缺陷尖端的形状对应力腐蚀开裂行为的影响

摘要:缺陷尖端的形状一般分为钝性和尖锐型,为了研究两种缺陷尖端的类型对应力腐蚀开裂的影响,我们制备U型缺陷和V型缺陷试样,采用悬臂梁方法做应力腐蚀开裂试验,分别研究钝性和尖锐型缺陷对应力腐蚀开裂行为的影响。

关键词:缺陷尖端形状;断裂韧度;应力腐蚀开裂门槛值;悬臂梁

1.引言

工程中服役的金属结构,一方面受到应力的作用,另一方面会受到环境中腐蚀介质的侵蚀,当应力达到一定值时,就会形成应力腐蚀,加速结构的破坏。据统计,钢结构失效破坏的主要形式是由于应力腐蚀引起。为了更好地评价应力腐蚀断裂,目前大部分研究方法都需要测试断裂韧度和应力腐蚀开裂门槛值

[1-2]

材料的断裂韧度影响因素有试样厚度、试样类型以及缺陷类型(缺陷为钝化或锐化裂纹),这些因素通过改变缺陷尖端应力场的分布,从而导致同种材料测定出的断裂韧度有所差异

[3]

;其次,缺陷长度也是影响材料断裂韧度的一个重要因素,倪敏,苟小平,王启智

[4]

采用准静态方法,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击加载研究了单裂纹圆孔板砂岩试样张开型(I型)动态断裂实验,结果表明在相同加载气压下测定的断裂韧度值随裂纹长度增大而显著减小。因此,如果笼统地认为材料的断裂韧度为一常数并不科学,只有在一定的条件下,才能将某种材料的断裂韧度视为定值。因此,研究缺陷类型和缺陷长度对断裂韧度和应力腐蚀开裂行为的影响很有必要。2.实验方法

2.1材料

实验所用的材料为一种高强度钢,其化学成分见表2-1,力学性能见表2-2。

2.2介质

实验主要采用氯化钠溶液作为腐蚀介质,所用药品均系分析纯,试验期间考虑介质溶液的蒸发作用,需要定期补充溶液。

2.3试样

试验中制备两种带不同缺陷的试样,一种试样为预切口试样,用线切割的方法加工试样,制备的试样的尺寸如图1-1所示,试样的宽度W、厚度B尺寸分别为4mm、3mm,试样的长度L为120mm,切口的深度a为1.1mm左右,切口的宽度b为0.2mm左右。本文简称U型缺陷悬臂梁试样;另一种试样是在U型缺陷试样的基础上预制疲劳裂纹,如图2-2所示,由于其裂纹尖端是尖锐的,所以本文称其为V型缺陷悬臂梁试样,简称V型缺陷试样。

2.4设备

悬臂梁弯曲恒载荷应力腐蚀实验,采用自制的钢丝悬臂梁弯曲应力腐蚀试验机,如图2-3所示。

2.5实验程序

在本文中我们用K

U

来表示我们这种U型缺陷试样的应力强度因子;用K

UC

来表示我们这种U型缺陷试样在空气中的临界断裂应力强度因子,既断裂韧度;用K

USCC

来表示我们这种U型裂纹试样在腐蚀介质中的应力腐蚀开裂门槛值。用K

V

来表示我们这种预制裂纹的V型缺陷试样的应力强度因子;用K

VC

来表示我们这种预制裂纹的V型缺陷试样在空气中的临界断裂应力强度因子,既断裂韧度;用K

VSCC

来表示我们这种预制裂纹的V型缺陷试样在腐蚀介质中的应力腐蚀开裂门槛值。

1)将做好的不同缺陷长度的U型试样装在悬臂梁弯曲应力腐蚀试验机上,通过缓慢挂载,测出试样断裂的临界载荷以及力臂长度,带入强度因子计算公式(2-1)

[5]

,计算出试样在不同缺陷长度a下的临界断裂韧度,并绘制断裂韧度K

UC

~a曲线。

式中K—应力强度因子,Pa·m

1/2

M—试样裂纹尖端处的力矩,N·m;

M=F×L,L为重物加载端离裂纹尖端的力臂,m;

a—裂纹长度,m;

W—试样宽度,m;

B—试样厚度,m;

 2)将做好的不同预制裂纹长度的V型试样装在悬臂梁弯曲应力腐蚀试验机上,通过缓慢挂载,测出试样断裂的临界载荷以及力臂长度,带入经修正的强度因子计算公式(2-2),计算出试样在不同有效裂纹a

eff

长度下的临界断裂韧度,并绘制断裂韧度K

VC

~a

eff

曲线。

其中:

