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1、不锈钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率与 电极电位关系的研究 韩海涛 . 刘桐生2 . 朱跃钊2 ( 1 . 舟山市特种设备检测中 心， 浙江舟山 3l 6( 兀 旧 2 . 南京工业大学 机械与动力工程学院， 江苏 南京21 】 叉 刃) 摘 要: 采用三电 极体系 对O Cr 1 8 Ni g Ti不锈钢在3 . 5 % N aCI 水溶液中 腐蚀疲劳裂纹扩展与电极电 位 的关系进行了 研究， 探讨了 腐蚀溶液体系的电 极电 位、 腐蚀电流与裂纹扩展速率之间的关系。 关 键 词: 电 极电 位; 腐蚀疲劳; 裂尖电 化学 中图分类号: 兀14文献标识码: A文章编号:l 001 一 48 3 7( 2
2、 (X) 7 ) 以一 J 刀 1 一 。 S t u d y o nR e 1 a ti o nshi Pbet w e e nE I e c trical Pote n t i ala n dC rac kF 份 O P aga ti o n o f S ta i ul es s S t e e 1 d u ri ng C o rro s i o nF a ti g u e R A NH a i 一 tao， ， L IUT O 飞- s h e 褚 ， z H U、 ra o 一 d . 护 (l. 5 伴 c ialE qu i p ll祀 n t lhsPecti onC enter
3、 ， Zho u s ll an31 以 】 刃 ， china; 2 . c oll ege ofMech 耐C dand Po wer Engi - n ee ri ng， N 出 lj i ngU ni vers ityofTe c h n o lo 群， N anji ngZI (X x 为 ， Chi na) A 饭 由 旧 c t : Thi s p a pe r p 功 四初 a re 1 a t i o nShi p bet w ee n e le c tri c alpo t e n t i al田 l d c rack p 功 p ga t i onofstain l e
4、s s s t e e l ( O C r l 8 N i g Ti ) 认3 . 5 %N aCl solu u on. 仆e d l re e e l ec t 戏 d e s 盯 s tem i s a p p 1 i edtos t t l d y th e e l ec tri c alpo t e n ti al 朋dc o n 戈 ionc u n 刀 n t . K eywor d s : e lect ricalpot e ni ial; ，i onfatigUe ; e l ec tmc h e ll l l s try ofc rack tiv 疲劳裂纹扩展的研究一般通过
5、研究裂纹扩展 速率d a / d N与应力强度因子鱿 之间的关系。比 如最经典的P 面5 等 一 4 提出的裂纹扩展关系式都 是基于应力强度因子的经验公式。 腐蚀疲劳的理论建立在上述常规疲劳理论基础 之上， 研究重点仍然是裂纹扩展速率d a / d N与应力 强度因子乙 天之间的关系， 很少有人从电化学方法 出发， 通过腐蚀液体系的电极电位、 腐蚀电流来研究 对应的裂纹扩展速率。 在实际工程应用中， 主要目 标是要精确估算腐 蚀疲劳裂纹扩展寿命。因此， 得到一种使用方便且 符合实际通用的腐蚀疲劳裂纹扩展速率表达式十分 必要。至今， 在公开发表的文献中， 尚未给出腐蚀疲 劳 裂 纹 扩 展 速
6、率 表达 式， 有 人直接使用P a ri s 公式 拟合试验结果数据， 这无疑忽略了近门槛区裂纹扩 展的 特 点， 给裂 纹扩 展寿 命估算带 来较大误差阎。 文献【 6 曾尝试从理论上建立描述扩展着的腐 蚀疲劳裂纹内溶液的化学与电化学特征的二维数学 模型， 通过求解该偏微分方程组， 可得到腐蚀疲劳裂、 纹内 与裂纹尖端溶液的p H值、 金属电极电位以及 溶液其它有关离子浓度的关系。 但他的研究对象是 淡水中的低合金钢的腐蚀疲劳， 电极电位的响应并 不明 显。 文献【 7 用金属腐蚀电 流Ic作为度量尺度 和用金属表面湿润时间的方法得到加速环境谱， 通 过实测计算和当量分析折算系统给出当量折
7、算曲 线， 然后用该曲 线将实际结构的当量环境谱， 能够折 l C P V T 不锈钢腐蚀疲劳裂纹扩展速率与电极电位关系的 研究 V o 长 吟. N 麟 2 以刀 算为试验条件下的等效谱。文献 8 发现腐蚀条件 下， 金属波纹管疲劳失效过程与腐蚀液中的腐蚀电 位有一定关系， 根据这一试验结果， 本文用奥氏体不 锈钢O Crl8 Ni g Ti在氯离子条件下腐蚀疲劳， 采用紧 凑拉伸试件进行了进一步的试验， 探讨裂纹扩展速 率与腐蚀液体系中的电极电位是否存在关系。 1 试验原理与方法 浓度的恒定性。采用铂电极测量腐蚀液的腐蚀电 流; 用甘汞电 极( S C E ) 作为参比电极， 测量腐蚀液体
8、 系的电极电位。 试验采用薄膜断裂片法测试裂纹长度。扩展应 变片型号为rn 讲，12 M C ， 测试系统如图2 所示。薄 膜断裂片是固 定在绝缘薄膜基体上的高电阻率材料 制成的裂纹尺寸传感元件。试验中两条引线与直流 恒流源连接， 另两条引线与叼lent数字式数据采集 仪连接。 试验中 采用的不锈钢材料O Cr l8 Ni g Ti主要成分 如表 1 所示， 符合GB 1 2 2 任 一 19 84的要求。 成分 CSSiMn PCrNi 试样 GB1 2 2 任一 1 9 8 4 0 . 以 8 落0 . 佣 0 . 印5 落0 . 03 0. 46 蕊1 . 00 1 . 3 8 感2 .
