腐蝕介質(zhì)下柔法測定疲勞裂紋擴展速率

1、 腐蝕介質(zhì)下柔度法測定疲勞裂紋擴展速率試驗方法的研究報告完成單位：國家鋼鐵材料測試中心 項目完成人：高怡斐 邢國光 欒培峰 李穎摘 要 建立了腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展試驗裝置，針對907A-HH907FCW焊縫金屬，BT 20鈦合金，Ti-6-22-22S鈦合金三種材料分別進行人造海水下的疲勞裂紋擴展試驗。并將海水下的疲勞裂紋擴展曲線與室溫大氣下的疲勞裂紋擴展曲線進行了分析與比較。隨著現(xiàn)代艦艇材料和船板材料的發(fā)展，要求能夠在模擬艦艇和船板材料的使用狀態(tài)（海水等腐蝕性介質(zhì)）下作疲勞裂紋擴展試驗。得到在海水等腐蝕性介質(zhì)下的裂紋傳播速率da/dN，對于實際應(yīng)用（安全設(shè)計和壽命估算）都是非常有益的。1

2、 試驗裝置的建立首先，針對三點彎曲SE(B)試樣，建立人造海水（3.5%NaCl水溶液）介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展試驗裝置：（1） 制作耐腐蝕的不銹鋼容器；為了保證容器的剛性（因為該容器盛裝了人造海水，還要承受動態(tài)負荷），不銹鋼容器的底部為雙層復(fù)底。（2） 購置專用的耐腐蝕泵。（3） 在不銹鋼容器底部裝配有入水口和出水口，將入水口與蓄水槽中裝配的循環(huán)泵的出水口相連，出水口用塑料水管接入蓄水槽，完成循環(huán)水系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)出水口管口高度，可以控制不銹鋼容器的液面高度，保證液面高度恒定。（4） 循環(huán)泵（水流量）1500L/小時。能夠保證每分鐘至少置換不銹鋼容器內(nèi)溶液一次。實驗證明，不銹鋼容器內(nèi)的溶液在疲勞的

3、動態(tài)負荷下并未出現(xiàn)腐蝕介質(zhì)的飛濺。腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展試驗裝置如圖1所示：圖1. 腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展試驗裝置將室溫三點彎曲夾具（下半部分）倒裝，再在不銹鋼腐蝕槽上做上入水口和出水口，如圖1所示。2 試驗結(jié)果建好腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展試驗裝置后，針對三種材料： 907A-HH907FCW焊縫金屬，BT 20鈦合金，Ti-6-22-22S鈦合金分別進行空氣和人造海水下的疲勞裂紋擴展試驗。1）907A-HH907FCW焊縫金屬空氣和人造海水下的疲勞裂紋擴展試驗結(jié)果如下：材料名稱：907A-HH907FCW焊縫金屬試驗溫度：17試驗介質(zhì)：人造海水 抗拉強度：600MPa； 屈服強度：510

4、MPa； 彈性模量：200000MPa試驗設(shè)備：MTS 810.13試樣類型：SE(B)； 載荷比：0.1； 加載頻率：12.5Hz試樣寬度：24mm； 試樣厚度：12.2mm； 切口長度：6mm； 預(yù)裂紋長度：1.5mm裂紋擴展速率方程：da/dN=3.041×10-18(K)4.6115 C=3.041×10-18 , n=4.6115 相關(guān)系數(shù)：r=0.9882材料名稱：907A-HH907FCW焊縫金屬試驗溫度：17試驗介質(zhì)：空氣 抗拉強度：600MPa； 屈服強度：510MPa； 彈性模量：200000Mpa試驗設(shè)備：MTS 810.13試樣類型：SE(B)； 載

5、荷比：0.1； 加載頻率：12.5Hz試樣寬度：24mm； 試樣厚度：12.2mm； 切口長度：6mm； 預(yù)裂紋長度：1.5mm裂紋擴展速率方程：da/dN=2.6853×10-16(K)3.9075 C=2.6853×10-16 , n=3.9075 相關(guān)系數(shù)：r=0.92162）BT 20鈦合金空氣和人造海水下的疲勞裂紋擴展試驗結(jié)果如下：材料名稱：BT 20鈦合金試驗溫度：17試驗介質(zhì)：人造海水 抗拉強度：960MPa； 屈服強度：920MPa； 彈性模量：115000MPa試驗設(shè)備：MTS 810.13試樣類型：SE(B)； 載荷比：0.1； 加載頻率：12.5Hz試

6、樣寬度：40mm； 試樣厚度：20mm； 切口長度：6.5mm； 預(yù)裂紋長度：2mm裂紋擴展速率方程：da/dN=2.3281×10-13(K)3.2603 C=2.3281×10-13 , n=3.2603 相關(guān)系數(shù)：r=0.9679材料名稱：BT 20鈦合金試驗溫度：17試驗介質(zhì)：空氣 抗拉強度：960MPa； 屈服強度：920MPa； 彈性模量：115000Mpa試驗設(shè)備：MTS 810.13試樣類型：CT； 載荷比：0.1； 加載頻率：20Hz試樣寬度：40mm； 試樣厚度：20mm； 切口長度：8mm； 預(yù)裂紋長度：2mm裂紋擴展速率方程：da/dN=7.691&