3)取相同缺陷长度(a=1.1mm)的U型和V型试样,在中性或碱性Cl

-

腐蚀介质中,通过施加不同的载荷,分别在95%K

UC

、90%K

UC

、85%K

UC

、80%K

UC

、75%K

UC

、70%K

UC

、65%K

UC

和95%K

VC

、90%K

VC

、85%K

VC

、80%K

VC

、75%K

VC

、70%K

VC

、65%K

VC

下做悬臂梁应力腐蚀开裂实验,记录下每个K

U

或K

V

下试样的断裂时间,并绘制K

U

~t

f

或K

V

~t

f

曲线,求出在某一腐蚀介质下的应力腐蚀开裂门槛值K

USCC

或K

VSCC

 3.结果与分析

3.1缺陷长度对U型缺陷试样和V型缺陷试样断裂韧度的影响

我们将制备好的不同缺陷长度的U型缺陷试样和V型缺陷试样在悬臂梁弯曲试验机上缓慢挂载,得到不同缺陷长度下的断裂韧度如下。

表3-1和图3-1为钢丝U型缺陷试样的断裂韧度与缺陷长度的关系,可以明显的看出,U型缺陷试样的断裂韧度随着缺陷长度的增大而减小,缺陷长度从0.9~1.9mm,断裂韧度从69.7~44.4MPa·m

1/2

,下降幅度很大,所以缺陷长度对U型缺陷试样的断裂韧度值影响很大。表3-2和图3-2为钢丝V型缺陷试样的断裂韧度与缺陷长度的关系,可以明显的看出,V型缺陷试样的断裂韧度也是随着缺陷长度的增大而减小,缺陷长度从0.9~2.3mm,断裂韧度从68.5~25.1MPa·m

1/2

,下降幅度也很大,所以缺陷长度对V型缺陷试样的断裂韧度的影响也不可小觑。

2.试样的缺陷类型对钢丝应力腐蚀开裂行为的影响

将制备好的两种缺陷类型的试样在不同浓度的中性Cl

-

腐蚀液中做悬臂梁弯曲应力腐蚀开裂试验,并记录下断裂时间t

f

,绘制K

UC

~t

f

和K

VC

~t

f

双坐标轴曲线。

从图3-3中的拟合结果分别可以得到U型缺陷试样和V型缺陷试样在含有0.5%Cl

-

、1%Cl

-

和2.12%Cl

-

的中性水溶液中各自的应力腐蚀开裂门槛值K

USCC

和K

VSCC

(参见表3-3)。参照U型缺陷试样空气中断裂韧度K

UC

(67.3MP*m

1/2

)和V型缺陷试样空气中断裂韧度K

VC

(68.6MP*m

1/2

),可以分别计算出两种缺陷试样在腐蚀介质中的应力腐蚀开裂门槛值的相对下降幅度,如表2-3所示。图3-3  U型缺陷与V型缺陷试样在中性[Cl

-

]
水溶液中悬臂梁试样的K~t

f

拟合结果对比

3-3在含有不同浓度Cl

-

的中性水溶液中两种不同试样的应力腐蚀开裂门槛值

[Cl

-

](wt%)

0.5

1.0

2.12

U型缺陷K

USCC

(MPa·m

1/2

)

23.3

22.6

30.1

U型缺陷(K

UC

-K

USCC

)/K

UC

65%

66%

55%

V型缺陷K

VSCC

(MPa·m

1/2

)

40.6

38.6

34.1

V型缺陷(K

VC

-K

VSCC

)/K

VC

41%

44%

50%

从表3-3中数据可以看出在本实验范围内,无论是U型缺陷还是V型缺陷试样,其应力腐蚀开裂门槛值相对于钢丝在空气中的断裂韧度均有很大幅度的下降(41%~66%)。说明:U型缺陷和V型缺陷试样在中性Cl

-

环境中具有较大的应力腐蚀开裂敏感性。

在中性氯离子体系中,相同的应力强度因子下,V型缺陷试样的断裂时间明显小于U型缺陷试样。说明:带有预制裂纹的钢丝在中性Cl

-

环境中会缩短裂纹扩展的孕育期,明显缩短应力腐蚀开裂过程,导致钢丝更容易发生应力腐蚀断裂。4.结论

1)无论是U型缺陷还是V型缺陷钢丝试样,在空气中的断裂韧度均随着缺陷长度的增大而减小。

2)在不同浓度中性Cl

-

水溶液中,U型缺陷和V型缺陷钢丝试样的应力腐蚀开裂门槛值相对空气中的断裂韧度均有很大幅度的下降,具有很强的应力腐蚀敏感性

3)在不同浓度中性Cl

-

水溶液中,相同的应力强度因子下,V型缺陷试样的断裂时间明显小于U型缺陷试样。带有预制裂纹的试样会缩短裂纹扩展的孕育期,明显缩短应力腐蚀开裂过程,导致钢丝更容易发生应力腐蚀断裂。

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