9、 优 0 0 25 蕊 0. 035 1 7 . 男 18. m 20 oo 8 . 6 1 8 . 00 1 0. 50 cr试样尺寸为25Inln x 60Inln x 62. s nnn ， 应力 强度因子计算公式如下: K = 揣找 长 瑟 (0 886 64 一 ， ， + 1 4 . 7 2 a 3 一 5 . 6 a 4 ) 式中 乙 天 一应力强度因子， M P a P 载荷， kN B CT试样厚度， Inm W CT试样宽度， Inln a 无量纲数， a 二 a / W “ 裂 纹 长 度， nnn a ) 0 . 2 时， 上述表达式有效。 刃 滋流孔 腐蚀环境箱 图1
10、 试验装置 试验装置如图 1 所示。CT 试样预先用不锈钢 酸洗钝化膏经过钝化处理， 使其裂纹尖端浸人腐蚀 液中， 用进水管和溢流管构成的循环保证腐蚀介质 2 图2 裂纹扩展计测量系统示意 1 . 薄膜断裂片;2. cr试样;3数据采集仪; 4 . 数字式电压表; 5 . 直流电源 试验时将 1 50 n 认， s oo mV 的恒定电流输人断 裂片， 当 试件的 裂纹扩展时， 断裂片同步开裂， 引起 输出电压的变化 V ， 再根据事先标定的输出电压 变化乙 V 与裂纹扩展量 a函 数关系式， 便可以计算 得到裂纹扩展量0。 在不锈钢表面与氯化钠腐蚀介质的界面上进行 的电化学反应称为电极反应。
11、电极反应导致在金属 和溶液的界面上形成双电层， 由于双电层两侧的电 位差即电极电位无法直接测得， 通过甘汞电极来测 其相对电极电 位值凡。 试验开始前， 先让试样在氯化钠腐蚀介质中充 分浸润， 记录 稳定后的电 极电位值 与。 开始加载， 由 于新金属被撕开， 电极电位迅速负移， 用娜l ent 数据采集仪在线采集电 极电位和应变片输出电压。 试验结束后， 从采集仪采集到的数据文件中读 取数据， 列出 对应点的循环数、 应变片输出电压和电 极电位。将应变片输出电压转换成裂纹扩展量， 电 极电 位与初始稳定电极电位值相减， 得到乙 忍 。然 后用文献 10 附录给出的七点增量法数据处理程序 进行
12、处理。 2 试验结果分析 第解卷第4 期压力容器总第 1 73期 分别进行频率为1 ， 2 ， 5 珑 的裂纹扩展试验， 计 算得到了裂纹扩展速率d a / d N与对应的应力强度 因子 天值。另外， 得出腐蚀疲劳裂纹扩展速率与 电极电位之间的关系， 如图3 所示。为方便表示数 据， 对纵坐标采用了对数坐标， 可以得到和hr i s 公 式的类似结果， 这说明电极电位与裂纹扩展速率之 间是存在对应关系的。 用线性拟合的方法得到了不同频率下试样的关 系式， 见表2 一 40 表2 频率f 二 I HZ腐蚀疲劳裂纹扩展速率 与电极电位拟合关系式 试样号 加载条件 ( kN) 拟合后表达式 7 l
13、0 l 7 31 1 31 1 31 1 琢da/dN ) 二一 6 . 222 99一 0 . m 8 39 凡 坛 ( d a / d N ) 二一 6 . 07l 7 6 一 0 . m 5 5 3 风 1 9 ( d a / d N ) 二一 5 . 46341 一 0 . m o l Z 乙 双 钾 表3 频率f 二 Z Hz腐蚀疲劳裂纹扩展速率 与电极电位拟合关系式 试样号 加载条件 ( kN) 拟合后表达式 6 8 l 2 3一1 2 31 1 31 1 琢d a/d N ) 二一 6 . 45 72一 0 ， m7 89 。 风 坛 ( d a / d N ) 二一 8 . 6
