腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究

上传人:笑着说再见 文档编号:1028955 上传时间:2020-10-01 格式:PDF 页数:126 大小:8.01MB
下载 相关 举报
腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究_第1页
第1页 / 共126页
腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究_第2页
第2页 / 共126页
腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究_第3页
第3页 / 共126页
点击查看更多>>
资源描述

1、申请上海交通大学博士学位论文 腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究 学科专业: 学科专业: 论文作者: 指导教师: 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 2 0 13 年5 月 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oS h a n g h a iJ i a oT o n g U n i v e r s i t yf o rt h eD e g r e e o fE n g i n e e r i n gD o c t o r M e c h a n i s m S t u d yo fP i tE v o l u t i o na n d C r

2、a c k P r o p a g a t i o nf o rC o r r o s i o nF a t i g u e A u t h o r :H u a n gX i a o g u a n g A d v i s o r :P r o f X uJ i n q u a n S p e c i a l t y :S o l i dM e c h a n i c s S c h o o lo fN a v e lA r c h i t e c t u r e ,O c e a na n dC i v i lE n g i n e e r i n g , S h a n g h a iJ

3、 i a oT o n gU n i v e r s i t y M a y , 2 0 1 3 上海交通大学 学位论文原剑性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导9 币的指导下,独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明弓l 用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: o j 、小屯 日期:世年, E l E t 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向

4、 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权上 海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名: 保密口,在年解密后适用本授权书。 不保密日。 多、峻J 指导教师签名: 日期:坐d 月兰日1 3 期:业年上p j1 1 - B 上海交通大学博士学位论文答辩决议书i t l 。l l 。l l t 8 l 。t 1 1 l l l 。1 9 t t 。l l l 3 t 1 1 i L 所在 姓名 黄小光学号 0 0 8 0

5、1 0 9 0 3 1 固体力学 学科 乜导教师 许金泉 答辩 2 0 1 3 0 5 1 l 答辩 徐汇校区博学楼二楼会议室 口期地点 沦文题只 腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究 评语和决议: 刍p 乙 鹕专跎k 也童疆边乌交旌柏纯今二- 音t 乞时意键鳓立 孑9 暑幸左诗f V 也;芝k ;l r 土耄朱寻。厶l 瓤、堇、如下: 。1 夏蔓3 k 她;章娃唾;,心口詈弩岛:敏,毒易3 、苌、移t 移投j - ;莹他地律, 嘤燃差惫瓷糟差、凇呈八凇机3 裂姒,埘盼谊 土政;父冲3 跏( z 轺令皇访斗;羔琴曲偈准妊习裂娘鄂 “j 罩N 7 - 怼;知眦鼍譬如坪;- 壶埔泡蝴乌描,妁瓣惦孓,

6、心3 艮泡黜到另 诲之釜蹙量嚣川夸傻融钴;可丧姒琊排下j l i 甚苜璧囊蕾p 享如 捷建擞般怒轰鑫妻瓣端麓躐巍怒麓 珐釜裹警妻薹髫嚣要塞兰掷童:粼? 裳裳端 鱼过瘩t 絮腹;乏k 等擗,哥赵蔓摄导专詈鸽 引羔- 勺呷莎民 职务 姓名职称单位 签名 l i 席 仲政教授同济大学 钟双 笈 铷 f t 委员霍永忠 教授复旦大学 搿 + 委 委员 张俊乾教授 上海大学 j 宓忿毵 1 3 罾弋令峰 蚕员 、 李中华 教授上海交通大学 一 A 成 琶眇 委员王熙 t 教授上海交通大学 叭 签 委员 名 委员 秘| 5 冯淼林研究员 上海交通大学 码太极 腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究 摘要 腐蚀

7、疲劳是金属材料在交变应力与腐蚀介质共同作用下发生断裂破坏的过程。工程 中存在各种承受循环载荷的结构,如海洋结构、石油化工设备、飞机结构等,其服役环 境都具有不同程度的腐蚀性。腐蚀性环境会降低材料的断裂韧性,加快裂纹的萌生与扩 展,降低结构服役寿命。腐蚀疲劳己成为工程中各种承受循环载荷结构面临的严重问题, 腐蚀疲劳性能研究也成为工程结构耐久性与完整性设计的重要内容。迄今为止,有关腐 蚀疲劳的理论与应用都得到了迅速的发展,但由于腐蚀疲劳过程非常复杂,涉及到力学、 化学、电化学、金属材料学及冶金学等众多学科内容,还有许多问题没能得到很好的解 决,绝大多数研究实际上只停留在实验规律的摸索方面,虽然也有

