李 斌，劉思成，劉儉輝，郎珊珊

(1.甘肅建筑職業(yè)技術學院 建筑工程系，甘肅 蘭州 730050；2.中國石油蘭州石化公司 公用工程一部，甘肅 蘭州 730060；3.蘭州理工大學 機電工程學院， 甘肅 蘭州 730050)

腐蝕疲勞被認為是影響鋼結構構件和結構可靠性及耐久性的重要退化機制之一[1-2]。由于服役環(huán)境的特殊性，腐蝕疲勞現(xiàn)象在海洋鋼結構工程中非常普遍，通過理論與實驗研究相結合取得了一些成果，但仍有許多問題沒有找到很好的解決方案[3-4]。隨著損傷力學的發(fā)展，部分科研人員試圖從損傷演化的角度研究金屬的腐蝕疲勞行為，并提出了一些腐蝕疲勞損傷評估方法[4-5]。損傷演化是一種不可逆的劣化過程，損傷發(fā)展使材料不斷產(chǎn)生新的裂面，構成一種能量釋放過程[6-8]。

腐蝕疲勞損傷是在循環(huán)載荷和腐蝕環(huán)境的相互作用下，內(nèi)部缺陷不斷萌生、擴展和合并而引起的材料性能退化過程，這種環(huán)境可明顯加快由應力腐蝕損傷和疲勞損傷耦合引起的腐蝕疲勞損傷演化[9]。一般來說，疲勞損傷的演變隨周期波動，而應力腐蝕損傷的累積隨時間而變化，因此這種耦合的細觀機理非常復雜[7, 10-11]。為簡化腐蝕疲勞損傷的表征，本文提出一種應力腐蝕損傷與疲勞損傷耦合的非線性累積模型，建立了以最大應力為損傷控制量的損傷演化方程，將損傷變量涉及的諸多因素簡化為確定材料常數(shù)以及應力循環(huán)次數(shù)、最大應力的問題，更加便于工程應用，為應用損傷力學方法解決腐蝕環(huán)境下構件疲勞壽命問題奠定了基礎。通過E690鋼的腐蝕疲勞試驗，確定相應的損傷參數(shù)，建立E690鋼在模擬海水條件下的腐蝕疲勞損傷演化模型。這種方法對于模擬已老化的海洋鋼結構構件的整個腐蝕疲勞損傷過程和剩余壽命預測實用且有效。

1 理論模型

1.1 應力腐蝕損傷

目前關于應力腐蝕損傷的研究主要采用連續(xù)損傷力學方法[2, 12-13]，這些方法不考慮材料內(nèi)部微觀結構的變化，而是從宏觀角度引入不同形式的損傷變量來構建損傷本構方程和演化方程，以實現(xiàn)理論預測和試驗結果的一致性。

通常情況下，應力腐蝕損傷及其演變受材料的機械性能和外部因素(例如靜載荷，溫度和腐蝕環(huán)境)控制。因此，應力腐蝕損傷變量Dc可以表示為關于最大應力σmax，應力腐蝕門檻值應力σth，時間t，溫度T和溶液pH值的函數(shù)，具體如公式(1)所示。

Dc=Fc(σmax,σth,t,T,pH,…) .

(1)

在特定的試驗環(huán)境中，溫度和pH值的變化可以忽略不計，因此應力腐蝕損傷規(guī)律可以簡化為式(2)，即

(2)

式中：fc(·)是Fc(·)對時間的導數(shù)。

當構件的最大應力小于門檻值應力時，不會發(fā)生拉應力腐蝕損壞。因此，應力腐蝕損傷演化模型可以表示為式(3)[9]。

(3)

式中：k為損傷演化系數(shù);p為應力影響指數(shù);q為損傷度指數(shù);均為非負的與材料和環(huán)境有關的參數(shù)，可通過試驗得到。

腐蝕疲勞一般被認為是不存在疲勞極限的，也就是說即使再小的循環(huán)載荷也能導致腐蝕疲勞裂紋的萌生，所謂裂紋萌生的門檻值可能隨著環(huán)境介質(zhì)的引入而根本不存在或者發(fā)生相應變化，因此本文認為在交變載荷作用下，σth=0，即

