腐蚀疲劳及腐蚀疲劳试验统一标准.docx
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腐蚀疲劳及腐蚀疲劳试验统一标准
腐蚀疲劳特性及评价办法
Bairoe
一、腐蚀疲劳(corrosionfatigue)定义:
当金属受到酸碱腐蚀,某些部位应力就比其她部位高得多,加速裂缝形成,这叫“腐蚀疲劳”。
腐蚀疲劳形成条件:
只要环境对设备有腐蚀作用(气体腐蚀、大气腐蚀、海洋腐蚀、土壤腐蚀等),再加上循环应力作用均可产生腐蚀疲劳。
破坏机制:
金属材料在腐蚀介质作用下形成一层覆盖层,在交变应力作用下覆盖层破裂,局部发生化学浸蚀形成腐蚀坑,交变应力作用下产生应力集中进而形成裂纹。
腐蚀疲劳特点:
(1)疲劳腐蚀不需要特定腐蚀系统,它在不含任何特定腐蚀离子蒸馏水中也能发生。
(2)任何金属材料均也许发生腐蚀疲劳。
(3)材料腐蚀疲劳不存在疲劳极限。
(4)腐蚀疲劳初裂纹扩展受应力循环周次控制,不循环时裂纹不扩展。
有关术语:
腐蚀疲劳极限(corrosionfatiguelimit)
腐蚀疲劳极限:
材料在空气和腐蚀环境中疲劳实验中应力s与循环数N如右图所示。
在给定腐蚀环境中(如空气),应力低于某一临界应力时,交变应力循环数N再大,材料也不发生破坏。
这一临界应力称为材料疲劳极限。
二、腐蚀疲劳影响因素
(一)载荷影响
(1)幅度循环载荷交变幅度睁大,腐蚀速度也随之增大,虽然此应力低于表观疲劳极限。
(2)频率在低速区,加载频率变化对疲劳裂纹扩展速率基本没有影响;当裂纹扩展速率较高时,加载频率减少使裂纹扩展速率增大。
(二)加工工艺影响
电解抛光有使腐蚀疲劳强度下降趋势,以提高材料强度为目热解决也有减少腐蚀疲劳强度趋势,而表面轧制可提高腐蚀疲劳强度。
(三)环境影响
(1)温度温度明显加快腐蚀速度。
但是,若温度上升引起材料严重孔蚀,产生许多浅裂纹源,从而减少了应力集中,使阳极对阴极面积比增大,反而对材料腐蚀疲劳性能有所改进。
(2)pHpH<4时,减少腐蚀疲劳,寿命减少;pH=4-10,寿命保持恒定;pH=10-12,寿命明显增长;pH>12,表观疲劳极限接近干疲劳极限。
(3)含氧量当0.05mg/L0.5mg/L时,疲劳寿命趋于饱和。
三、腐蚀疲劳防护:
可以考虑从3个方面来防范腐蚀疲劳产生
(1)采用耐腐蚀材料:
如含二氧化硫溶液中Cr26Ni5铁素体-奥氏体双相不锈钢较奥氏体不锈钢耐蚀。
(2)表面保护层
镀锌钢丝绳在海水中、镀镍钢丝绳在河水和盐雾中疲劳极限有明显提高,其她非金属有机或无机涂层也有良好效果,但规定与基体金属有良好结合力与耐磨性能。
(3)表面解决
喷丸、氮化等在材料表面形成压应力,有助于提高耐腐蚀疲劳性能。
四、腐蚀疲劳裂纹扩展模型
应用较为广泛腐蚀疲劳裂纹扩展模型,有da/dN(ΔK,f,R,D)模型、叠加模型和竞争模型,这几种模型是建立在Paris公式及其修正形式基本上,通过不同方式考虑环境因素特别是腐蚀作用影响,以计算腐蚀疲劳裂纹。
腐蚀疲劳是一种特殊疲劳,当前工程中惯用疲劳裂纹扩展速率函数是Paris-Erodgan模型,即Paris公式,它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间关系,是当今工程应用中预测疲劳裂纹扩展寿命理论基本,其形式为