14、8 8 3 一 0 . 。 “ 2 1 乙 风 坛 ( d a / d N ) 二一 6 . 3 8 8 8 一 0 . 犯6 3 9 乙 风 表4 频率f 二 S Hz腐蚀疲劳裂纹扩展速率 与电极电位拟合关系式 几j - lE 。一。卜之日日七芝.P 甘 一 4 1 1 5 八酥(m玛 试样号 加载条件 ( kN) 拟合后表达式 l 9 l 6 巧 3一1 1 31 1 31 1 1 9 ( d a / d N ) 二一 4 . 哭8 9 8 一 0 . 0 1 24 7 乙 风 1 9 ( d a / d N ) 二一 7 . 1 8 2 6 2 一 0 . m 9 8 1 。 风 1 9
15、 ( d a / d N ) 二一 5 . 肠9 2 2 一 0 . 0 1 5 (y7 凡 ( a )f 二1 比 月j - 留 窗鼠之日日泛旧、召 妞 一 4 1 3 5 ， 八酥( 脚 哟 ( b )f 二 2 比 二 琶 : 公妞一 3 叠 套 - 一1 9 . 妞 一 4 匕 1 05 1 25 - 乙肠( m 码 根据试验结果， 提出了基于电极电位的裂纹扩 展速率经验公式: 坛 ( d a / d N ) 二 a 一 扔E 其中， a ， b 是金属与腐蚀液组成的体系共同决 定的参数。 在腐蚀疲劳中， 由于腐蚀液的存在， 一般无法采 用读数显微镜来测量裂纹扩展， 而采用裂纹扩展计
16、又存在氯离子渗透导电的问题， 如果采用本文建议 的基于电极电位的关系式测量， 有如下优势: ( 1)装置简单， 只要用甘汞电极与试件构成回路 即可测量; ( 2 ) 响应快， 电极电位对腐蚀液体系的改变非常 敏感。 这种方法对于电极的布置并无要求， 但有一定 的适用范围。首先， 需要预先对试样进行钝化处理， 表面做封胶处理， 以使撕开的新金属表面钝化电位 能及时反映; 其次， 试样扩展面不能过大， 比如在后 续的波纹管实物构件腐蚀疲劳试验中， 就没有观察 到这种现象， 因为这种情况下， 新金属表面对于腐蚀 液体系电位的影响很有限; 最后， 对于腐蚀液浓度的 影响， 还需要进一步研究。 ( c
17、)f 二 5 112 图3 电极电位与腐蚀疲劳裂纹扩展速率关系 3 结语 ( 下转第 18页) 3 C P V T解析AsM E 一 2 以 ”版u 形管式管板设计方法 V o l24. N 哄 2 (X) 7 p : = 悦 / D 。 ， Pc二 刀 。 / Do M赞 二M 巧+对 尸 + 俄( C 一 叹) 2 汀 D o ( 5)管板与管箱整体连接， 与壳体用法兰垫片连 接， 管板并未延伸为法兰结构( f): F 二 上 边二 尸 祷 ( 凡 In K + 入 。 ) 凡= Gs / D 。 ， 夕 。 = D 。 / D 。 M肠 =M巧+ 材 瓦+俄( C ， 一 叹) 2 汀
18、D 。 4 结论 计中我们可以 考虑。 (4 ) A S M E规范中， 不仅评定校核了管板的应 力， 还按一次应力校核了筒体端部的组合应力， 筒体 端部的组合应力控制在 1 . 5 倍的许用应力内， 当筒 体端部的组合应力在1 . 5 倍的 许用应力与3 倍的许 用应力之间时， 给出了采用弹性模量按超过应力比 下降， 模拟屈服后应力重分布的弹塑性简化计算法 ( 超应力的筒体弹性模量下降后， 再分析计算管板应 力， 管板应力控制在2 倍的许用应力内， 满足要求设 计结束， 不满足要求调整结构参数， 重新计算) ， 在应 力分析设计中可参考应用。 参考文献: 徐芝纶 . 弹性力学【 M . 北京
19、: 人民 教育出 版社， 1 9 82. JB47 3 2 -1 99 5 ， 钢制压力容器 分析设计标准【 5. A S M E 锅炉及压力容器规范第姗卷第一分册( 2 (X)1 版 2 田3 增补) 【 M . 北京: 中国石化出版社浏刃 3 . A S M E 锅炉及压力容器规范第姗卷第一分册2 (X 只版 【 M . 北京: 中国石化出版社， 2 (X 抖 . J，es.J，J，eeJ 12内j4 尸LlLF.LLI月J ( 1)作用在管、 壳筒体内的压力引起的附加弯 矩与作用在管板上压力的弯矩( A S M E中 衬 咫、 材 尸 ) ， 在管板中心点是相互抵消的， 在管板边沿处 是
