姚新華,何耀輝

(中海油深圳分公司惠州油田,廣東 深圳 518067)

材料腐蝕疲勞壽命估算方法探討

姚新華,何耀輝

(中海油深圳分公司惠州油田,廣東 深圳 518067)

在總結(jié)國(guó)內(nèi)外估算腐蝕疲勞壽命研究成果的基礎(chǔ)上,給出了估算材料腐蝕疲勞壽命的三種方法及其優(yōu)缺點(diǎn).解析法主要基于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)確定的一些常數(shù)來(lái)計(jì)算材料在腐蝕疲勞環(huán)境下的壽命.能量法是從材料的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)研究材料失效的機(jī)理,從導(dǎo)致材料失效發(fā)生的晶體間的破壞而產(chǎn)生能量耗散的角度研究材料腐蝕疲勞壽命.實(shí)驗(yàn)法主要通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)得出實(shí)際服役情況下材料的腐蝕疲勞壽命,但是該方法在再現(xiàn)性較差情況下存在諸多不確定因素.

疲勞壽命估算;腐蝕疲勞;解析法;能量法;實(shí)驗(yàn)法

材料腐蝕疲勞的研究在國(guó)內(nèi)起步較晚,因此對(duì)于材料腐蝕疲勞壽命的研究還不夠深入.在設(shè)計(jì)工程構(gòu)件時(shí),由于對(duì)腐蝕疲勞壽命研究不足,而導(dǎo)致構(gòu)件提前失效的事件屢見(jiàn)不鮮.隨著工程構(gòu)件在各種復(fù)雜環(huán)境下疲勞破壞問(wèn)題的日益突出,腐蝕疲勞壽命的研究顯得越來(lái)越重要.目前,國(guó)內(nèi)對(duì)腐蝕疲勞壽命的研究尚處于發(fā)展階段.

從研究常規(guī)材料疲勞壽命的觀點(diǎn)來(lái)看,腐蝕疲勞壽命Nf的研究分為:腐蝕疲勞裂紋的形成期Ni和腐蝕疲勞裂紋的擴(kuò)展期Np,表示為:Nf=Ni+Np.關(guān)于腐蝕疲勞壽命的估算方法大致有:解析法、能量法和實(shí)驗(yàn)法.

1 解析法

對(duì)腐蝕疲勞壽命研究最深入的領(lǐng)域當(dāng)屬航天、航空.在航天、航空特定的環(huán)境下,估算材料腐蝕疲勞壽命的方法有經(jīng)驗(yàn)公式,而對(duì)于一般材料腐蝕疲勞壽命的兩個(gè)階段有不同的解析表達(dá)式.

腐蝕疲勞裂紋形成期的解析表達(dá)式[1]為:

式(1)中:Ci—腐蝕疲勞裂紋形成起始抗力系數(shù);n—材料的應(yīng)變硬化指數(shù);Δσeqv—當(dāng)量應(yīng)力幅;(Δσeqv)th,CF—形成腐蝕疲勞裂紋門(mén)檻的當(dāng)量應(yīng)力幅.

腐蝕疲勞裂紋形成起始抗力系數(shù)Ci是一個(gè)對(duì)腐蝕介質(zhì)不敏感的材料常數(shù),可根據(jù)疲勞裂紋起始的力學(xué)模型近似計(jì)算確定.疲勞載荷下腐蝕疲勞裂紋形成起始抗力系數(shù)與材料拉伸性能之間具有下列關(guān)系[2]:

式(2)中:σf—材料的斷裂強(qiáng)度;εf—材料的斷裂延性;E—材料的彈性模量;n—材料應(yīng)變硬化指數(shù).

腐蝕環(huán)境的影響區(qū)別于一般的空氣環(huán)境,主要表現(xiàn)在形成腐蝕疲勞裂紋的門(mén)檻(Δσeqv)th,CF大為降低,一般通過(guò)試驗(yàn)方法測(cè)定(Δσeqv)th,CF.因此,只要知道材料的拉伸性能和特定環(huán)境下形成腐蝕疲勞裂紋的門(mén)檻值,便可計(jì)算出起始?jí)勖?

腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展期的研究是基于 Paris公式,但由于Paris公式的局限性,人們研究出一個(gè)比較符合工程實(shí)際的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率解析表達(dá)式[3]:

式(4)中的BCF,g(f),ΔKth0,CF,R,γ都很好確定,其關(guān)鍵就是積分上下限的確定.就積分下限而言,近30年來(lái),很多研究者采用切口試件直接測(cè)定疲勞裂紋形成壽命Ni,CF,并將裂紋形成壽命定義為切口根部形成0.25 mm長(zhǎng)的裂紋時(shí)所經(jīng)歷的應(yīng)力循環(huán)數(shù)[3].因此,實(shí)際計(jì)算時(shí)可取ai=0.25mm.而積分上限可按照斷裂力學(xué)中材料在實(shí)際服役狀態(tài)下裂紋臨界尺寸的方法確定.對(duì)于有氣密性要求的構(gòu)件,如果臨界裂紋尺寸大于材料構(gòu)件的實(shí)際幾何尺寸,則積分上限優(yōu)先選用材料構(gòu)件的實(shí)際幾何尺寸;對(duì)于沒(méi)有氣密性要求的構(gòu)件,還需要考慮結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度要求下的構(gòu)件尺寸,最后進(jìn)行綜合比較給出積分上限ac的取值[4].

2 能量法

用能量的觀點(diǎn)來(lái)研究腐蝕疲勞壽命,認(rèn)為材料遭受疲勞失效服役的過(guò)程是一個(gè)能量耗散的過(guò)程.當(dāng)經(jīng)歷一定周次的應(yīng)力作用,材料發(fā)生疲勞裂紋的本質(zhì)原因是材料晶體間鍵的破壞的宏觀表現(xiàn).鍵的破壞伴隨著能量的釋放,在斷裂力學(xué)上歸結(jié)為熱激活斷裂理論,這一理論是從微觀機(jī)理出發(fā)研究熱激活斷裂的宏觀規(guī)律,從這一思路出發(fā)為研究裂紋擴(kuò)展開(kāi)辟了另一條路徑.

疲勞裂紋的擴(kuò)展是裂紋尖端在循環(huán)應(yīng)力場(chǎng)的作用下不斷鈍化(應(yīng)力增強(qiáng))和銳化(應(yīng)力釋放)的結(jié)果.根據(jù)位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)理論,應(yīng)力場(chǎng)每循環(huán)一次的裂紋擴(kuò)展量是由鈍化位移控制的,它等于裂紋尖端在應(yīng)力場(chǎng)每循環(huán)一次的位錯(cuò)數(shù)與Burgers矢量的乘積.這樣,位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)理論對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展速率的描述為[5]:

式(5)中:b—Burgers矢量;n＊—裂紋尖端在應(yīng)力場(chǎng)每循環(huán)一次的位錯(cuò)數(shù).

式(6)中m—位錯(cuò)速率方程υ=υ0=(τa/τ＊0)m的指數(shù);γ(m)—關(guān)于的m無(wú)量綱量,對(duì)于金屬材料有 ,γ(m)=1.396m-1.45;τa—剪切應(yīng)力;τ0＊—位錯(cuò)速率;υ=υ0=10-2m/s所要求的應(yīng)力值;G—材料切變模量;f—循環(huán)加載頻率;

根據(jù)裂紋尖端的應(yīng)力場(chǎng),剪切應(yīng)力τa和應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK之間具有以下關(guān)系[6]:

式(7)中:ε—平均應(yīng)力作用下的位移.

再根據(jù)熱激活能理論和速率過(guò)程理論相關(guān)知識(shí),可得疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律 Paris公式物理本質(zhì)方程[7]:

式(8)中A,U,α—均為材料常數(shù);k—Boltzmann常數(shù);T—溫度.

