CN104062196B - 一种基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于金属材料腐蚀领域，具体地，涉及一种基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法。基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法包括以下步骤：进行待测材料应力腐蚀试验，确定应力腐蚀门槛值应力与损伤指数；进行待测材料疲劳试验，确定疲劳损伤参数；确定待测材料腐蚀疲劳损伤非线性演化指数；待测材料腐蚀疲劳寿命预测。本发明的腐蚀溶液循环装置，实现金属材料腐蚀疲劳与应力腐蚀试验腐蚀液的循环更新；采用理论与试验研究相结合的方法预测腐蚀疲劳寿命，能够克服解析法与试验法的不足；预测方法合理，结果准确，预测结果不受材料-环境组合的影响；实施方案操作简单，容易实现；预测方法推广性强，便于工程应用。

Description

一种基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法

技术领域

本发明属于金属材料腐蚀领域，具体地，涉及一种基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，用于海洋工程、航空航天等所用金属材料腐蚀疲劳寿命的预测。

背景技术

工程中存在各种承受循环载荷的结构，如海洋工程结构、飞机等，其服役环境都具有不同程度的腐蚀性。腐蚀性环境会降低材料的断裂韧性，加快裂纹的萌生与扩展，降低结构服役寿命。腐蚀疲劳已成为工程中各种承受循环载荷结构面临的严重问题，腐蚀疲劳性能研究、腐蚀疲劳寿命预测已成为工程结构耐久性与完整性设计的重要内容。但由于腐蚀疲劳机理非常复杂，腐蚀疲劳试验手段发展滞后，结构腐蚀疲劳寿命预测难题一直不能很好解决。随着航空航天、海洋工程的飞速发展，结构腐蚀疲劳问题将更为突出，现有研究成果远不能满足实际工程应用的需要。

目前金属材料的腐蚀疲劳寿命预测方法，主要包括以下几种：

(1)、解析法

解析法是腐蚀疲劳寿命预测最常用的方法。解析法将腐蚀疲劳寿命分为裂纹成核和裂纹扩展阶段，其中裂纹成核寿命采用损伤力学方法，裂纹扩展寿命基本沿用环境修正的Paris公式进行预测。不足之处就是运用解析法时,必须获取不同腐蚀环境下金属材料的腐蚀速率及裂纹扩展速率的环境参数，同时裂纹成核长度及裂纹扩展寿命裂纹长度积分上限的不确定也限制了该方法的应用。

(2)、能量法

能量法用能量角度来研究腐蚀疲劳寿命,认为材料腐蚀疲劳失效是一个能量耗散的过程。当经历一定周次的应力作用,材料发生疲劳裂纹其本质是材料晶体间键的破坏的宏观表现，而键的破坏又伴随着能量的释放,在断裂力学上可归结为热激活断裂理论。能量法是通过微观的研究来表达宏观的现象,此方法可以说是精度比较高的估算腐蚀疲劳寿命的方法,但碍于目前人们对能量法的研究不够深入,加之在用能量法求解时各物理量很难测量,因此推广性较差。

(3)、试验法

试验法指针对具体问题,利用实验室条件或者根据实际情况事先对工程材料进行试验分析,得出一系列的实验分散数据点,最后通过曲线拟合得出材料的近似寿命曲线，或者就是通过疲劳实验机,直接获取疲劳寿命。试验法可以说是针对某一具体情况求解材料腐蚀疲劳寿命最好的方法，但是往往受试验条件或特殊要求的限制,有可能做出来的结果与事实有较大偏差。

除此之外，材料腐蚀疲劳寿命预测的神经网络方法、概率法等等，这些方法基本上可以说是以解析法为基础的参数分析方法，本质上没有克服解析法的不足，同时这些方法需要试验样本较多，给工程应用带来不便。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测工程方法，该方法以试验研究为基础，建立腐蚀疲劳损伤演化律，预测方法简单，能够综合考虑腐蚀环境、交变载荷参数等对材料腐蚀疲劳寿命的影响，弥补了现有方法的不足。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤一、进行待测材料应力腐蚀试验，确定应力腐蚀门槛值应力与损伤指数；

