CN110411833B - 一种海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法，该方法通过空气介质中裂纹扩展速率试验，和少量海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率试验，构造数学模型，通过空气介质中裂纹扩展速率试验预测海水腐蚀环境下各种不同频率条件下的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。本发明针对海水服役环境下不同载荷频率工况，建立了依据空气介质中不同频率测试裂纹扩展速率预测材料在海水腐蚀环境下不同频率测试裂纹扩展速率的预测方法，不用大量开展不同频率的海水腐蚀疲劳试验，试验周期大大缩短；海水腐蚀疲劳试验相对空气中疲劳试验测试成本成倍增加，通过预测模型预测腐蚀环境下疲劳性能可以大大减少腐蚀疲劳试验经费投入。

Description

一种海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法
技术领域
本发明涉及金属材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法。
背景技术
疲劳裂纹扩展速率试验是评价金属材料疲劳性能的一项重要试验。在海水腐蚀环境下，材料疲劳裂纹扩展将加速，因此考察腐蚀环境下材料的疲劳裂纹扩展速率对于海洋工程结构钢品种更具有针对性。但是，海水腐蚀环境中又存在很多不断变化的试验条件，譬如：载荷谱、温度、频率、流速、盐度、PH值等。对于不同水域的海水工程结构的服役条件是变化的，测试不同条件下的腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验周期长，且价格相对空气环境下成倍增长，如果可以通过测试空气中疲劳性能或者少量一定条件下的腐蚀疲劳性能去预测复杂的不同条件下的腐蚀疲劳性能，这对于产品研发和工程结构设计来说意义十分重大。
发明专利CN201310227157.3《一种疲劳裂纹扩展速率归一化预测方法》提出了一种基于能量释放率的疲劳裂纹扩展速率归一化预测方法。该发明通过预设数学模型并依靠常见的设定金属材料所获参数进行反推补充的方法，最终依靠由R＝i下的疲劳裂纹扩展速率曲线实现了对待测金属材料的不同应力比R≠i下的数据进行归一化预测，以能量作为控制参量对不同类型应力强度因子进行组合，其物理意义较为明确，形式也较为简单，并且对应力比归一化系数进行了统一表述，具有方法简单、适用范围广等特点。
发明专利CN201410020016.9《一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法》提出了一种预测不同应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的方法，由材料在已知应力比下疲劳裂纹扩展门槛值的测试数据，即疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK之间的关系，求得在双对数坐标上疲劳裂纹扩展稳定扩展区和近门槛区数据点的直线拟合斜率和两者交界点，根据不同应力比下稳定扩展区和近门槛区交界点处最大应力强度因子Kmax＝ΔK/R相等的条件进行计算，能够预测未知应力比R的疲劳裂纹扩展门槛值，所述R＞0。
以上两种方法分别通过某一单一应力比下测试的裂纹扩展速率和门槛值，实现了对其他未知应力比R下裂纹扩展速率和门槛值的预测，有具体数学模型，并通过实验对比了不同应力比R下实测结果与预测结果的差异，验证了预测模型的准确性。但以上两种模型仅针对空气介质中的结果，对于腐蚀环境下是否适用还需要加入腐蚀条件对模型进行修正。另外该模型仅针对不同应力比R，对于其他试验条件变化的裂纹扩展速率预测没有指导性。
开展海水腐蚀环境下不同频率腐蚀疲劳裂纹扩展速率测试的难点在于：1)海浪拍击、海底湍流、潮汐等海洋环境中各种交变疲劳载荷作用的频率各不相同，想要开展所有的频率试验，测试总体试验周期长；2)相对空气介质环境下的裂纹扩展速率试验，海水腐蚀环境下测试价格成倍增长，更重要的是频率越低测试周期越长，带来的费用投入也越大，不同频率的腐蚀疲劳试验测试费用十分昂贵。3)如考虑采用归一化方法通过少量不同频率的腐蚀疲劳试验建立数学模型来预测不同的频率下腐蚀疲劳裂纹扩展速率，需要保证数学模型的可靠性及预测结果的准确性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法，能通过空气介质中裂纹扩展速率试验，和少量海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率试验，构造数学模型，通过空气介质中裂纹扩展速率试验预测海水腐蚀环境下各种不同频率条件下的腐蚀疲劳裂纹扩展速率。该方法能有效解决以上难点。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
