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腐蝕疲勞特征及評價方法

來源: 上海百若試驗儀器有限公司 日期:2017年05月21日  點擊數:載入中...

一、腐蝕疲勞(corrosion fatigue)的定義:

當金屬受到酸堿的腐蝕,一些部位的應力就比其他部位高得多,加速裂縫的形成,這叫“腐蝕疲勞”。

腐蝕疲勞的形成條件:

只要環境對設備有腐蝕作用(氣體腐蝕、大氣腐蝕、海洋腐蝕、土壤腐蝕等),再加上循環應力作用均可產生腐蝕疲勞。

破壞機制:金屬材料在腐蝕介質的作用下形成一層覆蓋層,在交變應力作用下覆蓋層破裂,局部發生化學浸蝕形成腐蝕坑,交變應力作用下產生應力集中進而形成裂紋。

 

腐蝕疲勞特點:

(1)       疲勞腐蝕不需要特定的腐蝕系統,它在不含任何特定腐蝕離子的蒸餾水中也能發生。

(2)       任何金屬材料均可能發生腐蝕疲勞。

(3)       材料的腐蝕疲勞不存在疲勞極限。

(4)       腐蝕疲勞初裂紋的擴展受應力循環周次的控制,不循環時裂紋不擴展。

 

相關術語:

腐蝕疲勞極限(corrosion fatigue limit

腐蝕疲勞極限:材料在空氣和腐蝕環境中的疲勞試驗中應力s與循環數N如右圖所示。在給定的腐蝕環境中(如空氣),應力低于某一臨界應力時,交變應力的循環數N再大,材料也不發生破壞。這一臨界應力稱為材料的疲勞極限。

 

二、腐蝕疲勞的影響因素

 

(一)   載荷的影響

(1)  幅度  循環載荷的交變幅度睜大,腐蝕速度也隨之增大,即使此應力低于表觀疲勞極限。

(2)  頻率  在低速區,加載頻率的變化對疲勞裂紋擴展速率基本沒有影響;當裂紋擴展速率較高時,加載頻率的降低使裂紋擴展速率增大。 

(二)   加工工藝的影響

    電解拋光有使腐蝕疲勞強度下降的趨勢,以提高材料強度為目的的熱處理也有降低腐蝕疲勞強度的趨勢,而表面軋制可提高腐蝕疲勞強度。

(三)   環境的影響

(1)      溫度 溫度明顯加快腐蝕速度。但是,若溫度上升引起材料嚴重孔蝕,產生許多淺裂紋源,從而降低了應力集中,使陽極對陰極面積比增大,反而對材料腐蝕疲勞性能有所改進。

(2)      pH  pH<4時,降低腐蝕疲勞,壽命降低;pH=4-10,壽命保持恒定;pH=10-12,壽命顯著增加;pH>12,表觀疲勞極限接近干疲勞極限。

(3)      含氧量 當0.05mg/L<C(O)<0.5mg/L,疲勞壽命隨溶解氧的增加呈冪函數降低; 當C(O)<0.05mg/L<C(O)>0.5mg/L, 疲勞壽命趨于飽和。

三、腐蝕疲勞的防護:

可以考慮從3個方面來防范腐蝕疲勞的產生

(1)           采用耐腐蝕材料:

如含二氧化硫的溶液中Cr26Ni5鐵素體-奧氏體雙相不銹鋼較奧氏體不銹鋼耐蝕。

(2)      表面保護層

    鍍鋅的鋼絲繩在海水中、鍍鎳的鋼絲繩在河水和鹽霧中的疲勞極限有顯著提高,其他非金屬的有機或無機涂層也有良好的效果,但要求與基體金屬有良好的結合力與耐磨性能。

(3)      表面處理

   噴丸、氮化等在材料表面形成壓應力,有利于提高耐腐蝕疲勞性能。

 

四、腐蝕疲勞裂紋擴展模型

應用較為廣泛的腐蝕疲勞裂紋擴展模型,有d a/d N(ΔK, f, RD)模型、疊加模型和競爭模型,這幾種模型是建立在 Paris公式及其修正形式的基礎上,通過不同方式考慮環境因素特別是腐蝕作用的影響,以計算腐蝕疲勞裂紋。

