基于孔蚀试样裂纹扩展分析的外墙外保温系统疲劳寿命预测

金延俊

[摘要]腐蚀环境导致腐蚀坑在材料表面形成从而导致疲劳强度显著降低，疲劳裂纹通常从这些位置开始并传播。本文提出了一种腐蚀试样疲劳寿命预测的一般方法，该方法结合了渐近应力强度因子解和幂律腐蚀坑生长函数的影响。铝合金和钢材的疲劳寿命试验数据验证了所提方法的正确性，即试验观测和模型预测吻合良好。

[关键词] CFRP；裂缝分析；ANSYS

文章编号：2095 - 4085（2018） 08 - 0009 - 02

材料的疲劳性能在腐蚀环境中会发生明显降低，而结构系统的使用寿命中，除了疲劳循环荷载外，还可能经历各种腐蚀性环境，例如寒冷地区的老化桥梁。腐蚀会降低铝合金和钢材的疲劳寿命，疲劳裂纹通常从这些凹坑萌生并扩展，这被称为疲劳裂纹成核点。为了研究点蚀效应对构件疲劳性能的影响，两个重要问题亟待解决：（1）如何模拟不同腐蚀环境下的腐蚀坑；（2）如何把腐蚀坑的影响在寿命预测方法中体现出来。

1 寿命预测方法

1.1 考虑缺口效应的渐近应力强度因子解

利用断裂力学的方法，对疲劳裂纹扩展和寿命预测应用应力强度因子解，通过渐近插值的方法进行详细推导和验证，一般如公式（1）。

其中a为裂纹长度，d为缺口深度，Kt为应力集中因子。

1.2腐蚀坑生长函数

腐蚀坑生长函数将腐蚀坑效应纳入疲劳寿命的预测，假定腐蚀坑表面凹口为半圆形，且随着腐蚀时间的增加，由于腐蚀坑的生长，缺口深度也随之增加。

d= aty

1.3 疲劳寿命计算公式

对于高周疲劳寿命预测，忽略不稳定裂纹扩展部分造成的显著误差。其中C，m，？K是拟合参数，参数C取决于材料和应力比R，AK是本征阈值应力强度因子，通过将长裂纹扩展速率数据扩展到1010m/周来估算。所得疲劳寿命Ⅳ可计算为：

2 参数研究

对两种材料在不同腐蚀条件和应力比下的疲劳寿命（S-Ⅳ曲线）进行试验测试和数据收集，采用四组Al - 7075的实验数据验证了所提出的寿命预测方法。结果表明，该方法能有效地捕捉到预腐蚀效应。

2.1腐蚀环境下持续时间的影响

本文研究了Al -7075 （1）的腐蚀对疲劳性能的影响。无腐蚀试样（腐蚀时间为零）的疲劳极限为220MPa。以腐蚀条件下的腐蚀极限作为腐蚀持续时间的函数。结果表明，疲劳极限是腐蚀持续时间的非线性函数。随着腐蚀持续时间从零增加，疲劳极限的初始降低非常显著。且随着腐蚀时间的延长，疲劳极限的变化速率（即t的斜率）也随之增大。当腐蚀时间足够长，曲线接近一个恒定值。

2.2腐蚀坑深度效应

在所提出的方法中，腐蚀坑被假定为表面缺口。随着坑深的增加，疲劳强度明显降低，且呈非线性。当缺口深度从零增加到401m左右時，疲劳极限迅速下降。

2.3应力集中因子kt的影响

腐蚀坑的形状对疲劳寿命的预测也有一定的作用。在本研究中，假定一个半圆形缺口代表腐蚀坑。应力集中因子的值在3左右。由于腐蚀坑形状不规则，应力集中可能大于半圆形缺口。结果表明，半圆切口的假设是合理的，不会对最终结果产生很大的影响。

2.4腐蚀坑生长速率系数的影响

在目前的研究中，腐蚀坑生长函数被假定为腐蚀持续时间的线性函数。腐蚀坑生长速率系数a进行研究发现a值越大，腐蚀坑生长越快。Al - 7075例1（96h）的预测结果表明，随着腐蚀坑生长速率的增加，合金的疲劳强度降低，疲劳极限与腐蚀坑生长速率之间存在非线性关系。随着坑内生长速率的增加，其疲劳强度快速较低。

3 结语

本文提出了用缺口裂纹扩展分析法对腐蚀试样进行寿命预测的一般方法，这种方法是基于一个半圆缺口的试样模型以及渐近缺口应力强度因子的假设。根据目前的研究结果可以得出以下结论：

1）腐蚀环境对疲劳强度有明显的不利影响，这与腐蚀持续时间呈非线性的函数关系，腐蚀暴露时间短会导致疲劳寿命大幅度下降；

2）对应的缺口的增长率被认为是时间的线性函数，当前的研究多为较小的腐蚀坑，等效切口深度与实际腐蚀深度之间的关系有待进一步研究以及线性函数在其他腐蚀情况下的适用性；

3）点蚀对高周疲劳系统的影响比对中周循环系统的影响大，不同疲劳状态下强度折减系数不同。目前的研究只考虑一个裂缝从一个腐蚀坑开始，但更复杂的情况，如多坑、坑密度发生变化和集群，所涉及的坑互动效应需要进一步研究。