步骤二，进行待测材料疲劳试验，确定疲劳损伤参数；

步骤三，确定待测材料腐蚀疲劳损伤非线性演化指数；

步骤四，待测材料腐蚀疲劳寿命预测。

相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：本发明设计一套高效适用的腐蚀溶液循环装置，实现金属材料腐蚀疲劳与应力腐蚀试验腐蚀液的循环更新；采用理论与试验研究相结合的方法预测腐蚀疲劳寿命，能够克服解析法与试验法的不足；预测方法合理，结果准确，预测结果不受材料-环境组合的影响；实施方案操作简单，容易实现；预测方法推广性强，便于工程应用。

附图说明

图1为本发明的基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法流程示意图；

图2为待测材料试样结构图；

图3为腐蚀溶液循环装置示意图；

图4为腐蚀疲劳损伤演化指数计算流程图。

具体实施方式

如图1所示，基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

步骤一、进行待测材料应力腐蚀试验，确定应力腐蚀门槛值应力与损伤指数，具体方法如下：

将待测材料加工成漏斗形试样，如图2所示，试样两端为圆柱形，并加工有螺纹，便于夹持；试样中间为测试部分，呈变截面圆柱形，采用成型砂轮横磨而成，过渡圆弧半径R不小于最小截面处直径d的5倍。

选取试样12根，并测量试样的屈服极限σ_S。

如图3所示，腐蚀溶液循环装置，包括：圆形顶盖1、圆柱壳形容器2、耐腐蚀软管7、腐蚀溶液循环箱8与耐腐蚀电泵9；圆柱壳形容器2内盛有腐蚀溶液3，圆形顶盖1对圆柱壳形容器2进行封盖，防止试验过程中容器晃动造成腐蚀液溅出腐蚀设备；圆柱壳形容器2的底部设有底部腐蚀溶液循环通孔4、顶端侧壁上设有顶部腐蚀溶液循环通孔4；圆柱壳形容器底部正中设有一个与试样下夹持端匹配的螺纹孔，圆形顶盖中心开孔，试样下夹持端穿过圆柱壳形容器底部的螺纹孔，试样上夹持端穿过圆形顶盖中心的开孔，试样下夹持端与容器底部连接处上下各装有一个密封紧固螺栓，避免容器内腐蚀溶液泄漏。

腐蚀溶液循环箱8为顶端开口的容器，用于盛装腐蚀溶液3，腐蚀溶液循环箱8的侧壁顶部开有通孔；腐蚀溶液循环箱8侧壁上的通孔与圆柱壳形容器2的底部腐蚀溶液循环通孔4通过软管连接，并且在该软管上设有阀门6，阀门6用于控制圆柱壳形容器2内的腐蚀溶液3流入腐蚀溶液循环箱8；腐蚀溶液循环箱8内设有耐腐蚀电泵，耐腐蚀电泵的出口通过软管与圆柱壳形容器2顶部腐蚀溶液循环通孔4连接，耐腐蚀电泵将腐蚀溶液循环箱8内的腐蚀溶液3泵入圆柱壳形容器2内，同时腐蚀溶液由自重作用通过容器底部阀门与连接软管流到腐蚀溶液循环箱，进行腐蚀溶液的循环更新。

应力腐蚀试验时，如图3所示组装试验装置：先将一密封紧固螺栓拧到试样下夹持端适当位置，然后将试样下夹持端自上而下穿过圆柱壳形容器2的底部，直至紧固螺栓与容器底部完全接触，再将另一个密封紧固螺栓拧到下夹持端至与容器底部下方接触，使试样与容器位置固定。在容器底部安装阀门与软管，连接到腐蚀溶液循环箱。将另一个软管与容器侧上方开孔连接，并将圆形顶盖盖在容器之上。

启动万能材料试验机，张开下夹头，将试样下夹持端放入下夹头导槽内，锁紧下夹头，固定试样及壳形容器。然后根据试样上夹持端位置下降上夹头到适当位置，张开下夹头加紧试样上夹持端。关闭阀门6，启动电泵9往容器内注入腐蚀溶液至合理高度，停泵，试验准备完毕。

待测材料的应力与应力腐蚀寿命之间的关系满足以下关系：

lgt_c=-plg(σ-σ_th)+q   (1)

式中，t_c为应力腐蚀寿命；σ为试样最小截面的平均应力，等于试验载荷F除以试样最小截面的截面面积A₀；σ_th为应力腐蚀门槛值应力；p与q为试验常数。

将12根试样分为六组，每组两根。根据待测材料的屈服极限，按照如下公式确定6组试样的试验载荷F_i：

F_i=(1.0+0.1×i)σ_SA₀(i=1…6)   (2)

