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文檔簡介
1、 腐蝕介質(zhì)下柔度法測定疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)方法的研究報(bào)告完成單位:國家鋼鐵材料測試中心 項(xiàng)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(kuò)展試驗(yàn)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(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,還要承受動態(tài)負(fù)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(shí)驗(yàn)證明,不銹鋼容器內(nèi)的溶液在疲勞的
3、動態(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; 切口長度:6mm; 預(yù)裂紋長度: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; 切口長度:6mm; 預(yù)裂紋長度: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; 切口長度:6.5mm; 預(yù)裂紋長度: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; 切口長度:8mm; 預(yù)裂紋長度: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; 切口長度:8mm; 預(yù)裂紋長度: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; 切口長度:8mm; 預(yù)裂紋長度: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。柔度法測定腐蝕介質(zhì)下的疲勞裂紋擴(kuò)展速率明顯優(yōu)于目測法。這是因?yàn)槟繙y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?fàn)顟B(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(dāng)試驗(yàn)結(jié)束(裂紋擴(kuò)展到試驗(yàn)預(yù)定值)時,將柔度法測得的最終裂紋長度與試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證明柔度法測量裂紋長度是切實(shí)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(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)裝置和柔度法測量裂紋長度都是切實(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(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
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