工程中尚有一种十分惯用是Forman模型,这是考虑了腐蚀疲劳环境效应,其实是Paris公式一种修正,其形式为
腐蚀疲劳裂纹扩展寿命计算即是以上述二式其修正形式为基本,式中各参数考虑了腐蚀因素影响,然后通过数值运算来实现。
影响腐蚀疲劳裂纹扩展因素诸多,要依照工程实际需要考虑尽量多因素,以建立精确有效以Paris公式为基本数学模型,当前重要是借助于实验数据,在进行回归分析后对模型做出合理修正。
考虑了介质浓度、加载频率和应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展速率影响,引入腐蚀疲劳裂纹扩展环境加速因C(f,R,D)表达式,从而建立了一种腐蚀疲劳裂纹扩展速率数学模型da/dN(ΔK,f,R,D)。
总趋势可以以为,随着载荷频率减少,da/dN增大;当温度和载荷频率一定期,应力比减小,da/dN减少;介质浓度高状况下da/dN普通要快于介质浓度低状况。
普通状况下可将干燥空气看作“惰性”介质,并把空气中疲劳数据作为研究腐蚀疲劳对比数据。
将不同载荷频率、应力比、介质浓度组合伙为实验条件,对腐蚀疲劳实验过程中记录各组数据(Cair,),通过七点增量递增多项式拟合后进行回归解决,得到不同实验条件下疲劳裂纹扩展速率方程。
然后引入环境加速因子Cenc,腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式可表达为如下形式
上述建模办法为解决工程实际问题提供了一种比较明确思路,就是以空气中疲劳裂纹扩展速率为基准,引入环境加速因子Cenc,找出载荷频率、应力比和介质浓度在Cenc中关系式,考虑一定安全系数,进而可给出一种腐蚀疲劳裂纹扩展速率da/dN(ΔK,f,R,D)数学模型,经与实验成果相比得到了很高一致性,为在工程实际中对含缺陷构造进行安全评估提供了参照。
五、腐蚀疲劳过程中裂纹长度测量:
在腐蚀疲劳实验过程中进行裂纹长度测量普通是比较麻烦一件事,有几种办法可以进行测量。
第一,在常温或室温~80℃腐蚀介质环境中,可以采用COD规测量,这些COD规放置在腐蚀介质外,试样放置在腐蚀介质内进行疲劳实验;
第二,当腐蚀介质温度较高,腐蚀介质又具备一定压力状况下,采用COD规显然是不也许。
这时,可采用Bairoe专门开发DCPD裂纹扩展速率测量系统,进行CT试样在腐蚀介质下裂纹扩展长度测量。
引入DCPD系统,在线直接测量裂纹扩展长度,并绘制a/W-t曲线。
特别指出是在该系统中,可进行恒K控制,也可进行升K、降K控制。
六、腐蚀疲劳实验办法
(一)研究材料腐浊疲劳性能目:
(1)测定材料腐蚀疲劳寿命曲线;
(2)测定材料腐蚀疲劳临界应力场强度因子范畴;
(3)测定材料疲劳裂纹扩展速率;
(二)研究腐蚀疲劳断裂机理实验办法:
单轴拉压加载法、重复弯曲加载法、旋转弯曲加载法、扭转弯曲加载法等。
(三)实验成果:
通惯用腐蚀疲劳寿命曲线、腐蚀介质下裂纹扩展速率来表达。
七、有关腐蚀疲劳原则
(1)GB国家质检总局
GB/T0.1-金属和合金腐蚀。
腐蚀疲劳实验。
第一某些:
循环失效实验
GB/T0.2-金属和合金腐蚀。
腐蚀疲劳实验。
第二某些:
预裂纹实验裂纹扩展实验
(2)ISO国际原则化组织
ISO11782-1-1998Corrosionofmetalsandalloys-Corrosionfatiguetesting-Part1:
