腐蝕介質(zhì)下柔法測(cè)定疲勞裂紋擴(kuò)展速率

1、 腐蝕介質(zhì)下柔度法測(cè)定疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法的研究報(bào)告完成單位：國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心 項(xiàng)目完成人：高怡斐 邢國(guó)光 欒培峰 李穎摘 要 建立了腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置，針對(duì)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(jìn)行人造海水下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。并將海水下的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線與室溫大氣下的疲勞裂紋擴(kuò)展曲線進(jìn)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(kuò)展試驗(yàn)。得到在海水等腐蝕性介質(zhì)下的裂紋傳播速率da/dN，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用（安全設(shè)計(jì)和壽命估算）都是非常有益的。1

2、 試驗(yàn)裝置的建立首先，針對(duì)三點(diǎn)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(kuò)展試驗(yàn)裝置：（1） 制作耐腐蝕的不銹鋼容器；為了保證容器的剛性（因?yàn)樵撊萜魇⒀b了人造海水，還要承受動(dòng)態(tài)負(fù)荷），不銹鋼容器的底部為雙層復(fù)底。（2） 購(gòu)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(guò)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(shí)。能夠保證每分鐘至少置換不銹鋼容器內(nèi)溶液一次。實(shí)驗(yàn)證明，不銹鋼容器內(nèi)的溶液在疲勞的

3、動(dòng)態(tài)負(fù)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(kuò)展試驗(yàn)裝置如圖1所示：圖1. 腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置將室溫三點(diǎn)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(yàn)結(jié)果建好腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置后，針對(duì)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(jìn)行空氣和人造海水下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)。1）907A-HH907FCW焊縫金屬空氣和人造海水下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果如下：材料名稱：907A-HH907FCW焊縫金屬試驗(yàn)溫度：17試驗(yàn)介質(zhì)：人造海水 抗拉強(qiáng)度：600MPa； 屈服強(qiáng)度：510

4、MPa； 彈性模量：200000MPa試驗(yàn)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(zhǎng)度：6mm； 預(yù)裂紋長(zhǎng)度：1.5mm裂紋擴(kuò)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(yàn)溫度：17試驗(yàn)介質(zhì)：空氣 抗拉強(qiáng)度：600MPa； 屈服強(qiáng)度：510MPa； 彈性模量：200000Mpa試驗(yàn)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(zhǎng)度：6mm； 預(yù)裂紋長(zhǎng)度：1.5mm裂紋擴(kuò)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(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果如下：材料名稱：BT 20鈦合金試驗(yàn)溫度：17試驗(yàn)介質(zhì)：人造海水 抗拉強(qiáng)度：960MPa； 屈服強(qiáng)度：920MPa； 彈性模量：115000MPa試驗(yàn)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(zhǎng)度：6.5mm； 預(yù)裂紋長(zhǎng)度：2mm裂紋擴(kuò)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(yàn)溫度：17試驗(yàn)介質(zhì)：空氣 抗拉強(qiáng)度：960MPa； 屈服強(qiáng)度：920MPa； 彈性模量：115000Mpa試驗(yàn)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(zhǎng)度：8mm； 預(yù)裂紋長(zhǎng)度：2mm裂紋擴(kuò)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(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果如下：材料名稱：Ti-6-22-22S鈦合金試驗(yàn)溫度：27試驗(yàn)介質(zhì)：空氣 抗拉強(qiáng)度：980MPa； 屈服強(qiáng)度：930MPa； 彈性模量：115000MPa試驗(yàn)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(zhǎng)度：8mm； 預(yù)裂紋長(zhǎng)度：2mm裂紋擴(kuò)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(yàn)溫度：27試驗(yàn)介質(zhì)：人造海水 抗拉強(qiáng)度：980MPa； 屈服強(qiáng)度：930MPa； 彈性模量：115000MPa試驗(yàn)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(zhǎng)度：8mm； 預(yù)裂紋長(zhǎng)度：2mm裂紋擴(kuò)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(kuò)展速率明顯有所不同：有的材料海水下的裂紋擴(kuò)展速率高于空氣下的裂紋擴(kuò)展速率；有的材料海水下的裂紋擴(kuò)展速率低于空氣下的裂紋擴(kuò)展速率。柔度法測(cè)定腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯優(yōu)于目測(cè)法。這是因?yàn)槟繙y(cè)法測(cè)定的裂紋長(zhǎng)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(cè)法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度時(shí)經(jīng)常需要放干腐蝕槽中的海水，在靜止?fàn)顟B(tài)下讀取試樣兩表面的裂紋長(zhǎng)度，效率和自動(dòng)化程度明顯低于柔度法。因此，柔度法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度成為一種廣泛推薦的方法1,2。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束（裂紋擴(kuò)展到試驗(yàn)預(yù)定值）時(shí)，將柔度法測(cè)得的最終裂紋長(zhǎng)度與試驗(yàn)結(jié)束后用目測(cè)法（借助工具顯微鏡）測(cè)得的裂紋長(zhǎng)度相比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)果

10、非常接近。實(shí)驗(yàn)證明柔度法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度是切實(shí)可行的。對(duì)于腐蝕介質(zhì)下用柔度法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)三種不同材料的試驗(yàn)，可以證明三點(diǎn)彎曲SE(B)試樣腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)裝置和柔度法測(cè)量裂紋長(zhǎng)度都是切實(shí)可行的，試驗(yàn)結(jié)果也是可信的。但是，腐蝕介質(zhì)（人造海水）下的裂紋擴(kuò)展速率與空氣下的裂紋擴(kuò)展速率相比較的結(jié)果與預(yù)期有所差距。一般理論認(rèn)為，腐蝕介質(zhì)（人造海水）下的裂紋擴(kuò)展速率明顯快于空氣下的裂紋擴(kuò)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(kuò)展所至。加載頻率對(duì)介質(zhì)中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率有強(qiáng)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(duì)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(duì)加速介質(zhì)中da/dN的影響的這種趨勢(shì)，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(yàn)頻率0.11Hz之間4，而我們通常的試驗(yàn)頻率是1020Hz。這就意味著，如果試驗(yàn)頻率改為0.11Hz，我們的試驗(yàn)時(shí)間將需要原先的20100倍。試驗(yàn)花費(fèi)將大大增加，這是我們目前的課題經(jīng)費(fèi)所無(wú)法承受的。所以，如果有后續(xù)資金支持，該課題還需要作進(jìn)一步的深入實(shí)驗(yàn)。參考文獻(xiàn)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