8、不少关于腐蚀机理分 析的研究,但仍缺少基于腐蚀疲劳机理及热力学平衡理论的腐蚀疲劳评价方法。随着航 天、海洋工程的飞速发展,结构腐蚀疲劳问题将更为突出,而现有研究成果远不能满足 实际工程应用的需要。 本论文结合腐蚀电化学原理、热力学原理,对材料腐蚀疲劳过程中点蚀演化、裂纹 成核以及裂纹扩展过程进行机理研究。在此基础上进行腐蚀疲劳损伤研究,并建立合理 的腐蚀疲劳损伤演化律。本文主要内容如下: ( 1 ) 根据热力学基本原理,结合腐蚀疲劳点蚀演化和裂纹扩展的力学一电化学过程, 建立腐蚀疲劳点蚀演化和裂纹扩展过程中的热力学基本方程,获得点蚀演化与裂纹扩展 过程的热力学判据。 ( 2 ) 利用双变量半椭

9、圆点蚀模型,建立腐蚀疲劳点蚀演化及裂纹成核的二维模型。 建立点蚀演化过程中体系的热力学势函数,导出点蚀形状参数随点蚀深度的演化规律。 根据裂纹成核的应力强度因子准则与位错理论,建立腐蚀疲劳裂纹成核临界条件,对腐 蚀疲劳裂纹成核寿命进行定性分析。在此基础上进行腐蚀疲劳点蚀演化以及裂纹成核的 三维理论模型分析。 ( 3 ) 根据腐蚀环境促进疲劳裂纹尖端阳极溶解与降低裂纹表面自由能的机理,建立 腐蚀疲劳裂纹扩展过程的能量守恒方程,推导腐蚀疲劳裂纹扩展速率的显式方程。定性 分析了阳极溶解、裂尖金属自由能下降以及循环载荷参数对腐蚀疲劳裂纹扩展速率与裂 纹扩展寿命的影响。 ( 4 ) 设计L Y l 2

10、C Z 铝合金三点弯曲腐蚀疲劳裂纹扩展试验,研究腐蚀环境、循环载 荷频率、应力比以及腐蚀溶液p H 值等参数对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响。 ( 5 ) 基于损伤力学理论,进行腐蚀疲劳损伤研究。将腐蚀疲劳损伤处理成应力腐蚀 损伤与疲劳损伤的非线性累加,利用L Y l 2 C Z 铝合金试验结果确定相关损伤参数,建立 腐蚀疲劳损伤演化律方程,形成基于损伤演化律的腐蚀疲劳寿命评价模型。 关键词:腐蚀疲劳;点蚀演化;裂纹成核;裂纹扩展速率:损伤演化 I I M e c h a n i s mR e s e a r c ho fP i tE v o l u t i o na n dC r a c kP

11、r o p a g a t i o nf o r 。一_ - 一 C o r r o s i o nF a t i g u e A b s t r a c t T h ec o r r o s i o nf a t i g u ei saf r a c t u r ep r o c e s so fm e t a lm a t e r i a lu n d e rt h ec o m b i n e de f f e c to f t h ea l t e r n a t i n gs t r e s sa n dc o r r o s i v em e d i u m Al a r g en

12、 u m b e ro fe n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ,s u c ha s m a r i n es t r u c t u r e s ,p e t r o c h e m i c a le q u i p m e n t sa n da i r c r a f ts t r u c t u r e s ,s u f f e rc y c l i cl o a d i n g si n c o r r o s i v ee n v i r o n m e n t s C o r r o s i v ee n v i r o n m e

13、n t sr e d u c et h ef r a c t u r et o u g h n e s s ,s p e e du pt h e f o r m a t i o na n dp r o p a g a t i o no fc r a c k s ,a n dg r e a t l yr e d u c et h es e r v i c el i f eo fm e t a ls t r u c t u r e C o r r o s i o nf a t i g u eh a sn o wb e c o m eas e r i o u sp r o b l e mo ft h

