海洋工程装备用E690高强钢腐蚀疲劳损伤可靠性建模研究文献综述

文献综述

腐蚀疲劳是金属材料在交变应力与腐蚀介质共同作用下发生锻炼破坏的过程。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。疲劳腐蚀已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。

1.1研究背景

21世纪是海洋的世纪,是世界沿海国家发展海洋事业,实现海洋强国的关键时期。事实证明,发展海洋工程制造业是实现海洋强国的重要途径,海洋工程及装备项目在各国的海洋事业发展过程中日显重要,发展海洋工程事业已经成为国际性大趋势和沿海国家的战略抉择,也是我国把建设世界第一大造船国的重要战略举措。发展海洋工程制造业是建设海洋强国的基础保证,在当前,我国是能源消费大国,能源需求出现高增长态势。

随着国内需求的增加和国家发展的进步，很多的极限强度，根本无法满足客观上的标准，如果固守强度，势必会影响船舶与海洋工程的进步，并且对今后的发展而言，也是非常不利的。所以，要根据船舶与海洋工程的特点及未来方向，将结构极限强度不断的强化，制定出更多的应对策略。

1.2国内外疲劳腐蚀研究的发展现状

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。点蚀是由于金属微观粒子所引发的一种局部腐蚀。由于金属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。以铝合金材料为例，表面 Mn、Fe 粒子为阴极，Al、Cu、Mg 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。Godard 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。Harlow 和Wei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。Rokhlin根据实验提出了半椭球体点蚀长径比随时间的下降模型。Hunkeler 和Bohni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。Wang，Howard 和 Xu使用探针对镍/硫酸系统点蚀的生长进行了测量。Sehgal，Frankel，Zoofan和 Rokhlin使用金属薄片渗透技术研究了Al1100-O 和 Al2024-T3 铝合金的点蚀演化。Ernst 和 Newma通过实验研究了腐蚀疲劳环境下不锈钢金属薄片的点蚀生长情况，并建立了腐蚀动力学模型。

2.研究海洋工程中疲劳腐蚀的意义

海洋工程结构物结构复杂，造价昂贵，一旦发生破损事故，在造成巨大人员伤亡和经济损失的同时，还会对海洋环境产生不可估计的危害。因此不管从经济方面考虑，还是从环境安全方面考虑，保证其在服役期内的安全性至关重要。

1972年瑞典公布对85艘大型船舶破损情况的研宄报告，报告显示该85艘船舶存在的3161处破损约70.6%属于疲劳破坏。对于长度超过200m的大型船舶，其由疲劳所致的损伤约占总损伤的70%以上。随着船舶的日益大型化，作为船舶结构主要破坏形式之一的疲劳破坏越发突出。