(4)

1.2 腐蝕疲勞損傷模型

對于由循環(huán)加載引起的疲勞，其損傷隨著載荷循環(huán)而逐漸累積，因此疲勞損傷演化方程可表示為式(5)。

(5)

如果在上述疲勞損傷模型中只考慮最大循環(huán)應力的影響，則每個循環(huán)的疲勞損傷可以簡化為式(6)[15]。

(6)

式中：α為損傷影響指數(shù);β為損傷演化系數(shù);M(·)為平均應力影響函數(shù);均與材料和加載條件有關的參數(shù)；σm為平均應力。

腐蝕疲勞損傷是由腐蝕環(huán)境和循環(huán)載荷相互作用造成的，但它與應力腐蝕損傷和疲勞損傷有本質(zhì)區(qū)別。在應力腐蝕時，當應力低于門檻值σth時，不會發(fā)生損傷，但是交變載荷會降低其門檻值，甚至不存在門檻值。本文提出在腐蝕疲勞過程中發(fā)生應力腐蝕損傷和疲勞損傷并相互加強的損傷演化思路，腐蝕疲勞損傷是應力腐蝕損傷和疲勞損傷的耦合累積，其表達形式如式(7)～(9)所示。

dD=(1-D)-qfcdt+FcdN，

(7)

(8)

式中：f為加載頻率。

(9)

結合應力腐蝕損傷和疲勞腐蝕損傷表達式，可以將腐蝕疲勞損傷演化規(guī)律重新表述為

(10)

當D=0(材料未損傷)時，N=0；D=1(材料表面出現(xiàn)規(guī)定長度裂紋或者斷裂)時，N=Ntol，對式(10)積分得

(11)

式(11)即為基于損傷力學的構件腐蝕疲勞壽命預估模型。

2 試驗驗證

試驗材料選用海洋工程中常用的高強鋼E690[14]，其化學成分和力學性能如表1、2所示。實驗所用溶液是根據(jù)ASTMD1141-98(2013)標準配制的模擬海水，使用pH值調(diào)至8.2稀釋的NaOH溶液。應力比R均為0.1，加載波形均為正弦波?？諝庵休S向疲勞實驗加載頻率為10 Hz，海水中軸向疲勞實驗加載頻率均為1 Hz，分別在σmax為0.5σ0.2(385 MPa)、0.6σ0.2(462 MPa)、0.8σ0.2(616 MPa)、0.95σ0.2(732 MPa)、1.05σ0.2(808.5 MPa)5個應力上進行成組試驗。

表1 E690鋼化學成分(wt.%)

表2 E690鋼力學性能

對于式(11)中的α，β和M(·)可以由空氣中的疲勞實驗數(shù)據(jù)擬合，k,q和p是與材料和環(huán)境有關的參數(shù)，可以利用已有海水條件下的試驗數(shù)據(jù)來擬合。由擬合得到的模型計算其他應力水平下的腐蝕疲勞壽命并與試驗結果對比，這里試驗結果由文獻[14～15]擬合的S-N曲線(logN=-3.403 9*10-3logS+7.218 3)得到，如圖1所示。

圖1 高強鋼E690預估與實驗結果對比

由圖1可以看出，利用本文提出的模型預估腐蝕條件下的疲勞壽命與試驗結果接近，誤差在20%以內(nèi)，且相對保守。因此，可以利用本文提出的模型解決實際工程中腐蝕環(huán)境下構件疲勞壽命預估問題，為預防性維修提供理論基礎，同時也可以提高抗疲勞設計水平。

3 結語

基于損傷力學理論，將腐蝕疲勞損傷視為應力腐蝕損傷和疲勞損傷的非線性累加，提出腐蝕疲勞損傷演化模型。結合高強鋼E690的試驗結果，確定腐蝕疲勞損傷參數(shù)，建立高強鋼E690的理論腐蝕疲勞壽命預測模型。該模型為腐蝕疲勞及其壽命預測提供了一種新的理論研究方法，為實際工程的抗疲勞設計提供理論依據(jù)。