14、 es t r u c t u r ew i t h s t a n d i n gc y c l i c l o a d i n g ,a n dc o r r o s i o nf a t i g u ep r o p e r t i e sr e s e a r c hh a sb e e nu p d a t e d t oa ni m p o r t a n tp a r to ft h e d e s i g no ft h ed u r a b i l i t ya n di n t e g r i t yd e s i g nf o re n g i n e e r i n g

15、s t r u c t u r e s U pt on o w t h es t u d i e s a b o u tc o r r o s i o nf a t i g u ei nt h e o r ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y B u t c o r r o s i o nf a t i g u ep r o c e s si sv e r yc o m p l e xa n di n v o l v e sm a n yd e t a

16、 i l si nm e c h a n i c s ,c h e m i s t r y , e l e c t r o c h e m i s t r y , m a t e r i a l ss c i e n c ea n dm e t a l l u r g y , t h e r ea r em a n yi s s u e ss t i l lc o u l dn o tg e t g o o ds o l u t i o n s T h em a j o r i t yo f r e s e a r c h e sa c t u a l l yo n l ys t a yi n

17、t r y i n gt of i n do u tt h el a w so f e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ,a s ar e s u l t ,t h ee v a l u a t i o nm e t h o d sb a s e do nc o r r o s i o nf a t i g u e m e c h a n i s ma n dt h e r m o d ) r n a m i ce q u i l i b r i u mt h e o r ya r ev e r ys c a r c e ,a l t h o u g ht

18、 h e r ea r eal o to f r e l a t i v es t u d i e s M e a n w h i l e ,谢mt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea e r o s p a c ea n dm a r i n e e n g i n e e r i n g ,c o r r o s i o nf a t i g u ep r o b l e m sb e c o m em o r ep r o m i n e n t ,w h i l et h er e s u l t so fr e l a t e d r

19、 e s e a r c h e sa r ef a rt om e e tt h en e e d so fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s I nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ep r i n c i p l e so fc o r r o s i o ne l e c t r o c h c m i c sa n dt h e r m o d y n a m i c s , t h ep i te v o l u t i o n ,c o r r o s i o nf a t i g u ec

20、 r a c kn u c l e m i o na n dc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n d u r i n gc o r r o s i o nf a t i g u ep r o c e s so fm e t a lm a t e r i a l sa r ed i s c u s s e d T h e nc o r r o s i o nf a t i g u e d a m a g et h e o r yi sp r o p o s e da n dc o r r o s i o nf a

21、 t i g u ed a m a g ee v o l u t i o nl a wi se s t a b l i s h e d T h e m a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s : ( 1 ) A c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so ft h e r m o d y n a m i c s ,t h eb a s i ct h e r m o d y 7 n a m i ce q u a i o n d u r i n gp i te v o l

22、u t i o na n dc r a c kp r o p a g a t i o ni se s t a b l i s h e d ,f r o mw h i c ht h et h e r m o d r 7 n a m i c c r i t e r i o nt h a tc o n t r o l st h ed i r e c t i o no fp i te v o l u t i o na n dc r a c kp r o p a g a t i o ni so b t a i n e d ( 2 ) T h et w o d i m e n s i o n a lm o

23、 d e lo fc o r r o s i o nf a t i g u ep i te v o l u t i o na n dc r a c k n u c l e a t i o ni s I l l e s t a b l i s h e d A c c o r d i n g t ot h et w o - v a r i a b l e s e m i - e l l i p t i c a lm o d e lo fc o r r o s i o np i t ,t h e t h e r m o d y n a m i cp o t e n t i a lo ft h ee

24、l a s t i cs o l i dw i t ha ne v o l v i n gp i ti sd e r i v e d ,f r o mw h i c ht h e e v o l v i n gl a wo fs h a p ep a r a m e t e r 、航mc o r r o s i o np i td e p t hi sd e d u c e d T h ec r i t i c a lc o n d i t i o no f c o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kn u c l e a t i o ni s e s t

25、a b l i s h e d ,a c c o r d i n gt o t h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r c r f f e r i o na n dd i s l o c a t i o nt h e o r yo fc r a c kn u c l e a t i o n ,c o n s e q u e n t l yq u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h e c o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kn u c l e a t i o nl i

26、f ei sc a r r i e do n S i m i l a r l y , t h et h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l a n a l y s i so fp i te v o l u t i o na n dc r a c kn u c l e a t i o ni ss t u d i e d ( 3 ) A c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mt h a tc o r r o s i v ee n v i r o n m e n tp r o m o t e sc r a c kp