腐蝕疲勞是一種特殊的疲勞,目前工程中常用的疲勞裂紋擴展速率函數是Paris-Erodgan模型,即Paris公式,它建立了應力強度因子和裂紋擴展速率之間的關系,是當今工程應用中預測疲勞裂紋擴展壽命的理論基礎,其形式為

工程中還有一種十分常用的是Forman模型,這是考慮了腐蝕疲勞的環境效應,其實是Paris公式的一種修正,其形式為

 

腐蝕疲勞裂紋擴展壽命的計算即是以上述二式其修正形式為基礎,式中的各參數考慮了腐蝕因素影響,然后通過數值運算來實現。影響腐蝕疲勞裂紋擴展的因素很多,要根據工程實際需要考慮盡可能多的因素,以建立準確有效的以Paris公式為基礎的數學模型,目前主要是借助于試驗數據,在進行回歸分析后對模型做出合理的修正。考慮了介質濃度、加載頻率和應力比對腐蝕疲勞裂紋擴展速率的影響,引入腐蝕疲勞裂紋擴展的環境加速因C( f , R,D)的表達式,從而建立了一種腐蝕疲勞裂紋擴展速率數學模型d a / d N(ΔK, f, RD)

總的趨勢可以認為,隨著載荷頻率的降低,d a / d N增大;當溫度和載荷頻率一定時,應力比減小,d a / d N降低;介質濃度高的情況下d a / d N一般要快于介質濃度低的情況。通常情況下可將干燥的空氣看作“惰性”介質,并把空氣中的疲勞數據作為研究腐蝕疲勞的對比數據。將不同的載荷頻率、應力比、介質濃度組合作為試驗條件,對腐蝕疲勞試驗過程中記錄的各組數據(Cair, ),經過七點增量遞增多項式擬合后進行回歸處理,得到不同試驗條件下的疲勞裂紋擴展速率方程。然后引入環境加速因子Cenc,腐蝕疲勞裂紋擴展速率公式可表示為如下形式

 

上述的建模方法為處理工程實際問題提供了一個比較明確的思路,就是以空氣中的疲勞裂紋擴展速率為基準,引入環境加速因子Cenc ,找出載荷頻率、應力比和介質濃度在Cenc中的關系式,考慮一定的安全系數,進而可給出一種腐蝕疲勞裂紋擴展速率d a / d N(ΔK, f, RD)數學模型,經與實驗結果相比得到了很高的一致性,為在工程實際中對含缺陷結構進行安全評定提供了參考。

五、腐蝕疲勞過程中裂紋長度的測量:

在腐蝕疲勞試驗過程中進行裂紋長度的測量通常是比較麻煩的一件事,有幾種方法可以進行測量。

第一,在常溫或室溫~80℃的腐蝕介質環境中,可以采用COD規測量,這些COD規放置在腐蝕介質外,試樣放置在腐蝕介質內進行疲勞試驗;

第二,當腐蝕介質的溫度較高,腐蝕介質又具有一定的壓力的情況下,采用COD規顯然是不可能的。這時,可采用百若儀器專門開發的DCPD裂紋擴展速率測量系統,進行CT試樣在腐蝕介質下的裂紋擴展長度的測量。引入DCPD系統,在線直接測量裂紋擴展長度,并繪制a/W-t曲線。特別指出的是在該系統中,可進行恒K控制,也可進行升K、降K控制。

六、腐蝕疲勞的試驗方法

(一)   研究材料腐濁疲勞性能目的:

(1)  測定材料的腐蝕疲勞壽命曲線;

(2)  測定材料的腐蝕疲勞臨界應力場強度因子范圍;

(3)  測定材料的疲勞裂紋擴展速率;

(二)   研究腐蝕疲勞斷裂機理試驗的方法:

單軸拉壓加載法、反復彎曲加載法、旋轉彎曲加載法、扭轉彎曲加載法等。

(三)   試驗結果:

通常用腐蝕疲勞壽命曲線、腐蝕介質下的裂紋擴展速率來表示。

七、相關腐蝕疲勞標準

1)GB 國家質檢總局

GB/T 20120.1-2006          金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗。第一部分:循環失效試驗