方程(8)反映了材料疲勞擴(kuò)展速率與加載頻率和環(huán)境溫度的關(guān)系,但還不能反映材料在腐蝕環(huán)境下的疲勞擴(kuò)展速率.因此,欲計(jì)算出較精確的腐蝕疲勞擴(kuò)展速率,還應(yīng)考慮腐蝕環(huán)境條件的修正.

由熱激活能理論知道,位錯(cuò)速率υ=Aexp(-Q/kT),其中Q=U-αlnΔK.由此可認(rèn)為在腐蝕環(huán)境下,熱激活能對(duì)加速構(gòu)件破壞表現(xiàn)出了更大的功效.加上修正因子ζ,可得出新的位錯(cuò)速率υ＊=ζAexp(-Q/kT),其中ζ主要由環(huán)境的腐蝕條件和金屬材料兩者共同決定.ζ＞1表明,該金屬材料在所設(shè)定的環(huán)境下腐蝕加劇;ζ＜1表明,該金屬材料所處的環(huán)境狀況有利于金屬的保護(hù),進(jìn)而推導(dǎo)出:

為了更深入理解上述問(wèn)題,在此做出以下兩個(gè)假設(shè):

假設(shè)1:在材料受到交變載荷的作用下,要想使材料晶格產(chǎn)生錯(cuò)移,只有達(dá)到足夠大的能量時(shí)才能使其發(fā)生晶格移動(dòng).因此,假定認(rèn)為,循環(huán)加載的過(guò)程就是使晶格相互錯(cuò)移能量積蓄的過(guò)程,當(dāng)能量積蓄到一定程度時(shí),就發(fā)生晶格錯(cuò)移.微觀上來(lái)看,晶格錯(cuò)移量很小時(shí),可認(rèn)為是疲勞破壞的裂紋萌芽期.這個(gè)假設(shè)就如同材料疲勞失效的臨界應(yīng)力值一樣,即加載頻率達(dá)到f＞fth(即實(shí)際加載頻率大于其加載的門(mén)檻值)時(shí),材料才可能在連續(xù)加載情況下蓄積能量,發(fā)生疲勞裂紋擴(kuò)展;當(dāng)裂紋擴(kuò)展后,蓄積的能量便被消耗,相當(dāng)于對(duì)分裂金屬鍵做功了.

假設(shè)2:材料在一定加載應(yīng)力σ和加載頻率f下發(fā)生疲勞失效,還應(yīng)滿足:H=h(σ,f)＞Hth,即材料受到的加載應(yīng)力和加載頻率滿足最小能量原理.因此,只有滿足下述三個(gè)條件,材料才會(huì)發(fā)生疲勞失效.

式(10)中:H—材料受到的能量沖擊;Hth—材料發(fā)生疲勞失效的最小能量;σ—材料受到的實(shí)際加載應(yīng)力;f—材料受到的實(shí)際加載頻率.σth—臨界加載應(yīng)力;fth—臨界加載頻率.

有了上面兩個(gè)假設(shè),便能更好地理解用能量法研究材料的腐蝕疲勞問(wèn)題.如何知道實(shí)際情況是否同時(shí)滿足以上兩個(gè)假設(shè)呢?其實(shí),根據(jù)材料試驗(yàn)得出的材料的S-N曲線有助于本問(wèn)題的解決,當(dāng)然上述假設(shè)的正確與否,或者說(shuō)在特定情況下的正確與否還有待無(wú)數(shù)試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證.