每两个试样采用同一个有效应力进行应力腐蚀试验。试验准备完毕之后，启动试验机使试样轴向载荷达到确定值并维持载荷恒定；试验过程中分别记录待测材料应力腐蚀应力σ与试样断裂时间t_c(即应力腐蚀寿命)。试验过程中要注意检查容器的密封性，腐蚀溶液每六小时更新一次。

依次完成六组试验，根据应力腐蚀试验结果数据，按照式(1)回归待测材料的应力腐蚀门槛值应力σ_th与应力腐蚀损伤指数p。

步骤二，进行待测材料疲劳试验，确定疲劳损伤参数，具体方法如下：

加工待测材料疲劳试样12根，试样与步骤一的试样相同；将试样分成六组，每组两根。

利用MTS轴向加载疲劳试验机进行疲劳试验，试验时启动试验机，张开下夹头，将试样下夹持端放入下夹头导槽内，夹紧下夹头，然后下降上夹头到适当位置，张开下夹头加紧试样上夹持端，试验准备完毕。

疲劳试验主要分析应力振幅对疲劳寿命的影响，确定疲劳损伤参数。采用正弦波加载，疲劳载荷参数最大应力S_max与应力比R_S按照以下方法设定：取应力均值σ₀=1.2σ_th不变，六组试样的试验应力比R_S分别取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3，利用2σ₀=(1+R_S)S_max确定六组应力比对应的最大应力S_max，组成六组疲劳载荷。启动MTS试验机，进行疲劳试验，试验过程中记录各组疲劳载荷参数与对应的疲劳寿命，试验完毕后根据六组试样的试验结果，拟合疲劳损伤与应力均值相关的试验参数M(σ₀)及疲劳损伤指数。

对于常见材料，可以不进行疲劳试验，直接通过疲劳试验手册(如：高镇同，蒋新桐，熊峻江，疲劳性能试验设计和数据处理-直升机金属材料疲料性能可靠性手册，北京：北京航空航天大学出版社，1999)查询材料的S-N试验数据，试验数据点的选取尽可能与疲劳试验的载荷参数一致，如果无法找到完全一致的试验结果，可根据相近结果进行线性插值计算获得，然后根据不同数据拟合M(σ₀)及疲劳损伤指数。

步骤三，确定待测材料腐蚀疲劳损伤非线性演化指数，建立损伤演化律，具体方法如下：

根据损伤理论，将腐蚀疲劳损伤处理成应力均值控制的应力腐蚀损伤、应力振幅主导的疲劳损伤的非线性累加结果，腐蚀疲劳损伤演化律方程如下：

dD=f(1-D)^-ζF_cdt+F_fdN   (3)

式中，D为腐蚀疲劳损伤；f为交变应力频率；ζ为非线性损伤演化指数；F_c为单个疲劳周期内的应力腐蚀损伤；F_f为单个疲劳周期内的疲劳损伤。

加工待测材料漏斗形试样6根，试样与步骤一的试样相同；分成六组，每组一根。利用MTS轴向加载疲劳试验机与图3所示腐蚀环境装置进行腐蚀疲劳试验。疲劳载荷的确定方法如下：六组试样的应力比R_S分别取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3，最大应力利用S_max=2.4σ_th/(1+R_S)计算，组成六组的疲劳载荷，加载方式为正弦波。

按如图3所示组装试验装置：先将一密封紧固螺栓拧到试样下夹持端适当位置，然后将试样下夹持端自上而下穿过圆柱壳形容器2的底部，直至紧固螺栓与容器底部完全接触，再将另一个密封紧固螺栓拧到下夹持端至与容器底部下方接触，使试样与容器位置固定。在容器底部安装阀门与软管，连接到腐蚀溶液循环箱。将另一个软管与容器侧上方开孔连接，并将圆形顶盖盖在容器之上。

张开试验机下夹头，将试样下夹持端放入下夹头导槽内，夹紧下夹头，固定试样及腐蚀壳形容器。下降上夹头到适当位置，张开下夹头加紧试样上夹持端。关闭阀门6，启动电泵9往容器内注入腐蚀溶液至合理高度，停泵。