20、相互叠加的， 为了 使管板设计更精确、 经济、 可靠， 考虑作用在管、 壳筒体内的压力引起的附加弯矩是 先进的。 ( 2) 随着化工设备的大型化和高参数的发展， 设计压力可超过 ro一so M Pa， 筒体厚度超过 1 朋 Inln ， 管板厚度超过3 00 Inm ， ASM E 规范中采用中径 公式计算筒体特性常数是更精确、 合理的。 ( 3) 管板中心点和边沿处的弯曲应力有一处屈 服时， 会重新分布使另一处的应力会上升， 有一定的 二次应力特性， A SME 规范中是按2 倍的许用应力 控制( 不是 1 . 5 倍， 也不是3 倍) ， 这一观点在分析设 收稿日 期: 2 (X 万一 0
21、7一13修稿日 期: 么 刀 7 一 03一 30 作者简介: 李永泰( 1 9 56一 ) ， 教授级高工， 1 981 年毕业于太原 重机学院固体力学专业， 一直从事化工设备的强度分析工 作， 在球罐和换热器管板应力分析方面有较深人的研究， 通 讯地址: 安徽省合肥市长江西路8 88号， 合肥通用机械研究 院。 ( 上接第3 页) 提出了腐蚀疲劳条件下， 基于电极电位法测定 裂纹扩展速率的 经验公式， 具有监测方便、 响应快的 优点。这一经验公式主要从试验手段人手， 其理论 分析还有待进一步探讨。 参考文献: 1 几 d s ， p . 田 ldE rd o 脚， F . ， J 二 B
22、as i c E 鸣 J . 8 5 ， p . 5 邓， 1 %3 . 2 凡 ， R . G . ， K eame y ， V . E . ， 阴 d E ll gl e ， R . M . ， J 二B asic E n g 【 J. 89， P . 45 9 ， 1 %7 . 3 伪1. 山 u e ， R . J . ， C l田 人 ， H . M . ， etc. 1 们 te r . J . F ra c t . M ec h J. 8 ， P . 2 田， 1 972 . 4 Prid 山 e ， E . K . ， I n ter. J 二P ， V eS8e lsan d
23、 R pi 飞 J . 4 ， P . 89， 1 9 7 6 . 5 刘强， 郑修麟. 腐蚀疲劳裂纹扩展研究近况【 J. 材料导 报， 1 9 96， ( 2 ) : 6 一 9 . 【 6 韩恩厚. 腐蚀疲劳裂纹扩展规律与机理【 J . 腐蚀科学 与防护技术， 1 卯1 ， ( 3): 巧一 17. 【 7 周希玩. 中国飞机结构腐蚀分区和当量环境谱【 J . 航 空学报， 1 空 列 ) ， 加( 3): 2 3(). 8 朱跃钊. 环境介质对波形膨胀节疲劳寿命的影响【 J. 压力容器， 1 % 兮 ， 8(1 ) : 40一 43. 9 纪冬梅， 周昌玉. 硫化氢水溶液中a7M nCrMovDR 钢的 疲劳裂纹扩展速率及其影响因素分析【 J ， 压力容器， 以 刃 3 ， 2()( 2 ) : 1 3 一1 6 . 【 ro GB 63 98一1 9 86， 金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法 5 . 收稿日期二 2 (X 万一 01一 肠修稿日期: 2 X ) 7 一 03一 05 作者简介: 韩海涛( 19 50一 ) ; 男， 硕士， 研究方向: 化工设备的 结构强度及优化设计。 1 8