第一步、针对某一被测材料，加工拉伸试样N1件，通过拉伸试验，获取材料的基本力学性能参数，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量和延伸率，取N1个拉伸试样各参数的平均值作为疲劳试验输入参数；加工标准裂纹扩展速率试样N2件，测量各试样的基本参数，包括长度、宽度、厚度、缺口深度和跨距；
第二步、开展n个试样a1,a2,a3,…，an在1Hz～30Hz范围内i种不同频率f1,f2,f3…，fi下的空气介质中的裂纹扩展速率试验，得到裂纹扩展速率dadN与裂纹尖端应力场幅值ΔK曲线，拟合中速区Paris公式：
Figure GDA0003195712660000031
其中：Ci为空气介质中不同频率fi下拟合曲线系数，ni为空气介质中不同频率fi下拟合曲线指数；
第三步、在常规疲劳试验机上安装海水腐蚀环境箱，提供循环流动海水，指定海水流速，控制载荷，海水温度，对n个试样b1,b2,b3,…，bn，分别开展1Hz～30Hz范围内对应i种不同频率f1,f2,f3…，fi，的海水腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验；
第四步、将b1,b2,b3,…，bn试样测试结果拟合成dadN-ΔK曲线，得到中速区Paris公式：
Figure GDA0003195712660000032
其中：Cj为海水腐蚀环境下不同频率fi下拟合曲线系数，nj为海水腐蚀环境下不同频率fi下拟合曲线指数；
第五步、将不同频率fi下空气介质中和海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率曲线绘制于同一坐标系下，对比不同频率下腐蚀环境对裂纹扩展速率的影响可以确认不同频率下腐蚀环境对裂纹扩展的影响是两面的：相对空气介质中测试结果，频率高时海水腐蚀抑制裂纹扩展，频率低时海水腐蚀加速裂纹扩展；
第六步、假定海水腐蚀疲劳裂纹扩展过程中存在频率影响因子F(f)，频率影响因子F(f)定义为不同频率下海水腐蚀环境中各种典型△K值对应裂纹扩展速率相对空气介质中裂纹扩展速率的加速比例A的平均值，加速比例A的计算公式为：
Figure GDA0003195712660000033
计算不同频率fi下的不同ΔK对应的加速比例A，从而求出不同频率fi下的加速比例平均值；然后以频率fi为横坐标值，加速比例平均值(即频率影响因子F(f))为纵坐标拟合出频率影响因子F(f)与对应频率f呈二次多项式函数关系，表达式为：
F(f)＝af2+bf+c (4)
其中，a，b，c为多项式函数的系数，f＝fi，表示频率；
第七步、依据第六步中频率影响因子F(f)的模型，可以将海水腐蚀环境下不同频率的裂纹扩展速率表示为：
Figure GDA0003195712660000041
第八步、将公式(1)和公式(4)带入公式(5)中，得到依据空气介质中裂纹扩展速率试验结果预测海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率的数学模型：
Figure GDA0003195712660000042
本发明的有益效果在于：
1)该发明专利针对海水服役环境下不同载荷频率工况，建立了依据空气介质中不同频率测试裂纹扩展速率预测材料在海水腐蚀环境下不同频率测试裂纹扩展速率的预测方法，不用大量开展不同频率的海水腐蚀疲劳试验，试验周期大大缩短。
2)海水腐蚀疲劳试验相对空气中疲劳试验测试成本成倍增加，通过预测模型预测腐蚀环境下疲劳性能可以大大减少腐蚀疲劳试验经费投入。
3)采用归一化方法通过少量空气和海水环境下不同频率的腐蚀疲劳试验建立数学模型，再只需开展空气中疲劳裂纹扩展速率试验，即可预测海水腐蚀环境下各种频率的疲劳裂纹扩展速率，该预测模型被验证可靠性高，预测结果准确。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中30Hz下空气中和海水中疲劳裂纹扩展速率曲线对比图；
图2是本发明实施例中10Hz下空气中和海水中疲劳裂纹扩展速率曲线对比图；
图3是本发明实施例中3Hz下空气中和海水中疲劳裂纹扩展速率曲线对比图；
图4是本发明实施例中1Hz下空气中和海水中疲劳裂纹扩展速率曲线对比图；