27、r o p a g a t i o n b ya n o d i cd i s s o l u t i o na tc r a c kt i pa n dr e d u c t i o no ff r e ee n e r g ya tc r a c ks u r f a c e ,t h ee n e r g y c o n s e r v a t i o ne q u a t i o nd u r i n gc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o np r o c e s si se s t a b l i s

28、h e d ,f r o m w h i c ht h ee x p l i c i te q u a t i o no fc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t ei sd e r i v e d T h e nt h e e f f e c t so fa n o d i cd i s s o l u t i o n ,f r e ee n e r g yr e d u c t i o na tc r a c ks u r f a c ea n dc y c l i cl o a d i n g p

29、 a r a m e t e r so nc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o nr a t ea n dc r a c kp r o p a g a t i o nl i f e a r e q u M i t a t i v ea n a l y z e d ( 4 ) T h et h r e e p o i n tb e n d i n gc o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o ne x p e r i m e n t so fL

30、 Y l 2 C Z a l u m i n u ma l l o yi sd e s i g n e d ,a n dt h ei n f l u e n c e so fc o r r o s i o ne n v i r o n m e n t ,c y c l i cl o a d i n g f r e q u e n c y , s t r e s sr a t i oa n dp Hv a l u eo fs o l u t i o no nt h ec o r r o s i o nf a t i g u ec r a c kp r o p a g a t i o n r a

31、t ea r es t u d i e d ( 5 ) B a s e do nt h ed a m a g em e c h a n i c st h e o r y , t h ec o r r o s i o nf a t i g u ed a m a g ei ss t u d i e d C o r r o s i o nf a t i g u ed a m a g ei st r e a t e da sn o n - l i n e a rc u m u l a t i v eo u t c o m eo fs t r e s sc o r r o s i o n d a m a

32、 g ea n df a t i g u ed a m a g e T h er e l a t i v ed a m a g ep a r a m e t e r sa r ed e t e r m i n e db yt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fL Y l 2 C Za l u m i n u ma l l o y , a n dc o r r o s i o nf a t i g u ed a m a g ee v o l u t i o nl a w i se s t a b l i s h e d A f t e r w

33、a r d s ,t h ec o r r o s i o nf a t i g u el i f en o r m a l i z e de v a l u a t i o nb a s e do nt h e d a m a g ee v o l u t i o nl a wi Sf o r m e d K e y w o r d s :C o r r o s i o nf a t i g u e ,P i te v o l u t i o n ,C r a c kn u c l e a t i o n ,C r a c kp r o p a g a t i n gr a t e , D

34、a m a g ee v o l u t i o n I V 目录 摘要I A b s t r a c t 。I I I 目录V 第一章绪论1 1 1 前言1 1 1 1 腐蚀疲劳裂纹的萌生1 1 1 2 腐蚀疲劳裂纹的扩展3 1 2 研究现状5 1 2 1 腐蚀疲劳裂纹成核研究一5 1 2 2 腐蚀疲劳裂纹扩展研究7 1 3 本文的主要研究工作11 第二章腐蚀疲劳电化学热力学原理1 4 2 1 引言14 2 2 腐蚀反应的热力学基础1 4 2 2 1 腐蚀反应的热力学判据1 4 2 2 2 腐蚀反应的驱动力1 5 2 3 腐蚀疲劳的电化学过程1 6 2 3 1 点蚀发生机理及电化学过程1 6

35、 2 3 2 腐蚀疲劳裂纹扩展的电化学过程17 2 4 点蚀演化与裂纹扩展过程中的热力学原理1 9 2 - 4 1 热力学第一定律1 9 2 4 2 热力学第二定律2 0 2 5 本文小结2 1 第三章腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹成核的二维模型2 2 3 1 引言2 2 V 3 2 点蚀坑演化模型2 3 3 3 点蚀演化过程的热力学原理2 4 3 3 1 点蚀演化过程的热力学势2 4 3 3 2 点蚀的演化过程2 7 3 3 3 点蚀演化的敏感性分析3 2 3 4 腐蚀疲劳裂纹起始寿命3 3 3 4 1 腐蚀疲劳裂纹成核的应力强度因子准则3 3 3 4 2 腐蚀疲劳裂纹成核的能量准则3 5 3 4

