楊大鵬 趙 輝 趙 耀

（鄭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系1） 鄭州 450121） （華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院2） 武漢 430074）

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是船舶與海洋工程制造中，氫腐蝕是普遍存在的.氫損傷是由于化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散到金屬內(nèi)部所引起的各種破壞，主要有氫腐蝕、氫脆、氫鼓包3種腐蝕形態(tài).船舶與海水接觸的部分將會發(fā)生氫腐蝕.在石化企業(yè)中，許多設(shè)備都在高溫高壓下服役，尤其加氫裝置中的壓力容器，內(nèi)部的氫介質(zhì)對其安全性會產(chǎn)生較大威脅，使壽命降低.所以，環(huán)境介質(zhì)對壓力容器材料疲勞斷裂性能的影響規(guī)律正日益受到科研工作者的重視.

先前的科研成果主要局限于氫腐蝕直線裂紋在疲勞載荷作用下的擴(kuò)展特性研究［1－2］.而工程實際中，在氫腐蝕狀態(tài)下，直線裂紋在擴(kuò)展過程中將由于疲勞載荷的不完全對稱性、結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的物質(zhì)不均勻性與物質(zhì)衰變、斷裂韌度的空間變化等多種因素而發(fā)生彎曲擴(kuò)展現(xiàn)象.而目前針對疲勞載荷作用下的氫腐蝕線彈性與彈塑性彎曲裂紋斷裂性能參數(shù)計算和路徑預(yù)測等問題的研究卻很少［3－6］.本文將對疲勞載荷作用下的氫腐蝕線彈性與彈塑性彎曲裂紋擴(kuò)展行為問題進(jìn)行研究.

1 15CrMo鋼氫腐蝕后的疲勞彎曲裂紋擴(kuò)展行為

1.1 線彈性疲勞彎曲裂紋的擴(kuò)展行為

設(shè)裂紋體的斷裂韌性為KC，應(yīng)力強(qiáng)度因子變化幅度的門檻值為ΔKth，疲勞載荷的應(yīng)力比為R.令投影長度為a的彎曲裂紋的長度為l，疲勞載荷的作用周期數(shù)為n.

因此，根據(jù)15CrMo鋼腐蝕試樣實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，可得出線彈性或小范圍屈服條件下疲勞彎曲裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展速率表達(dá)式為

1.2 彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴(kuò)展行為

根據(jù)15CrMo鋼腐蝕試樣實驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，彈塑性疲勞彎曲裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展速率可表示為如下公式

式中：Δδ為彎曲裂紋尖端張開位移，m；δC為以彎曲裂紋尖端張開位移表示的材料斷裂韌度，m；δth為彎曲裂紋尖端交變張開位移的門檻值，m.

式中：ΔJ為彎曲裂紋尖端J積分，N／m ；ΔJth為彎曲裂紋尖端交變J積分的門檻值，N／m；JC為以彎曲裂紋尖端J積分表示的材料斷裂韌度，N／m.

彈塑性疲勞彎曲裂紋的穩(wěn)定擴(kuò)展速率可表示為如下公式

彎曲裂紋尖端ΔK，ΔKI，ΔKII，Δδ，ΔJ的涵義與計算公式可參見文獻(xiàn)［7］.

3 結(jié)果討論與分析

針對式（1）、式（4）進(jìn)行計算，可知線彈性彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)比未腐蝕狀態(tài)擴(kuò)展速率大很多，開始在ΔK的變化幅值較小時，2種狀態(tài)下擴(kuò)展速率差距較大，在ΔK的變化幅值逐漸增大時，兩種狀態(tài)下擴(kuò)展速率差距逐漸變小.隨著應(yīng)力比R的不斷增大，彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率增大.彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率增大的程度在裂紋擴(kuò)展的第一階段最為明顯，第二階段有所減弱，第三階段更加趨于平緩.見圖1～2.

圖1 15CrMo鋼線彈性腐蝕疲勞彎曲dl／dn－ΔK曲線

圖2 2鋼線彈性腐蝕疲勞彎曲dl／dn－ΔK曲線

針對式（2）、式（5）進(jìn)行計算，知彈塑性彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)比未腐蝕狀態(tài)擴(kuò)展速率大，開始在Δδ的變化幅值較小時，2種狀態(tài)下擴(kuò)展速率差距較大，在Δδ的變化幅值逐漸增大時，兩種狀態(tài)下擴(kuò)展速率差距逐漸變小.隨著應(yīng)力比R的不斷增大，裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率加快.裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率加快的程度在裂紋擴(kuò)展的第一階段最為明顯，第二階段有所減弱，第三階段更加趨于和緩.見圖3～4.

圖3 15CrMo鋼彈塑性腐蝕疲勞彎曲dl／dn－Δδ曲線

圖4 2鋼彈塑性腐蝕疲勞彎曲dl／dn－Δδ曲線

針對式（3）、式（6）進(jìn)行計算，可知當(dāng) ΔJ的變化幅值較小時，腐蝕與未腐蝕2種狀態(tài)下擴(kuò)展速率差距較大，當(dāng)ΔJ的變化幅值逐漸增大時，2種狀態(tài)下擴(kuò)展速率差距逐漸變小.隨著應(yīng)力比R的不斷增大，裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率逐漸加快.裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率增大的程度在裂紋擴(kuò)展的第一階段最為明顯，第二階段有所減弱，第三階段更加趨于和緩.見圖5～6.

圖5 15CrMo鋼彈塑性腐蝕疲勞彎曲dl／dn－ΔJ曲線

圖6 2鋼彈塑性腐蝕疲勞彎曲dl／dn－ΔJ曲線

4 結(jié) 論

1）隨著應(yīng)力比R的不斷增大，彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率增大.彎曲裂紋在腐蝕狀態(tài)下的擴(kuò)展速率增大的程度在裂紋擴(kuò)展的第一階段最為明顯，第二階段有所減弱，第三階段更加趨于平緩.

2）在腐蝕狀態(tài)下的疲勞斷裂特性方面，彎曲裂紋與直線裂紋存在著統(tǒng)一性.

3）本文為船舶與海洋工程和石油化工設(shè)備的壽命評估、安全評定以及壓力容器的可靠性設(shè)計提供必要的理論模型和計算依據(jù).

［1］金德新.氫蝕對15CrMo鋼疲勞裂紋擴(kuò)展壽命的影響［J］.鞍鋼技術(shù)，2001（1）：24－26.

［2］謝根栓，王茂廷.鉻鉬鋼在氫蝕下的疲勞裂紋擴(kuò)展研究［J］.撫順石油學(xué)院學(xué)報，1994，14（4）：29－32.

［3］劉 媛，呂運冰，黃婧.疲勞裂紋擴(kuò)展公式中材料常數(shù)的統(tǒng)計相關(guān)性及疲勞擴(kuò)展壽命預(yù)測［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2004，28（6）：870－872.

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［7］楊大鵬.微彎延伸裂紋斷裂特性的研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.