图5是本发明实施例中海水介质对裂纹扩展频率影响因子与频率关系图；
图6是本发明实施例中频率f＝0.1Hz海水腐蚀环境中实测曲线与预测曲线对比图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
选取海工钢D36作为验证对象，采用本发明海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法的具体实施过程如下：
1.加工3件拉伸圆棒试样，测试常规力学性能如表1所示。取各参数平均值作为疲劳试验输入参数。
表1海工钢D36拉伸性能
Figure GDA0003195712660000051
2.加工三点弯曲SEB试样10件，分别测试长度、宽度、厚度、缺口深度等基本参数，如表2所示。
表2疲劳裂纹扩展速率试验试样参数
Figure GDA0003195712660000061
3.按照国家标准GB/T6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》开展1#、2#、3#、4#试样在30Hz、10Hz、3Hz、1Hz这4种不同频率下的空气介质中的裂纹扩展速率试验，得到裂纹扩展速率dadN与裂纹尖端应力场幅值ΔK曲线，拟合中速区Paris公式系数Ci和指数ni如表3所示。
表3空气环境下不同频率Paris公式系数Ci，ni统计表
编号 f<sub>i</sub>/Hz C<sub>i</sub> n<sub>i</sub>
1# 30 5.436E-09 3.016
2# 10 6.701E-09 2.951
3# 3 6.270E-09 2.900
4# 1 1.583E-09 3.430
4.在常规疲劳试验机上安装海水腐蚀环境箱，提供循环流动海水，指定海水流速，控制载荷，海水温度，对5#、6#、7#、8#试样分别开展30Hz、10Hz、3Hz、1Hz这4种不同频率下的海水腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验。
5.按照国家标准GB/T6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》将5#、6#、7#、8#试样测试结果拟合成dadN-ΔK曲线，得到中速区Paris公式系数Cj和指数nj如表4所示。
表4海水环境下不同频率Paris公式系数Cj，n统计表
编号 f<sub>i</sub>/Hz C<sub>j</sub> n<sub>j</sub>
5# 30 9.429E-10 3.492
6# 10 4.333E-09 3.033
7# 3 7.720E-09 2.997
8# 1 8.027E-09 3.095
6.将不同频率下空气介质中和海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率曲线绘制于同一坐标系下，如图1-图4所示。对比不同频率下腐蚀环境对裂纹扩展速率的影响可以确认，不同频率下腐蚀环境对裂纹扩展的影响是两面的：相对空气介质中测试结果，频率高时海水腐蚀抑制裂纹扩展，频率低时海水腐蚀加速裂纹扩展。
7.假定海水腐蚀疲劳裂纹扩展过程中存在频率影响因子F(f)，频率影响因子F(f)定义为不同频率下海水腐蚀环境中各种典型△K值对应裂纹扩展速率相对空气介质中裂纹扩展速率的加速比例平均值。不同频率下各种典型△K值对应加速比例及不同频率下频率影响因子F(f)如表5所示。可以发现，30Hz下海水介质对裂纹扩展速率起阻碍作用，平均降速33.2％，10Hz下平均降速18.6％；但3Hz开始海水介质对裂纹扩展速率起加速作用，平均加速61.7％，1Hz下平均加速99.4％。频率影响因子F(f)与对应频率f基本呈二次多项式函数关系，如图5所示表达式应为：
F(f)＝0.00423f2-0.176f+1.141 (7)
该曲线与X轴交点为f＝8.032Hz。该交点的意义在于在该点海水介质对于疲劳裂纹扩展提速为0。当频率高于该临界频率时海水腐蚀对裂纹扩展起阻碍作用，当频率低于该临界频率时海水腐蚀对裂纹扩展起加速作用。
表5不同频率下空气与海水中疲劳裂纹扩展速率对比
Figure GDA0003195712660000081
8.将公式(7)带入公式(5)中，得到依据空气介质中裂纹扩展速率试验结果预测海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率的数学模型：
Figure GDA0003195712660000082
其中：Ci为空气介质中不同频率fi下拟合曲线系数，ni为空气介质中不同频率fi下拟合曲线指数。空气中系数、指数见表3。
