海洋工程装备E690高强钢腐蚀裂纹扩展实验与建模研究文献综述

 2023-11-23 09:38:10

文献综述

占全球表面积71%的海洋,蕴藏着丰富的资源,具有巨大的经济利益。而海洋的开发利用离不开高强钢的发展及应用,其中对海洋平台用高强钢的需求将不断扩大,,结构钢在严酷海洋环境中的安全寿命问题也日益凸显。

虽然E690钢作为高强钢有较好的耐腐蚀性和较高的抗疲劳性[1]。但海水是典型的电解质,海洋工程水下结构长期受海水及海生物额侵蚀而产生腐蚀问题,除受自身重力载荷外,还要经受风浪、海流、海底地震、低温等恶劣海况的侵蚀和破坏[2],交变载荷和腐蚀介质产生耦合效应,促进金属的疲劳寿命降低。为了预防和减少灾难性疲劳事故的发生,必须了解这些因素对疲劳寿命的影响,从而合理、准确地估算结构材料的疲劳寿命[3]

对不含裂纹式缺陷的构件,其腐蚀疲劳断裂过程可分为裂纹的萌生和扩展两段进行。腐蚀疲劳裂纹长度a0应大到足以应用断裂力学原理来验证,一般情况下,a0ge;0.25mm。当裂纹长度为a0为0.25mm时,即可认为裂纹己萌生[4]。腐蚀疲劳裂纹的萌生是由于内部损伤不断积累的结果。在外界载荷的作用下,损伤越来越严重。随着时间的推移,当损伤到一定的程度会萌生出细纹,细纹在腐蚀环境和载荷的持续作用下进一步扩展,且扩展速率会随着循环次数的增加而増大,直到结构出现断裂失效。结构从无裂纹到断裂破坏的过程可分为两个阶段:裂纹萌生和裂纹扩展。国内外对服饰疲劳裂纹扩展的研究主要有以下三方面:腐蚀疲劳裂纹萌生机理、疲劳裂纹扩展速率的影响因素、疲劳裂纹扩展模型的建立[5]

2.1腐蚀疲劳裂纹萌生机理

腐蚀疲劳是在应力损伤和腐蚀损伤交互作用下产生的。关于海水中高强钢腐蚀疲劳裂纹萌生机理的描述,主要的有阳极溶解理论、氢致开裂理论、滑移一溶解理论、膜破裂理论和应力吸附理论等等[6]。因此在考虑腐蚀疲劳裂纹扩展问题时,诸多因素都会影响其扩展速率及剩余寿命:(1)裂纹尖端的阳极溶解;(2)环境界面反应生成的有害化学物质,以氢尤为严重,吸附在裂纹尖端,扩

散进入塑性区,破坏金属材料微观组织结构,加速腐蚀;(3)循环应力作用下,裂纹尖端金属表面钝化膜破裂,随着裂纹扩展形成新鲜的金属表面及钝化膜,形成疲劳载荷作用下的反复过程;(4)应力条件的不同以及腐蚀产物的堆积,必将影响裂纹的闭合效应,进而影响有效应力强度因子的大小。由于多重因素对腐蚀疲劳裂纹扩展的影响[7],目前较为认可的两大理论为阳极溶解和氢致开裂 [8]

试验室的腐蚀疲劳裂纹起始寿命试验可采用中心孔平板试件(CCT)或紧凑拉伸试件(CT),如图所示,也可以采用三点或四点弯曲试件。对高强度钢,由于试件要在退火前进行机加工,随后进行强化热处理,为防止试件的翘曲变形,往往采用厚度和宽度比较大的三点或四点弯曲试件[7]

2.2腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响因素

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