腐蚀介质下柔度法测定疲劳裂纹扩展速率

1、 腐蚀介质下柔度法测定疲劳裂纹扩展速率试验方法的研究报告完成单位：国家钢铁材料测试中心 项目完成人：高怡斐 邢国光 栾培峰 李颖摘 要 建立了腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置，针对907A-HH907FCW焊缝金属，BT 20钛合金，Ti-6-22-22S钛合金三种材料分别进行人造海水下的疲劳裂纹扩展试验。并将海水下的疲劳裂纹扩展曲线与室温大气下的疲劳裂纹扩展曲线进行了分析与比较。随着现代舰艇材料和船板材料的发展，要求能够在模拟舰艇和船板材料的使用状态（海水等腐蚀性介质）下作疲劳裂纹扩展试验。得到在海水等腐蚀性介质下的裂纹传播速率da/dN，对于实际应用（安全设计和寿命估算）都是非常有益的。1

2、 试验装置的建立首先，针对三点弯曲SE(B)试样，建立人造海水（3.5%NaCl水溶液）介质下的疲劳裂纹扩展试验装置：（1） 制作耐腐蚀的不锈钢容器；为了保证容器的刚性（因为该容器盛装了人造海水，还要承受动态负荷），不锈钢容器的底部为双层复底。（2） 购置专用的耐腐蚀泵。（3） 在不锈钢容器底部装配有入水口和出水口，将入水口与蓄水槽中装配的循环泵的出水口相连，出水口用塑料水管接入蓄水槽，完成循环水系统。通过调节出水口管口高度，可以控制不锈钢容器的液面高度，保证液面高度恒定。（4） 循环泵（水流量）1500L/小时。能够保证每分钟至少置换不锈钢容器内溶液一次。实验证明，不锈钢容器内的溶液在疲劳的

3、动态负荷下并未出现腐蚀介质的飞溅。腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置如图1所示：图1. 腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置将室温三点弯曲夹具（下半部分）倒装，再在不锈钢腐蚀槽上做上入水口和出水口，如图1所示。2 试验结果建好腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置后，针对三种材料： 907A-HH907FCW焊缝金属，BT 20钛合金，Ti-6-22-22S钛合金分别进行空气和人造海水下的疲劳裂纹扩展试验。1）907A-HH907FCW焊缝金属空气和人造海水下的疲劳裂纹扩展试验结果如下：材料名称：907A-HH907FCW焊缝金属试验温度：17试验介质：人造海水 抗拉强度：600MPa； 屈服强度：510

4、MPa； 弹性模量：200000MPa试验设备：MTS 810.13试样类型：SE(B)； 载荷比：0.1； 加载频率：12.5Hz试样宽度：24mm； 试样厚度：12.2mm； 切口长度：6mm； 预裂纹长度：1.5mm裂纹扩展速率方程：da/dN=3.04110-18(K)4.6115 C=3.04110-18 , n=4.6115 相关系数：r=0.9882材料名称：907A-HH907FCW焊缝金属试验温度：17试验介质：空气 抗拉强度：600MPa； 屈服强度：510MPa； 弹性模量：200000Mpa试验设备：MTS 810.13试样类型：SE(B)； 载荷比：0.1； 加载频率

5、：12.5Hz试样宽度：24mm； 试样厚度：12.2mm； 切口长度：6mm； 预裂纹长度：1.5mm裂纹扩展速率方程：da/dN=2.685310-16(K)3.9075 C=2.685310-16 , n=3.9075 相关系数：r=0.92162）BT 20钛合金空气和人造海水下的疲劳裂纹扩展试验结果如下：材料名称：BT 20钛合金试验温度：17试验介质：人造海水 抗拉强度：960MPa； 屈服强度：920MPa； 弹性模量：115000MPa试验设备：MTS 810.13试样类型：SE(B)； 载荷比：0.1； 加载频率：12.5Hz试样宽度：40mm； 试样厚度：20mm； 切口长

6、度：6.5mm； 预裂纹长度：2mm裂纹扩展速率方程：da/dN=2.328110-13(K)3.2603 C=2.328110-13 , n=3.2603 相关系数：r=0.9679材料名称：BT 20钛合金试验温度：17试验介质：空气 抗拉强度：960MPa； 屈服强度：920MPa； 弹性模量：115000Mpa试验设备：MTS 810.13试样类型：CT； 载荷比：0.1； 加载频率：20Hz试样宽度：40mm； 试样厚度：20mm； 切口长度：8mm； 预裂纹长度：2mm裂纹扩展速率方程：da/dN=7.69110-17(K)4.405 C=7.69110-17 , n=4.405