36、3 临界点蚀形貌与腐蚀疲劳裂纹成核寿命3 6 3 5 本章小结4 0 第四章腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹成核的三维模型4 2 4 1 引言4 2 4 2 三维点蚀演化模型与热力学势4 2 4 2 1 点蚀演化模型4 2 4 2 2 点蚀演化过程中的热力学势4 4 4 3 点蚀形貌演化规律分析4 6 4 3 1 点蚀演化规律4 6 4 3 2 应变能、表面能对点蚀演化的影响5 0 4 4 裂纹成核与起始寿命5 3 4 5 本章小结5 5 第五章腐蚀疲劳裂纹扩展理论研究5 6 5 1 引言5 6 5 2 腐蚀疲劳裂纹扩展的能量原理5 7 5 2 1 腐蚀疲劳裂纹扩展模型5 7 5 2 2 裂纹扩展中的能

37、量原理5 8 5 3 腐蚀疲劳裂纹扩展速率6 1 5 4 腐蚀疲劳裂纹扩展寿命6 5 5 5 本章小结6 8 第六章腐蚀疲劳裂纹扩展试验研究6 9 6 1 引言6 9 V I 6 。2 腐蚀疲劳裂纹扩展试验7 0 6 2 1 试验目的及技术要求7 0 6 2 2 腐蚀疲劳试验设计7 1 6 2 3 腐蚀疲劳扩展试验7 4 6 3 试验结果分析与讨论7 7 6 3 1 试验结果处理7 7 6 3 2 裂纹扩展速率参数分析7 7 6 3 3 腐蚀环境促进裂纹扩展机理分析8 1 6 4 本章小结8 2 第七章腐蚀疲劳损伤演化理论研究8 4 7 1 引言8 4 7 2 腐蚀疲劳破坏敏感性研究8 7 7

38、 2 1 疲劳破坏的特征长度理论8 7 7 2 2 引入腐蚀疲劳破坏特征长度的可行性8 9 7 3 腐蚀疲劳损伤及损伤演化律8 9 7 3 1 应力腐蚀损伤模型8 9 7 3 2 腐蚀疲劳损伤演化律9 3 7 3 3 腐蚀疲劳损伤演化实例9 4 7 4 本文小结9 8 第八章结论与展望9 9 8 1 结论9 9 8 2 创新点1 0 0 8 3 展望10 1 参考文献1 0 2 致 射1 1 3 攻读博士学位期间发表的学术论文1 1 4 V I I 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 工程材料的破坏除了纯机械原因之外,还可能由于外加载荷和环境因素共同作用所 引起。腐

39、蚀疲劳就是一种典型的交变应力和腐蚀环境共同作用下的失效形式。许多工程 结构,诸如海洋结构、石油化工设备、飞机等,均在不同程度的腐蚀环境下服役。在交 变应力的作用下,腐蚀性环境会显著降低材料的断裂韧性,加快疲劳裂纹的形成以及扩 展,大幅缩短工程结构的使用寿命。腐蚀疲劳是工程中各种承受循环载荷结构面临的严 重问题,具有相当大的普遍性和危害性【l 。】。 腐蚀疲劳是金属材料在周期性( 循环) 或非周期性( 随机) 交变应力与腐蚀介质的 联合作用下发生脆性断裂的过程。腐蚀疲劳的本质是电化学腐蚀过程和力学过程的相互 作用,这种相互作用远远超过交变应力和腐蚀介质单独作用的结果,是一种非常严重的 破坏形式【

40、4 5 】。腐蚀环境影响下,材料的抗疲劳性能大大减低。常规疲劳材料存在疲劳 极限,但腐蚀疲劳不存在疲劳极限,即使在很低的应力条件下,腐蚀疲劳破坏照样产生, 如图1 1 所示 6 】。与应力腐蚀不同,任何材料都可能发生腐蚀疲劳,而且发生腐蚀疲劳 不需要材料一环境的特殊组合,只要存在腐蚀介质,就会发生腐蚀疲劳。 在腐蚀环境与交变载荷共同作用下,腐蚀疲劳损伤在构件内部逐渐累积,当损伤达 到临界状态时,腐蚀疲劳裂纹开始萌生。而后腐蚀疲劳裂纹在循交变应力和腐蚀环境共 同作用下扩展,当裂纹长度达到临界长度时,裂纹发生快速扩展,构件很快断裂。关于 腐蚀疲劳的寿命分析,总体沿用了机械疲劳的分析方法,将腐蚀疲劳