启动MTS试验机进行腐蚀疲劳试验，试验过程中记录各组疲劳载荷参数与对应的腐蚀疲劳寿命。试验完毕后根据六组试样的腐蚀疲劳试验结果，采用迭代计算确定待测材料的腐蚀疲劳损伤非线性演化指数ζ，流程图如图4所示。具体过程如下：设定损伤演化指数初值ζ₀，其中0<ζ₀≤1；按式(3)形成初始腐蚀疲劳损伤演化律，计算腐蚀疲劳寿命，如果计算出来的腐蚀疲劳寿命与试验结果相符，则该损伤演化指数合理；反之，设置损伤演化指数增量，进行迭代运算，直到计算结果与试验结果相符，确定损伤演化指数ζ，形成最终的腐蚀疲劳损伤演化律。

步骤四，待测材料腐蚀疲劳寿命预测：

当腐蚀疲劳损伤为1时，即认定材料腐蚀疲劳破坏。根据(3)式，代入疲劳载荷参数，采用数值积分方法，计算待测材料的腐蚀疲劳寿命。

Claims (7)

1.一种基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、进行待测材料应力腐蚀试验，确定应力腐蚀门槛值应力与损伤指数；

步骤二，进行待测材料疲劳试验，确定疲劳损伤参数；

步骤三，确定待测材料腐蚀疲劳损伤非线性演化指数；

步骤四，待测材料腐蚀疲劳寿命预测；

步骤一的具体方法如下：

将待测材料加工成漏斗形试样，选取试样12根，并测量试样的屈服极限；

待测材料的应力与应力腐蚀寿命之间的关系满足以下关系：

lgt_c＝-plg(σ-σ_th)+q   (1)

式中，t_c为应力腐蚀寿命；σ为试样最小截面的平均应力，等于试验载荷F除以试样最小截面的截面面积A₀；σ_th为应力腐蚀门槛值应力；p与q为试验常数；

将12根试样分为六组，每组两根；根据待测材料的屈服极限，按照如下公式确定6组试样的试验载荷F_i：

F_i＝(1.0+0.1×i)σ_SA₀ (i＝1…6)   (2)

每两个试样采用同一个有效应力进行应力腐蚀试验；试验准备完毕之后，启动试验机使试样轴向载荷达到确定值并维持载荷恒定；试验过程中分别记录待测材料应力腐蚀应力σ与试样断裂时间t_c；试验过程中要注意检查容器的密封性，腐蚀溶液每六小时更新一次；

依次完成六组试验，根据应力腐蚀试验结果数据，按照式(1)回归待测材料的应力腐蚀门槛值应力σ_th与应力腐蚀损伤指数p。

2.根据权利要求1所述的基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤二的具体方法如下：加工待测材料疲劳试样12根，将试样分成六组，每组两根；

利用MTS轴向加载疲劳试验机进行疲劳试验，采用正弦波加载，疲劳载荷参数按照以下方法设定：取应力均值σ₀＝1.2σ_th不变，六组试样的试验应力比R_S分别取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3，利用2σ₀＝(1+R_S)S_max确定六组应力比对应的最大应力S_max，组成六组疲劳载荷。启动MTS试验机，进行疲劳试验，试验过程中记录各组疲劳载荷参数与对应的疲劳寿命，试验完毕后根据六组试样的试验结果，拟合疲劳损伤与应力均值相关的试验参数M(σ₀)及疲劳损伤指数；

对于常见材料，可以不进行疲劳试验，直接通过疲劳试验手册查询材料的S-N试验数据，试验数据点的选取尽可能与疲劳试验的载荷参数一致，如果无法找到完全一致的试验结果，可根据相近结果进行线性插值计算获得，然后根据不同数据拟合M(σ₀)及疲劳损伤指数。

3.根据权利要求2所述的基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤三的具体方法如下：

根据损伤理论，将腐蚀疲劳损伤处理成应力均值控制的应力腐蚀损伤、应力振幅主导的疲劳损伤的非线性累加结果，腐蚀疲劳损伤演化律方程如下：

式中，D为腐蚀疲劳损伤；f为交变应力频率；为非线性损伤演化指数；F_c为单个疲劳周期内的应力腐蚀损伤；F_f为单个疲劳周期内的疲劳损伤；

加工待测材料漏斗形试样6根，分成六组，每组一根；利用MTS轴向加载疲劳试验机与腐蚀环境装置进行腐蚀疲劳试验；疲劳载荷的确定方法如下：六组试样的应力比R_S分别取0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3，最大应力利用S_max＝2.4σ_th/(1+R_S)计算，组成六组的疲劳载荷，加载方式为正弦波；