3 材料腐蝕疲勞壽命估算的實(shí)驗(yàn)法

實(shí)驗(yàn)法可以說(shuō)是針對(duì)某一具體情況求解構(gòu)件腐蝕疲勞壽命最好的方法.該方法針對(duì)具體問(wèn)題,利用實(shí)驗(yàn)室條件或者根據(jù)實(shí)際情況人為事先對(duì)工程材料進(jìn)行試驗(yàn)分析,得出一系列的實(shí)驗(yàn)分散數(shù)據(jù)點(diǎn),最后通過(guò)曲線擬合得出材料的近似壽命曲線.還有就是通過(guò)疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī),直接獲取疲勞壽命.這種方法的難點(diǎn)在于很難保證測(cè)試條件與材料的實(shí)際工作環(huán)境相一致,因?yàn)閷?shí)際構(gòu)件的服役狀況是不可能像在疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)上那樣經(jīng)歷高頻率交變載荷,頻率不同了,腐蝕速率和氫脆等自然就不一樣.實(shí)驗(yàn)法對(duì)于那些再現(xiàn)性較好的情況具有很好的精度,但對(duì)于再現(xiàn)性差的情況則偏差可能較大.

4 結(jié) 論

對(duì)以上三種描述腐蝕疲勞壽命方法的研究表明:解析表達(dá)式法應(yīng)該說(shuō)最好用、最節(jié)約成本,而且是普遍采用的方法;不足之處就是運(yùn)用解析表達(dá)式法時(shí),必須首先知道材料的基本力學(xué)性能和拉伸性能以及不同腐蝕環(huán)境下該金屬材料的腐蝕速率.能量法是通過(guò)微觀的研究來(lái)表達(dá)宏觀的現(xiàn)象,此方法應(yīng)該是精度比較高的估算腐蝕疲勞壽命的方法,但礙于目前人們對(duì)能量法的研究不夠深入,加之在用能量法求解時(shí)各物理量很難測(cè)量,因此推廣性較差.實(shí)驗(yàn)法雖然是解決新材料腐蝕疲勞壽命問(wèn)題必須采用的方法,但是往往是受實(shí)驗(yàn)條件或特殊要求的限制,有可能做出來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與事實(shí)偏差較大.因此,在分析材料構(gòu)件的腐蝕疲勞壽命時(shí)優(yōu)選解析表達(dá)式法,其次是實(shí)驗(yàn)法,再次考慮能量法.

[1]王榮,鄭修麟,劉文賓.腐蝕疲勞裂紋起始的力學(xué)模型[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),1995,16(S Issue):197-201.

[2]ZHENG Xiulin.A further study on fatigue crack initiation life-mechanical model fo r fatigue crack initiation[J].Int J Fatigue,1986,8(1):17-21.

[3]鄭修麟.工程材料的力學(xué)行為[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

[4]孫智,江利,應(yīng)鵬展.失效分析-基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[5]YOKOBORIT,YOKOBORIA T,KAM EIA.Dislocation dynamics theo ry fo r fatigue crack grow th[J].Int J of Fracture,1975,11(5):781-788.

[6]RICE J R.Dislocation nucleation from a crack tip:an analysis based on the peierls concep t[J].Journal of the Mechanics and Physics of Solids,1992,40(2):239-271.

[7]劉立名,段夢(mèng)蘭,柳春圖,等.對(duì)裂紋擴(kuò)展規(guī)律 Paris公式物理本質(zhì)的探討[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(2):171-175.

The study on estimating method of material corrosion fatigue life

YAO Xin-hua,HE Yao-hui
(Shenzhen B ranch H uizhou oil field CNOOC,Shenzhen 518067,China)

Based on the research results of corrosion fatigue life estimation at home and abroad,this paper p resents three kindsof solution methods for corrosion fatigue life estimation and discusses their advantages and disadvantages.Analyticalmethod ismainly based on empirical formulas and some constants from experiments to give out the calculated life under the co rrosion fatigue environment.Energy method is to study material failure mechanism from the microstructure of material,and to study material co rrosion fatigue life from the angle of energy dissipation caused by the intercrystalline failure leading to material failure.Experiment method is conducted mainly through simulation experiment,to obtain the corrosion fatigue life of materials under actual service conditions,however,w ith thismethod many uncertainties exist under poor rep roducibility.

fatigue life estimation;corrosion fatigue;analyticalmethod;energy method;experimentalmethod

1673-9981(2011)01-0045-04

TB303

A

收稿日期:2010-09-13

姚新華(1973—)男,河北石家莊人,工程師,學(xué)士.