41、寿命分为裂纹成核 寿命和裂纹扩展寿命来进行分析,如图1 2 所示【7 】。腐蚀疲劳裂纹成核寿命分析目前大 多采用累积损伤理论:而腐蚀疲劳裂纹扩展寿命分析则通常采用环境修正的断裂力学方 法。 1 1 1 腐蚀疲劳裂纹的萌生 腐蚀疲劳裂纹萌生是一个局部过程,将金属置于腐蚀性环境,局部缺陷就会加速腐 上海交通大学博士学位论文腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究 蚀疲劳的裂纹成核。所以腐蚀疲劳的裂纹成核是一个高度局部化而非全面的腐蚀过程, 并且腐蚀损伤集中在局部位置的破坏比全面腐蚀更为重要。环境的变化可能会改变应力 集中引起的局部破坏,从而影响腐蚀疲劳裂纹萌生的特征位置。同时,当环境的腐蚀性 增强时,腐

42、蚀疲劳裂纹的萌生部位可能从晶粒内部滑移台阶转到晶界。但腐蚀疲劳裂纹 萌生的局部化性质以及竞争过程使得很难用实验来鉴别裂纹的成核机理【s 以们。 N u m b e ro fc y c :I e gt of a i l u r e ( N O 枣 善 。 罂 罂 嚣 e 甾 穗 羔 N u m b e ro fc y c l e st of a i l u r e0 v f )N u m b e ro fc y c l e st of a i l u r e 雌 图1 - 1 不同合金在3 5 ( 0 6M ) N a C ! 溶液中的S - N 曲线 F i g 1 - 1S - - Nc u

43、 r v e sf o rv a r i o u sa l l o y si n3 5 ( 0 6M ) N a C I 目前关于腐蚀疲劳裂纹萌生机理主要包括【1 1 1 3 】: ( 1 ) 点蚀加速裂纹形成:金属表面的电化学不均匀性以及疲劳损伤导致滑移带形成 造成的电化学性不均匀,金属表面腐蚀形成点蚀坑,产生应力集中,导致腐蚀疲劳裂纹 成核。 ( 2 ) 形变活化腐蚀理论:循环应力形成滑移带会导致金属表面电化学性不均匀, 滑移带集中的变形区域与未变形区域形成腐蚀电池,形变区为阳极,阳极不断溶化而形 成腐蚀裂纹。 2 B瓢:一岳瞻馨l僻9ll客c粤 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 (

44、3 ) 保护膜破坏理论:对易钝化的金属,腐蚀介质容易在金属表面形成钝化膜,循 环应力的作用使钝化膜遭到破坏,腐蚀发生,直到保护膜重新修复为止。重复滑移一膜 破一溶解一成膜过程,直到腐蚀疲劳裂纹成核。 ( 4 ) 吸附理论:金属与环境界面吸附了活化物质,使金属表面能下降,金属表面的 键和强度削弱,从而弱化了金属的机械性能。 但是,腐蚀疲劳裂纹萌生具有很强的材料、环境依存性,不同种类的金属与合金可 能有不同的裂纹萌生机理,即使材料相同,腐蚀环境的变化同样也可以改变裂纹萌生机 理。总之,目前没有一种完善的、通用的腐蚀疲劳裂纹萌生机理能适合于任何材料一环 境组合。 L o g I 黼豫腿 图1 - 2

45、 腐蚀疲劳寿命分析示意图 F i g 1 - 2S c h e m a t i cs h o w i n gt h ea n a l y s i so fc o r r o s i o nf a t i g u el i f e 1 1 2 腐蚀疲劳裂纹的扩展 当金属材料在腐蚀溶液中形成疲劳裂纹之后,裂纹在腐蚀环境与循环载荷作用下扩 展直至断裂,材料往往还有部分剩余寿命,即腐蚀疲劳裂纹扩展寿命。疲劳裂纹扩展是 裂纹在疲劳载荷下逐渐发展的过程,而在腐蚀疲劳中由于腐蚀介质的存在,裂纹的扩展 过程将变得非常复杂。裂纹扩展时裂尖反应过程如图1 3 所示【l4 1 。首先,腐蚀溶液中的 反应剂迁移至裂纹

