0Cr18Ni9钢腐蚀疲劳弯曲裂纹扩展行为研究

杨大鹏,潘海洋,赵耀

(1.郑州职业技术学院机械工程系,河南 郑州 450121 ；2.郑州职业技术学院城市轨道交通系,河南 郑州 450121；

3.华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北 武汉 430074)



0Cr18Ni9钢腐蚀疲劳弯曲裂纹扩展行为研究

杨大鹏1，3,潘海洋2,赵耀3

(1.郑州职业技术学院机械工程系,河南 郑州 450121 ；2.郑州职业技术学院城市轨道交通系,河南 郑州 450121；

3.华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北 武汉 430074)

摘要：计算分析0Cr18Ni9钢的疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液腐蚀状态下与未腐蚀状态下的扩展速率与应力比R、加载频率f、应力强度因子的变化幅值、弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值、弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系.研究结果表明，随应力比R不断增大及加载频率f逐渐减小，0Cr18Ni9钢的疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液腐蚀状态下的扩展速率逐渐增大，其扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓；在NaCl水溶液腐蚀状态下的疲劳断裂特性方面，线弹性疲劳弯曲裂纹与弹塑性疲劳弯曲裂纹与各影响因素的关系具有相似性.

关键词：0Cr18Ni9钢；腐蚀；疲劳弯曲裂纹；扩展速率

0引言

在工业生产中，尤其是船舶与海洋工程制造中，NaCl水溶液腐蚀是普遍存在的.NaCl水溶液腐蚀是由于化学或电离反应所产生的钠离子和氯离子扩散到金属内部所引起的各种破坏.海水中存在大量的NaCl，船舶与海水接触的部分将会发生NaCl水溶液腐蚀.在石油化工企业中，许多设备都在高温高压下服役，尤其是NaCl水溶液装置中的压力容器，其内部的NaCl对安全性会产生较大威胁，使用寿命降低.所以，环境介质对工程结构材料疲劳断裂性能的影响规律正日益受到科研工作者的重视.

已有的科研成果主要局限于NaCl水溶液腐蚀直线裂纹在疲劳载荷作用下的扩展特性研究[1-5]，而工程实际中，在NaCl水溶液腐蚀状态下，直线裂纹在扩展过程中将由于疲劳载荷的不完全对称性、结构局部区域的物质不均匀性与物质衰变、断裂韧度的空间变化等多种因素而发生弯曲扩展现象.目前针对疲劳载荷作用下的NaCl水溶液腐蚀线弹性与弹塑性弯曲裂纹断裂性能参数计算和路径预测等问题的研究很少，深度不够[6-13].本文中将对疲劳载荷作用下的NaCl水溶液腐蚀线弹性与弹塑性弯曲裂纹扩展行为问题进行研究.

10Cr18Ni9钢在NaCl水溶液中的疲劳弯曲裂纹扩展行为

1.1线弹性疲劳弯曲裂纹扩展行为设裂纹体的断裂韧性为KC，应力强度因子变化幅度的门槛值为ΔKth，疲劳载荷的应力比为R.令投影长度为a的弯曲裂纹的长度为L.根据0Cr18Ni9钢腐蚀试样实验数据处理结果[1-5]，可得出线弹性或小范围屈服条件下疲劳弯曲裂纹的稳定扩展速率表达式为：

(1)

1.2弹塑性疲劳弯曲裂纹扩展行为根据0Cr18Ni9钢腐蚀试样实验数据处理结果[1-5]，弹塑性疲劳弯曲裂纹的稳定扩展速率可表达为(2)式和(3)式：

(2)

(3)

2结果讨论与分析

对(1)式进行计算分析，可知0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液中腐蚀状态下的扩展速率比在空气中未腐蚀状态下大很多.开始当应力强度因子的变化幅值ΔK较小时，腐蚀与未腐蚀两种状态下的扩展速率差距较大，其后随应力强度因子的变化幅值ΔK逐渐增大，两种状态下的扩展速率差距逐渐变小.随应力比R的不断增大以及加载频率f的逐渐减小，0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液中腐蚀状态下的扩展速率逐渐增大.0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓，如图1、图2所示.

图1为加载频率f=5 Hz时，0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同应力比下与应力强度因子变化幅值的关系曲线.其中曲线1是应力比R=0.1时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线2是应力比R=0.1时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线3是应力比R=0.3时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线4是应力比R=0.3时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线5是应力比R=0.5时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线6是应力比R=0.5时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线.

图2为应力比R=0.3时，0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同加载频率下与应力强度因子变化幅值的关系曲线.其中曲线1是加载频率f=10 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线2是加载频率f=10 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线3是加载频率f=5 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线4是加载频率f=5 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线5是加载频率f=1 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线6是加载频率f=1 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线.