Cyclestofailuretesting(ISO11782-1:
1998);GermanversionENISO11782-1:
ISO11782-2-1998Corrosionofmetalsandalloys-Corrosionfatiguetesting-Part2:
crackpropagationtestingusingprecrackedspecimens(ISO11782-2:
1998);GermanversionENISO11782-2:
八、腐蚀疲劳实验装置
疲劳裂纹扩展速率实验容许在不同类型拉压疲劳实验机上进行。
然后配备适当腐蚀环境,进行疲劳实验。
这些腐蚀环境可以依照材料服役环境进行设计,以拟定材料在腐蚀环境中疲劳受寿命。
常用材料及有关腐蚀介质:
材料
介质
低碳钢
NaOH溶液、硝酸盐溶液、含H2S和HCl溶液、CO-CO2-H2O、碳酸盐、磷酸盐
高碳钢
各种水介质、含痕量水有机溶剂、HCN溶液
奥氏体不锈钢
氯化物水溶液、高温高压含氧高纯水、连多硫酸、碱溶液
铝和铝合金
湿空气、海水、含卤素离子水溶液、有机溶剂、熔融NaCl
铜和铜合金
含NH4+溶液、氨蒸汽、汞盐溶液、SO2大气、水蒸汽
钛和钛合金
发烟硝酸、甲醇(蒸汽)、高温NaCl溶液、HCl、H2SO4、湿Cl2、N2O4(含O2,不含NO,24~74℃)
镁和镁合金
湿空气、高纯水、氟化物、KCl+K2CrO4溶液
镍和镍合金
熔融氢氧化物、热浓氢氧化物溶液、HF蒸气和溶液
锆合金
含氯离子水溶液、有机溶剂
腐蚀环境可以选取水化学循环系统、也可以实验室配备,高温高压水化学循环系统。
腐蚀循环系统中普通涉及电导率、溶解氧、溶解氢、PH值测量仪表。
腐蚀环境也有气体腐蚀环境系统。
尚有某些腐蚀系统是比较少,例如:
铅铋腐蚀介质、锂钠腐蚀介质、这些腐蚀循环系统可以选取Bairoe腐蚀循环系统。
疲劳寿命测量难点在于在腐蚀介质环境中腐蚀介质密封、载荷传递以及在腐蚀介质中变形测量、裂纹长度测量。
当前,百若仪器可以进行腐蚀疲劳实验设备供货。
并且,可以在一种试样条件下,进行不同环境裂纹扩展速率测量比较。
通过Bairoe提供DCPD系统进行腐蚀介质条件下裂纹长度测量。
九、腐蚀疲劳试样
金属材料疲劳裂纹扩展实验可以采用原则CT试样或原则棒状试样。
注:
试样加工过程中不可避免地会存在残存应力,它有也许引起疲劳裂纹扩展速率变化。
通过选取适当试样形状和尺寸及合理试样加工与热解决工艺等,使残存应力对疲劳裂纹扩展速率影响尽量减小。
疲劳裂纹扩展速率并非总是与试样几何形状无关,试样厚度变化对疲劳裂纹扩展速率影响有也许增大、减小或保持不变,因而,对试样厚度效应应当引起注意。
备注:
某些腐蚀疲劳实验设备图片:
Bairoe配备了高低温环境箱疲劳实验机
Bairoe配备了气体腐蚀介质腐蚀疲劳实验机
Bairoe配备了氯化钠溶液模仿深海环境腐蚀疲劳实验机
Bairoe配备了超临界水腐蚀介质疲劳实验机。
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本文简朴简介了腐蚀疲劳(corrosionfatigue)影响因素、腐蚀疲劳开裂机理,以及腐蚀疲劳防护办法和腐蚀疲劳裂纹扩展模型,简介了腐蚀疲劳实验办法及评价办法。