7、#215;10-17(K)4.405 C=7.691×10-17 , n=4.405 相關(guān)系數(shù)：r=0.97243）Ti-6-22-22S鈦合金空氣和人造海水下的疲勞裂紋擴展試驗結(jié)果如下：材料名稱：Ti-6-22-22S鈦合金試驗溫度：27試驗介質(zhì)：空氣 抗拉強度：980MPa； 屈服強度：930MPa； 彈性模量：115000MPa試驗設(shè)備：MTS 810.13試樣類型：SE(B)； 載荷比：0.1； 加載頻率：12.5Hz試樣寬度：40mm； 試樣厚度：20mm； 切口長度：8mm； 預(yù)裂紋長度：2mm裂紋擴展速率方程：da/dN=9.93×10-13(K)3.093

8、C=9.931×10-13 , n=3.093 相關(guān)系數(shù)：r=0.955材料名稱：Ti-6-22-22S鈦合金試驗溫度：27試驗介質(zhì)：人造海水 抗拉強度：980MPa； 屈服強度：930MPa； 彈性模量：115000MPa試驗設(shè)備：MTS 810.13試樣類型：SE(B)； 載荷比：0.1； 加載頻率：12.5Hz試樣寬度：40mm； 試樣厚度：20mm； 切口長度：8mm； 預(yù)裂紋長度：2mm裂紋擴展速率方程：da/dN=9.77×10-15(K)3.749 C=9.77×10-15 , n=3.749 相關(guān)系數(shù)：r=0.9583 分析與討論從三組數(shù)據(jù)可以看出

9、三種材料空氣和海水介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展速率明顯有所不同：有的材料海水下的裂紋擴展速率高于空氣下的裂紋擴展速率；有的材料海水下的裂紋擴展速率低于空氣下的裂紋擴展速率。柔度法測定腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展速率明顯優(yōu)于目測法。這是因為目測法測定的裂紋長度是靠肉眼的分辨率，精度明顯低于夾規(guī)的柔度法。而且，目測法測量裂紋長度時經(jīng)常需要放干腐蝕槽中的海水，在靜止狀態(tài)下讀取試樣兩表面的裂紋長度，效率和自動化程度明顯低于柔度法。因此，柔度法測量裂紋長度成為一種廣泛推薦的方法1,2。當試驗結(jié)束（裂紋擴展到試驗預(yù)定值）時，將柔度法測得的最終裂紋長度與試驗結(jié)束后用目測法（借助工具顯微鏡）測得的裂紋長度相比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)果

10、非常接近。實驗證明柔度法測量裂紋長度是切實可行的。對于腐蝕介質(zhì)下用柔度法測量裂紋長度具有明顯的優(yōu)勢。通過三種不同材料的試驗，可以證明三點彎曲SE(B)試樣腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴展試驗裝置和柔度法測量裂紋長度都是切實可行的，試驗結(jié)果也是可信的。但是，腐蝕介質(zhì)（人造海水）下的裂紋擴展速率與空氣下的裂紋擴展速率相比較的結(jié)果與預(yù)期有所差距。一般理論認為，腐蝕介質(zhì)（人造海水）下的裂紋擴展速率明顯快于空氣下的裂紋擴展速率。這是由于腐蝕介質(zhì)與試樣發(fā)生了原電池反應(yīng)，裂紋尖端的H+加速裂紋擴展所至。加載頻率對介質(zhì)中的疲勞裂紋擴展速率有強烈的影響。加載頻率基本上不影響鋼在空氣中的da/dN；但在腐蝕介質(zhì)（3.5%

11、NaCl水溶液）中，加載頻率對da/dN都有明顯的影響，并且這種影響隨著頻率的降低而加劇。頻率對加速介質(zhì)中da/dN的影響的這種趨勢，幾乎在所有金屬材料中均可觀察到3。但這種情況通常發(fā)生在試驗頻率0.11Hz之間4，而我們通常的試驗頻率是1020Hz。這就意味著，如果試驗頻率改為0.11Hz，我們的試驗時間將需要原先的20100倍。試驗花費將大大增加，這是我們目前的課題經(jīng)費所無法承受的。所以，如果有后續(xù)資金支持，該課題還需要作進一步的深入實驗。參考文獻1Yoder,G.R.,Cooley,L.A.,and Crooker,T.W.,“Procedures for Precision Measu

12、rement of Fatigue Crack Growth Rate Using Crack Opening Displacement Techniques,” Fatigue Crack Growth Measurements and Data Analysis, ASTM STP 738,ASTM,1981,pp.85-1022Liaw, P.K., Hartmann, H.R.,and Helm, E.J.,“Corrosion Fatigue Crack Propagation Testing with the KRAK-GAGE in Salt Water,” Engineering Fracture M