GB/T 20120.2-2006          金屬和合金的腐蝕。腐蝕疲勞試驗。第二部分:預裂紋試驗裂紋擴展試驗

2)ISO 國際標準化組織

ISO 11782-1-1998    Corrosion of metals and alloys - Corrosion fatigue testing - Part 1: Cycles to failure testing (ISO 11782-1:1998); German version EN ISO 11782-1:2008

ISO 11782-2-1998    Corrosion of metals and alloys - Corrosion fatigue testing - Part 2: crack propagation testing using precracked specimens (ISO 11782-2:1998); German version EN ISO 11782-2:2008

八、腐蝕疲勞試驗裝置

疲勞裂紋擴展速率試驗允許在不同類型的拉壓疲勞試驗機上進行。

然后配置合適的腐蝕環境,進行疲勞試驗。這些腐蝕環境可以根據材料的服役環境進行設計,以最終確定材料在腐蝕環境中的疲勞受壽命。

常見材料及相關的腐蝕介質:

材料

 

低碳鋼

NaOH溶液、硝酸鹽溶液、含H2SHCl溶液、CO-CO2-H2O、碳酸鹽、磷酸鹽

高碳鋼

各種水介質、含痕量水的有機溶劑、HCN溶液

奧氏體不銹鋼

氯化物水溶液、高溫高壓含氧高純水、連多硫酸、堿溶液

鋁和鋁合金

濕空氣、海水、含鹵素離子的水溶液、有機溶劑、熔融NaCl

銅和銅合金

NH4+的溶液、氨蒸汽、汞鹽溶液、SO2大氣、水蒸汽

鈦和鈦合金

發煙硝酸、甲醇(蒸汽)、高溫NaCl溶液、HClH2SO4、濕Cl2N2O4(含O2,不含NO24~74℃)

鎂和鎂合金

濕空氣、高純水、氟化物、KCl+K2CrO4溶液

鎳和鎳合金

熔融氫氧化物、熱濃氫氧化物溶液、HF蒸氣和溶液

鋯合金

含氯離子水溶液、有機溶劑

 

腐蝕環境可以選擇水化學循環系統、也可以試驗室配置,高溫高壓的水化學循環系統。腐蝕循環系統中通常包括電導率、溶解氧、溶解氫、PH值測量儀表。

腐蝕環境也有氣體腐蝕環境系統。

還有一些腐蝕系統是比較少的,比如:鉛鉍腐蝕介質、鋰鈉腐蝕介質、這些腐蝕循環系統可以選擇百若儀器的腐蝕循環系統。

疲勞壽命的測量難點在于在腐蝕介質環境中腐蝕介質的密封、載荷的傳遞以及在腐蝕介質中變形的測量、裂紋長度的測量。目前,百若儀器可以進行腐蝕疲勞試驗的設備供貨。并且,可以在一個試樣的條件下,進行不同環境的裂紋擴展速率的測量比較。通過百若儀器提供的DCPD系統進行腐蝕介質條件下的裂紋長度的測量。

九、腐蝕疲勞試樣

金屬材料的疲勞裂紋擴展試驗可以采用標準CT試樣或標準棒狀試樣。

注:試樣加工過程中不可避免地會存在殘余應力,它有可能引起疲勞裂紋擴展速率的變化。通過選擇合適的試樣形狀和尺寸及合理的試樣加工與熱處理工藝等,使殘余應力對疲勞裂紋擴展速率的影響盡量減小。

疲勞裂紋擴展速率并非總是與試樣的幾何形狀無關,試樣厚度的變化對疲勞裂紋擴展速率的影響有可能增大、減小或保持不變,因此,對試樣的厚度效應應當引起注意。

 

備注:部分腐蝕疲勞試驗設備圖片:

百若儀器 配置了高低溫環境箱的疲勞試驗機

百若儀器 配置了超臨界水腐蝕介質的腐蝕疲勞試驗機

百若儀器配置了高壓腐蝕氣體的腐蝕疲勞試驗機

百若儀器 配置了氯化鈉溶液的模擬深海環境的腐蝕疲勞試驗機

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