腐蚀条件下民机结构dfr方法及裂纹扩展研究7第四章_11

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1、第四章腐蚀条件下疲劳裂纹扩展研究4.1腐蚀条件下的疲劳裂纹扩展规律研究结构的疲劳寿命可分为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命，疲劳裂纹扩展寿命是由宏观可检裂纹扩展到临界裂纹而发生破坏这段区间的寿命。冇观点认为，在腐蚀疲劳过程中,裂纹起始所占的比例远远小于裂纹扩展期⑶。腐蚀条件下疲劳裂纹扩展研究是腐蚀疲劳研究的重要方面，也是腐蚀条件下损伤容限设计的基础，是评估结构完整性、耐久性和可靠性以及优化结构设计的主要内容。4.1.1疲劳裂纹扩展规律的描述要对结构件的完整性进行评估和裂纹扩展寿命的预测，就必须知道裂纹扩展的动力学规律，很多研究集

2、中在裂纹扩展速率的测定和表达式研究方面。裂纹扩展速率dc/dN受裂纹前缘的交变应力场的控制，主要是裂纹尖端的交变应力强度因子的范围AK和交变载荷的应力比线弹性断裂力学认为，在应力比不变的交变载荷的作用下，da/dN随AK的变化关系在双对数坐标系上呈图4.1所示的形状⑶。log(do/dAOlog(A/C)图4.1da/dW-AK曲线形状da/dN-AK曲线分成三个阶段：低速扩展段I、稳定扩展段II和快速扩展段III,阶段I存在的垂直渐进线K=Kth称为裂纹扩展门槛值，当AKv寸裂纹停止扩展，阶段III存在的垂直渐进线△

3、K=AKC为材料的断裂韧度。阶段III对应的裂纹扩展寿命在整个裂纹扩展过程屮所占的比例很小，对使用寿命的影响也很小，因此建立描述裂纹扩展速率的公式时主要考虑裂纹扩展的LII阶段。常用的描述裂纹扩展速率的公式有Paris公式（式4」）、Walker公式（式4.2）、Forman公式（式4.3）、Hartman公式（式4.4)、Klesnil公式(式4.5)、IAB公式(式4.6)等冏。da/dN=C(AK)n(4.1)d6//d/V=c[(l-/?f^maxJ(4.2)da/dN=C(AK)7[K,1—/?)—△«](4.3

4、)da/dN=C(AK-A心)”(4.4)da/dN=C(Kn-K^(4.5)da/dN=C(Kn-K^/[_Kc(l-/?)-A/C](4.6)Paris公式由于形式简单，一直得到广泛的应用，它能够较好的描述裂纹扩展的第II阶段。Walker公式也主耍用于描述裂纹扩展的第II阶段，它是Paris公式的改型，增加了对应力比的考虑。Forman公式可以更好的描述裂纹扩展的第III阶段。Hartman公式和Klesnil主要用于描述第I阶段的裂纹扩展规律°IAB公式可以全面的描述裂纹扩展的三个阶段，但公式的复杂性就定了

5、它在工程应用中不多。4.1.2腐蚀对疲劳裂纹扩展的影响腐蚀对疲劳裂纹扩展的影响是集中在非常局限的范围内进行的，在腐蚀疲劳裂纹扩展阶段的裂尖部位主要发生的过程冇反应物向裂纹尖端的运输、与新裸露金屈电化学反应、有害物质吸附、有害物质向塑性区扩散和反应产物向外运输，分别对应图4.2中的1-5O反应物向裂尖区的输运和反应产物的由裂尖区向外转移会使裂纹内腐蚀介质的成分、浓度发生变化以及裂纹内电位的变化；金属一环境界面反应生成有害化学物质(如氢原子)，它们被吸附并扩散进入裂尖前缘区，加速裂纹扩展；疲劳开裂会导致重复形成新鲜金厲表面，而

6、腐蚀又会形成腐蚀产物膜，循环应变导致裂纹尖端表面防护膜反复破裂；在裂纹张开期形成的腐蚀产物堆积起来，随后既影响裂纹内微区环境又影响裂纹闭合过程以及裂尖处有效局部应力强度因子的大小；还有裂尖的阳极溶解⑶。这些过程的综合作用使腐蚀对疲劳裂纹扩展的影响I•分复杂。图4.2腐蚀疲劳裂纹扩展阶段裂尖附近发牛的主要过程示意图研究表明，腐蚀条件下的裂纹扩展特性曲线(da/dN-K曲线)可能有图4.3所示的三种形式。Log(AK)(np/ep)60_I(np/ep)60-iLog(AK)(NP/EP)6OJ真腐蚀疲劳Log(AK)应力腐

7、蚀疲劳混合型腐蚀疲劳图4.3腐蚀疲劳裂纹扩展基木类型真腐蚀疲劳，即在腐蚀疲劳过程中不出现应力腐蚀，材料或构件疲劳特性的降低与应力腐蚀开裂无关而纯粹来自循环载荷与环境腐蚀的交互作用；应力腐蚀疲劳，即认为在环境与循环应力共同作用下，当应力强度因了Kn疵小于应力腐蚀临界应力强度因了Kscc时’材料疲劳彳J为不受环境影响，同空/i中的疲劳裂纹扩展相同‘当Kmax人于K'SCC吋，裂纹扩展类似于静态应力作用下的应力腐蚀；大多数工程结构金属材料的腐蚀疲劳裂纹常为真腐蚀疲劳和应力腐蚀疲劳的组合，即混合型腐蚀疲劳⑶。Wei和Landes

8、在研究铝合金在蒸憾水条件下的疲劳试验所得结果的基础上，提出腐蚀条件下裂纹扩展速率的线性叠加模型，认为高于Kisg的腐蚀疲劳裂纹扩展速率应为在中性环境条件下疲劳裂纹扩展速率和在同一腐蚀环境条件下根据载荷谱型及持续载荷裂纹扩展数据计算所得的环境分量之和，叠加模型认为载荷和环境之间没有协同作用。绝大部分研究者