启动MTS试验机进行腐蚀疲劳试验，试验过程中记录各组疲劳载荷参数与对应的腐蚀疲劳寿命。试验完毕后根据六组试样的腐蚀疲劳试验结果，采用迭代计算确定待测材料的腐蚀疲劳损伤非线性演化指数具体过程如下：设定损伤演化指数初值其中按式(3)形成初始腐蚀疲劳损伤演化律，计算腐蚀疲劳寿命，如果计算出来的腐蚀疲劳寿命与试验结果相符，则该损伤演化指数合理；反之，设置损伤演化指数增量，进行迭代运算，直到计算结果与试验结果相符，确定损伤演化指数形成最终的腐蚀疲劳损伤演化律。

4.根据权利要求3所述的基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，步骤四的具体方法如下：当腐蚀疲劳损伤为1时，即认定材料腐蚀疲劳破坏，根据式(3)，代入疲劳载荷参数，采用数值积分方法，计算待测材料的腐蚀疲劳寿命。

5.根据权利要求4所述的基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法，其特征在于，试样两端为圆柱形，并加工有螺纹，便于夹持；试样中间为测试部分，呈变截面圆柱形，采用成型砂轮横磨而成，过渡圆弧半径R不小于最小截面处直径d的5倍。

6.权利要求5所述的基于损伤演化的腐蚀疲劳寿命预测方法所采用的腐蚀溶液循环装置，包括：圆形顶盖、圆柱壳形容器、耐腐蚀软管、腐蚀溶液循环箱与耐腐蚀电泵；其特征在于：圆柱壳形容器内盛有腐蚀溶液，圆形顶盖对圆柱壳形容器进行封盖，防止试验过程中容器晃动造成腐蚀液溅出腐蚀设备；圆柱壳形容器的底部设有底部腐蚀溶液循环通孔、顶端侧壁上设有顶部腐蚀溶液循环通孔；圆柱壳形容器底部正中设有一个与试样下夹持端匹配的螺纹孔，圆形顶盖中心开孔，试样下夹持端穿过圆柱壳形容器底部的螺纹孔，试样上夹持端穿过圆形顶盖中心的开孔，试样下夹持端与容器底部连接处上下各装有一个密封紧固螺栓，避免容器内腐蚀溶液泄漏；

腐蚀溶液循环箱为顶端开口的容器，用于盛装腐蚀溶液，腐蚀溶液循环箱的侧壁顶部开有通孔；腐蚀溶液循环箱侧壁上的通孔与圆柱壳形容器的底部腐蚀溶液循环通孔通过软管连接，并且在该软管上设有阀门，阀门用于控制圆柱壳形容器内的腐蚀溶液流入腐蚀溶液循环箱；腐蚀溶液循环箱内设有耐腐蚀电泵，耐腐蚀电泵的出口通过软管与圆柱壳形容器顶部腐蚀溶液循环通孔连接，耐腐蚀电泵将腐蚀溶液循环箱内的腐蚀溶液泵入圆柱壳形容器内，同时腐蚀溶液由自重作用通过容器底部阀门与连接软管流到腐蚀溶液循环箱，进行腐蚀溶液的循环更新。

7.一种进行待测材料应力腐蚀试验的方法，采用权利要求6的腐蚀溶液循环装置，其特征在于：应力腐蚀试验时，先将一密封紧固螺栓拧到试样下夹持端适当位置，然后将试样下夹持端自上而下穿过圆柱壳形容器的底部，直至紧固螺栓与容器底部完全接触，再将另一个密封紧固螺栓拧到下夹持端至与容器底部下方接触，使试样与容器位置固定；在容器底部安装阀门与软管，连接到腐蚀溶液循环箱。将另一个软管与容器侧上方开孔连接，并将圆形顶盖盖在容器之上；启动万能材料试验机，张开下夹头，将试样下夹持端放入下夹头导槽内，锁紧下夹头，固定试样及壳形容器。然后根据试样上夹持端位置下降上夹头到适当位置，张开下夹头加紧试样上夹持端；关闭阀门，启动电泵往容器内注入腐蚀溶液至合理高度，停泵，试验准备完毕。