7、相关系数：r=0.97243）Ti-6-22-22S钛合金空气和人造海水下的疲劳裂纹扩展试验结果如下：材料名称：Ti-6-22-22S钛合金试验温度：27试验介质：空气 抗拉强度：980MPa； 屈服强度：930MPa； 弹性模量：115000MPa试验设备：MTS 810.13试样类型：SE(B)； 载荷比：0.1； 加载频率：12.5Hz试样宽度：40mm； 试样厚度：20mm； 切口长度：8mm； 预裂纹长度：2mm裂纹扩展速率方程：da/dN=9.9310-13(K)3.093 C=9.93110-13 , n=3.093 相关系数：r=0.955材料名称：Ti-6-22-22S钛合金

8、试验温度：27试验介质：人造海水 抗拉强度：980MPa； 屈服强度：930MPa； 弹性模量：115000MPa试验设备：MTS 810.13试样类型：SE(B)； 载荷比：0.1； 加载频率：12.5Hz试样宽度：40mm； 试样厚度：20mm； 切口长度：8mm； 预裂纹长度：2mm裂纹扩展速率方程：da/dN=9.7710-15(K)3.749 C=9.7710-15 , n=3.749 相关系数：r=0.9583 分析与讨论从三组数据可以看出三种材料空气和海水介质下的疲劳裂纹扩展速率明显有所不同：有的材料海水下的裂纹扩展速率高于空气下的裂纹扩展速率；有的材料海水下的裂纹扩展速率低于空

9、气下的裂纹扩展速率。柔度法测定腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展速率明显优于目测法。这是因为目测法测定的裂纹长度是靠肉眼的分辨率，精度明显低于夹规的柔度法。而且，目测法测量裂纹长度时经常需要放干腐蚀槽中的海水，在静止状态下读取试样两表面的裂纹长度，效率和自动化程度明显低于柔度法。因此，柔度法测量裂纹长度成为一种广泛推荐的方法1,2。当试验结束（裂纹扩展到试验预定值）时，将柔度法测得的最终裂纹长度与试验结束后用目测法（借助工具显微镜）测得的裂纹长度相比较，发现结果非常接近。实验证明柔度法测量裂纹长度是切实可行的。对于腐蚀介质下用柔度法测量裂纹长度具有明显的优势。通过三种不同材料的试验，可以证明三点弯曲SE

10、(B)试样腐蚀介质下的疲劳裂纹扩展试验装置和柔度法测量裂纹长度都是切实可行的，试验结果也是可信的。但是，腐蚀介质（人造海水）下的裂纹扩展速率与空气下的裂纹扩展速率相比较的结果与预期有所差距。一般理论认为，腐蚀介质（人造海水）下的裂纹扩展速率明显快于空气下的裂纹扩展速率。这是由于腐蚀介质与试样发生了原电池反应，裂纹尖端的H+加速裂纹扩展所至。加载频率对介质中的疲劳裂纹扩展速率有强烈的影响。加载频率基本上不影响钢在空气中的da/dN；但在腐蚀介质（3.5%NaCl水溶液）中，加载频率对da/dN都有明显的影响，并且这种影响随着频率的降低而加剧。频率对加速介质中da/dN的影响的这种趋势，几乎在所有

11、金属材料中均可观察到3。但这种情况通常发生在试验频率0.11Hz之间4，而我们通常的试验频率是1020Hz。这就意味着，如果试验频率改为0.11Hz，我们的试验时间将需要原先的20100倍。试验花费将大大增加，这是我们目前的课题经费所无法承受的。所以，如果有后续资金支持，该课题还需要作进一步的深入实验。参考文献1Yoder,G.R.,Cooley,L.A.,and Crooker,T.W.,“Procedures for Precision Measurement of Fatigue Crack Growth Rate Using Crack Opening Displacement Techniques,” Fatigue Crack Growth Measurements and Data Analysis, ASTM STP 738,ASTM,1981,pp.85-1022Liaw, P.K., Hartmann, H.R.,and Helm, E.J.,“Corrosion Fatigue Crack Propagation Testing with the KRAK-GAGE in Salt Water,” Engineering Fracture Mecha