为验证公式(8)对应预测模型的准确性，指定9#试样和10#试样分别测试海水和空气中0.1Hz的腐蚀疲劳裂纹扩展速率，实测结果拟合曲线方程为：
空气中实测：
Figure GDA0003195712660000083
海水中实测：
Figure GDA0003195712660000084
将fi＝0.1Hz代入公式(8)得到海水腐蚀环境中预测曲线方程为：
Figure GDA0003195712660000085
海水腐蚀环境下，实测数据分布、实测数据拟合幂函数以及预测曲线如图6所示。预测曲线与实测数据拟合幂函数曲线吻合性很高。根据公式(10)和公式(11),分别计算不同裂纹尖端应力场条件下裂纹扩展速率实测值与预测值，如表6所示。定量对比结果显示，预测值相对实测值标准偏差在±5％以内。
表6海水腐蚀环境下扩展速率实测值与预测值对比验证统计表
Figure GDA0003195712660000091
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、开展n个试样a1,a2,a3,…，an在1Hz～30Hz范围内i种不同频率f1,f2,f3…，fi下的空气介质中的裂纹扩展速率试验，得到裂纹扩展速率dadN与裂纹尖端应力场幅值ΔK曲线，拟合中速区Paris公式：
Figure FDA0003195712650000011
其中：Ci为空气介质中不同频率fi下拟合曲线系数，ni为空气介质中不同频率fi下拟合曲线指数；
S2、在常规疲劳试验机上安装海水腐蚀环境箱，提供循环流动海水，指定海水流速，控制载荷，海水温度，对n个试样b1,b2,b3,…，bn分别开展1Hz～30Hz范围内对应i种不同频率f1,f2,f3…，fi下的海水腐蚀疲劳裂纹扩展速率试验；
S3、将b1,b2,b3,…，bn试样测试结果拟合成dadN-ΔK曲线，得到中速区Paris公式：
Figure FDA0003195712650000012
其中：Cj为海水腐蚀环境下不同频率fi下拟合曲线系数，nj为海水腐蚀环境下不同频率fi下拟合曲线指数；
S4、将不同频率fi下空气介质中和海水腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率曲线绘制于同一坐标系下，对比不同频率下腐蚀环境对裂纹扩展速率的影响可以确认，不同频率下腐蚀环境对裂纹扩展的影响是两面的：相对空气介质中测试结果，频率高时海水腐蚀抑制裂纹扩展，频率低时海水腐蚀加速裂纹扩展；
S5、假定海水腐蚀疲劳裂纹扩展过程中存在频率影响因子F(f)，频率影响因子F(f)定义为不同频率下海水腐蚀环境中各种典型△K值对应裂纹扩展速率相对空气介质中裂纹扩展速率的加速比例平均值，加速比例A的计算公式为：
Figure FDA0003195712650000013
拟合出频率影响因子F(f)与对应频率f呈二次多项式函数关系，表达式为：
F(f)＝af2+bf+c (4)
其中，a,b,c为多项式函数的系数；f＝fi，表示频率；
S6、依据步骤S5中频率影响因子F(f)的模型，将海水腐蚀环境下不同频率的裂纹扩展速率表示为：
Figure FDA0003195712650000021
2.根据权利要求1所述的海水腐蚀环境下不同频率裂纹扩展速率预测方法，其特征在于，步骤S1之前还包括步骤：针对某一被测材料，加工拉伸试样N1件，通过拉伸试验，获取材料的基本力学性能参数，包括屈服强度、抗拉强度、弹性模量和延伸率，取N1个拉伸试样各参数的平均值作为疲劳试验输入参数；加工标准裂纹扩展速率试样N2件，测量各试样的基本参数，包括长度、宽度、厚度、缺口深度和跨距。
3.根据权利要求1所述的不同海水流速腐蚀疲劳裂纹扩展速率预测方法，其特征在于，步骤S1中，各试样在空气介质中的裂纹扩展速率试验按照国家标准GB/T6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》开展，步骤S3中，各试样测试结果拟合成dadN-ΔK曲线按照国家标准GB/T6398-2017《金属材料疲劳试验疲劳裂纹扩展方法》进行。
4.根据权利要求1所述的不同海水流速腐蚀疲劳裂纹扩展速率预测方法，其特征在于，步骤S5中，公式(4)的拟合方法为：
1)计算不同频率fi下的不同ΔK对应的加速比例A，从而求出不同频率fi下的加速比例平均值；
2)以频率fi为横坐标值，加速比例平均值(即频率影响因子F(f))为纵坐标拟合出公式(4)。
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