氫蝕下鉻鉬鋼疲勞彎曲裂紋擴展研究＊

楊大鵬 趙 輝 趙 耀

（鄭州職業技術學院機械工程系1） 鄭州 450121） （華中科技大學船舶與海洋工程學院2） 武漢 430074）

0 引 言

在工業生產中，尤其是船舶與海洋工程制造中，氫腐蝕是普遍存在的.氫損傷是由于化學或電化學反應所產生的氫原子擴散到金屬內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.船舶與海水接觸的部分將會發生氫腐蝕.在石化企業中，許多設備都在高溫高壓下服役，尤其加氫裝置中的壓力容器，內部的氫介質對其安全性會產生較大威脅，使壽命降低.所以，環境介質對壓力容器材料疲勞斷裂性能的影響規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展特性研究［1－2］.而工程實際中，在氫腐蝕狀態下，直線裂紋在擴展過程中將由于疲勞載荷的不完全對稱性、結構局部區域的物質不均勻性與物質衰變、斷裂韌度的空間變化等多種因素而發生彎曲擴展現象.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計算和路徑預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展行為問題進行研究.

1 15CrMo鋼氫腐蝕后的疲勞彎曲裂紋擴展行為

1.1 線彈性疲勞彎曲裂紋的擴展行為

設裂紋體的斷裂韌性為KC，應力強度因子變化幅度的門檻值為ΔKth，疲勞載荷的應力比為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為n.

因此，根據15CrMo鋼腐蝕試樣實驗數據處理結果，可得出線彈性或小范圍屈服條件下疲勞彎曲裂紋的穩定擴展速率表達式為

1.2 彈塑性疲勞彎曲裂紋的擴展行為

根據15CrMo鋼腐蝕試樣實驗數據處理結果，彈塑性疲勞彎曲裂紋的穩定擴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定擴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［7］.

3 結果討論與分析

針對式（1）、式（4）進行計算，可知線彈性彎曲裂紋在腐蝕狀態比未腐蝕狀態擴展速率大很多，開始在ΔK的變化幅值較小時，2種狀態下擴展速率差距較大，在ΔK的變化幅值逐漸增大時，兩種狀態下擴展速率差距逐漸變小.隨著應力比R的不斷增大，彎曲裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率增大.彎曲裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率增大的程度在裂紋擴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）進行計算，知彈塑性彎曲裂紋在腐蝕狀態比未腐蝕狀態擴展速率大，開始在Δδ的變化幅值較小時，2種狀態下擴展速率差距較大，在Δδ的變化幅值逐漸增大時，兩種狀態下擴展速率差距逐漸變小.隨著應力比R的不斷增大，裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率加快.裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率加快的程度在裂紋擴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）進行計算，可知當 ΔJ的變化幅值較小時，腐蝕與未腐蝕2種狀態下擴展速率差距較大，當ΔJ的變化幅值逐漸增大時，2種狀態下擴展速率差距逐漸變小.隨著應力比R的不斷增大，裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率逐漸加快.裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率增大的程度在裂紋擴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 論

1）隨著應力比R的不斷增大，彎曲裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率增大.彎曲裂紋在腐蝕狀態下的擴展速率增大的程度在裂紋擴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）在腐蝕狀態下的疲勞斷裂特性方面，彎曲裂紋與直線裂紋存在著統一性.

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

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

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

［3］劉 媛，呂運冰，黃婧.疲勞裂紋擴展公式中材料常數的統計相關性及疲勞擴展壽命預測［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2004，28（6）：870－872.

［4］RICHARD H A，FULLAND M，SANDER M.Theoretical crack path prediction［J］.Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures，2005，28（1－2）：3－12.

［5］丁智平，陳吉平，王騰飛，等.鎳基單晶合金多軸非比例加載低周疲勞研究［J］.力學學報，2012，44（2）：326－333.

［6］周 浩，沙愛民.半剛性材料疲勞性能材料組成影響因素分析［J］.武漢理工大學學報，2012，34（1）：41－45.

［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，2006.