

1005-748X(2016)04-0289-05