46、尖端区域,与裂纹尖端新裂开的金属材料发生局部化学反应,机械断 裂过程与电化学破坏相互协同作用。局部化学反应最简单的情况是阳极溶解,其直接决 定了腐蚀介质在腐蚀疲劳裂纹扩展过程所起的作用。裂纹尖端塑性区高形变的材料包含 上海交通大学博士学位论文 腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究 高密度的滑移带,因此比周围的材料更容易受到腐蚀破坏1 1 5 1 6 1 。 裂纹尖端处的化学反应可能会产生某些有害的化学物质( 如氢) ,这些物质被吸附在 金属表面,然后通过扩散进入到裂纹尖端的前沿区域,引起材料的局部损伤( 如氢脆) 。 而这种迁移扩散过程往往是沿着位错带或晶界行进,而不是通过体扩散实现的。裂尖处

47、的化学反应可能会析出腐蚀产物,腐蚀产物的析出会产生W e d g e 效应,同时腐蚀产物容 易堆积在裂尖部位,改变裂尖的局部应力状态,引起裂纹闭合效应。 图1 3 腐蚀疲劳时裂纹尖端的行为过程 F i g 1 - 3T h ea c t i n gp r o c e s sa tc r a c kt i po fc o r r o s i o nf a t i g u e 与裂纹的萌生一样,腐蚀疲劳的裂纹扩展也是局部性的。腐蚀疲劳裂纹扩展阶段, 可能存在以下6 个过程对裂纹扩展起作用【5 】: ( 1 ) 腐蚀介质向裂纹尖端区的迁移和腐蚀产物由裂纹尖端向外转移; ( 2 ) 通过金属表面一腐蚀

48、环境之间化学反应产生某种有害化学物质,并扩散至裂纹 尖端前沿区域并促进裂纹加速扩展( 如局部的氢脆作用) ; ( 3 ) 裂纹尖端处的阳极溶解; ( 4 ) 疲劳开裂导致重复形成新生金属表面; ( 5 ) 循环应力导致裂尖金属表面的钝化膜反复破裂: ( 6 ) 在裂纹张开期间形成的腐蚀产物堆积,影响了裂纹的闭合状态及裂纹尖端处的 局部应力场强度。 4 上海交通大学博士学位论文第一章绪论 1 2 研究现状 1 2 1 腐蚀疲劳裂纹成核研究 诸多研究文献表明,腐蚀疲劳裂纹从金属表面的点蚀坑开始形核、发展 1 7 1 引。点蚀 是由于金属微观粒子所引发的一种局部腐蚀 1 9 - 2 1 】。由于金属

49、内部富集这些连续的微观粒 子丛,造成金属材料表面的电化学不均匀性,控制点蚀成核及其演化过程【2 2 2 3 1 。以铝合 金材料为例,表面M n 、F e 粒子为阴极,舢、C u 、M g 为阳极,在金属表面形成无数多 的腐蚀元。当材料置于腐蚀溶液时,腐蚀溶液充当电解质,促成金属表面的阳极溶解, 形成点蚀。点蚀的演化动力学过程则完全受点蚀内部的电化学过程控制皿4 之6 1 。G o d a r d 2 7 】 则认为点蚀坑形状为半球体,演化过程中各个方向尺寸变化率相同,同时通过观察水中 铝合金的蚀坑演化获得了蚀坑深度随时间的变化方程。H a r l o w 和W e i t 2 8 1 通过对金属铝表 面点蚀的分布情况,认为点蚀坑演化始终为半长椭球体,并提出三种模型描述半长椭球 体蚀坑的演变:等长径比模型、离散时间依存性长径比模型、连续时间依存性长径比模 型。R o k h l i n 2 9 1 根据实验提出了半椭球体点蚀长径比随时间的下降模型。H u n k e l e r 和 B o h n i 3 0 1 通过观察腐蚀溶液中铝箔表面点蚀坑生长建立了点蚀的演化动力学模型,得到 了点蚀演化速度与腐蚀电位、电解液氯离子浓度的关系。W a n g ,H o w a r d 和X u 3 1 1 使用 探针对镍硫酸

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索

当前位置:首页 > 文献资料 >

备案号: 苏ICP备18070066号 

 电信经营许可证:苏B2-20220079 

出版物经营许可证:新出发2018字第HZ-026号 

 苏公网安备 32070502010811号

本站为信息分享及获取平台,本站所有文档下载所得收益归上传人(含作者)所有。

不确保部分用户上传资料的来源及知识产权归属。