图1　不同应力比下线弹性疲劳弯曲裂纹的扩速率与应力强度因子变化幅值的关系曲

图2　不同加载频率下线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲

对(2)式进行计算分析，可知0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液中腐蚀状态下的扩展速率比在空气中未腐蚀状态下的大.开始当弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值较小时，腐蚀与未腐蚀两种状态下的扩展速率差距较大，其后随弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值逐渐增大，两种状态下的扩展速率差距逐渐变小.随应力比R的不断增大以及加载频率f的逐渐减小，0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率逐渐加大.0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓，如图3、图4所示.

图3为加载频率f=5 Hz时，0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同应力比下与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线.其中曲线1是应力比R=0.1时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线2是应力比R=0.1时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线3是应力比R=0.5时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线4是应力比R=0.5时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线5是应力比R=0.7时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线6是应力比R=0.7时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线.

图4为应力比R=0.3时，0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同加载频率下与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线.其中曲线1是加载频率f=10 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线2是加载频率f=10 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线3是加载频率f=5 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线4是加载频率f=5 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线5是加载频率f=1 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线6是加载频率f=1 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线.

图3　不同应力比下弹塑性腐蚀疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线

图4　不同加载频率下弹塑性腐蚀疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线

对(3)式进行计算分析，可知0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液中腐蚀状态下的扩展速率比在空气中未腐蚀状态下的大.开始当弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的变化幅值较小时，腐蚀与未腐蚀两种状态下扩展速率差距较大，其后随弯曲裂纹尖端J积分变化幅值逐渐增大，两种状态下扩展速率差距逐渐变小.随应力比R的不断增大以及加载频率f的逐渐减小，0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液中腐蚀状态下的扩展速率逐渐加大.0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓，如图5、图6所示.

图5为加载频率f=5 Hz时，0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同应力比下与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线.其中曲线1是应力比R=0.1时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线2是应力比R=0.1时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线3是应力比R=0.3时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线4是应力比R=0.3时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线5是应力比R=0.5时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线6是应力比R=0.5时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线.

图6为应力比R=0.3时，0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同加载频率下与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线.其中曲线1是加载频率f=10 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线2是加载频率f=10 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线3是加载频率f=5 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线4是加载频率f=5 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线5是加载频率f=1 Hz时未腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线；曲线6是加载频率f=1 Hz时腐蚀状态下0Cr18Ni9钢的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J积分变化幅值的关系曲线.

图5　不同应力比下弹塑性腐蚀疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J 积分变化幅值的关系曲线

图6　不同加载频率下弹塑性腐蚀疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端J 积分变化幅值的关系曲线

3结论

1) 随应力比R的不断增大以及加载频率f的逐渐减小，0Cr18Ni9钢的疲劳弯曲裂纹在NaCl水溶液腐蚀状态下的扩展速率逐渐增大，其扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓.

2) 在NaCl水溶液腐蚀状态下的疲劳断裂特性方面，线弹性疲劳弯曲裂纹与弹塑性疲劳弯曲裂纹与各影响因素的关系具有相似性.

3) 0Cr18Ni9钢在工程结构中普遍存在，本文中为船舶与海洋工程、化工设备及其他腐蚀压力结构的寿命评估、安全评定与可靠性设计提供了相应的理论计算模型.

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(责任编辑郭定和)

Study on fatigue curved crack growth behaviors of 0Cr18Ni9 steel

YANG Dapeng1，3,PAN Haiyang2,ZHAO Yao3

(1.Department of Mechanical Engineering,Zhengzhou Technical College,Zhengzhou 450121,China;

2.Department of Urban Rail Transport,Zhengzhou Technical College,Zhengzhou 450121,China;

3.School of Naval Architecture & Ocean Engineering,Huazhong University of Science and Technology,

Wuhan 430074,China)

Abstract:Relationships between fatigue curved crack growth tempo of 0Cr18Ni9 steel in NaCl water solution eroding environment or under the condition of non corrosion and stress ratio R、strain rate f、stress intensity factor amplitude of variation ΔK、curved crack tip opening displacement amplitude of variation、curved crack tip J integral amplitude of variation ΔJ have been calculated and analyzed.It can be indicated from the findings that fatigue curved crack growth tempo of 0Cr18Ni9 steel in NaCl water solution eroding environment increase gradually as stress ratio R increase and strain rate f decrease continuously.The extent of the growth tempo increase is comparatively sharp at the first stage of crack propagation,abating at the second stage,tend to be gentle at the third stage;The relationship between linearly elastic or elastic plastic fatigue curved crack and each influencing factor are similar in terms of fatigue fracture behaviors in NaCl water solution eroding environment.

Key words:0Cr18Ni9 steel;eroding;fatigue curved crack;growth tempo

中图分类号:TB301

文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-2375.2016.01.008

文章编号:1000-2375(2016)01-0041-05

作者简介:杨大鹏(1976-)，男，博士，副教授，E-mail:ydpzpysh@163.com

基金项目:国家自然科学基金重大研究计划项目(91016026)和河南省基础与前沿技术研究计划项目(152300410003)资助

收稿日期:2014-03-20