06Cr19Ni10不锈钢管腐蚀疲劳弯曲裂纹扩展行为研究

   浙江至德钢业有限公司计算分析06Cr19Ni10不锈钢管的疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液腐蚀状态下与未腐蚀状态下的扩展速率与应力比Ｒ、加载频率ｆ、应力强度因子的变化幅值、弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值、弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系．研究结果表明，随应力比Ｒ不断增大及加载频率ｆ逐渐减小，06Cr19Ni10不锈钢管的疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液腐蚀状态下的扩展速率逐渐增大，其扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓；在氯化钠水溶液腐蚀状态下的疲劳断裂特性方面，线弹性疲劳弯曲裂纹与弹塑性疲劳弯曲裂纹与各影响因素的关系具有相似性。在工业生产中，尤其是船舶与海洋工程制造中，氯化钠水溶液腐蚀是普遍存在的。氯化钠水溶液腐蚀是由于化学或电离反应所产生的钠离子和氯离子扩散到金属内部所引起的各种破坏．海水中存在大量的氯化钠，船舶与海水接触的部分将会发生氯化钠水溶液腐蚀。在石油化工企业中，许多设备都在高温高压下服役，尤其是氯化钠水溶液装置中的压力容器，其内部的氯化钠对安全性会产生较大威胁，使用寿命降低．所以，环境介质对工程结构材料疲劳断裂性能的影响规律正日益受到科研工作者的重视。

   目前，已有的科研成果主要局限于氯化钠水溶液腐蚀直线裂纹在疲劳载荷作用下的扩展特性研究，而工程实际中，在氯化钠水溶液腐蚀状态下，直线裂纹在扩展过程中将由于疲劳载荷的不完全对称性、结构局部区域的物质不均匀性与物质衰变、断裂韧度的空间变化等多种因素而发生弯曲扩展现象．目前针对疲劳载荷作用下的氯化钠水溶液腐蚀线弹性与弹塑性弯曲裂纹断裂性能参数计算和路径预测等问题的研究很少，深度不够。至德钢业将对疲劳载荷作用下的氯化钠水溶液腐蚀线弹性与弹塑性弯曲裂纹扩展行为问题进行研究。

  对公式进行计算分析，可知06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液中腐蚀状态下的扩展速率比在空气中未腐蚀状态下大很多．开始当应力强度因子的变化幅值ΔＫ较小时，腐蚀与未腐蚀两种状态下的扩展速率差距较大，其后随应力强度因子的变化幅值ΔＫ逐渐增大，两种状态下的扩展速率差距逐渐变小．随应力比Ｒ的不断增大以及加载频率ｆ的逐渐减小，06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液中腐蚀状态下的扩展速率逐渐增大。06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓，如图所示。图为加载频率f＝5Hz时，06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同应力比下与应力强度因子变化幅值的关系曲线．其中曲线是应力比R＝0.1时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.1时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.3时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.4时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.5时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.5时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线。图为应力比R＝0.3时，06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同加载频率下与应力强度因子变化幅值的关系曲线．其中曲线是加载频率f＝10Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝10Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝5Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系。曲线；曲线是加载频率f＝5Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝10Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝10Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的线弹性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与应力强度因子变化幅值的关系曲线。

  对公式进行计算分析，可知06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液中腐蚀状态下的扩展速率比在空气中未腐蚀状态下的大．开始当弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值较小时，腐蚀与未腐蚀两种状态下的扩展速率差距较大，其后随弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值逐渐增大，两种状态下的扩展速率差距逐渐变小．随应力比Ｒ的不断增大以及加载频率ｆ的逐渐减小，06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率逐渐加大。06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓，如图所示。图为加载频率f＝5Hz时，06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同应力比下与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线。其中曲线是应力比R＝0.1时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.1时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.5时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.5时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.7时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.7时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线。图为应力比R＝0.3时，06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同加载频率下与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线．其中曲线是加载频率f＝10Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝10Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝5Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝5Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝1Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝1Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端张开位移变化幅值的关系曲线。

  对公式进行计算分析，可知06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液中腐蚀状态下的扩展速率比在空气中未腐蚀状态下的大．开始当弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的变化幅值较小时，腐蚀与未腐蚀两种状态下扩展速率差距较大，其后随弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值逐渐增大，两种状态下扩展速率差距逐渐变小．随应力比Ｒ的不断增大以及加载频率ｆ的逐渐减小，06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液中腐蚀状态下的扩展速率逐渐加大。06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹在腐蚀状态下的扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓，如图所示。图为加载频率f＝5Hz时，06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同应力比下与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线．其中曲线是应力比R＝0.1时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.1时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.3时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.3时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.5时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是应力比R＝0.6时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线。图为应力比R＝0.3时，06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率在不同加载频率下与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线．其中曲线是加载频率f＝10Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝10Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝5Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝5Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝1Hz时未腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线；曲线是加载频率f＝1Hz时腐蚀状态下06Cr19Ni10不锈钢管的弹塑性疲劳弯曲裂纹的扩展速率与弯曲裂纹尖端Ｊ积分变化幅值的关系曲线。

  1. 随应力比Ｒ的不断增大以及加载频率ｆ的逐渐减小，06Cr19Ni10不锈钢管的疲劳弯曲裂纹在氯化钠水溶液腐蚀状态下的扩展速率逐渐增大，其扩展速率增大的程度在裂纹扩展的第一阶段较明显，第二阶段有所减弱，第三阶段趋于平缓。

  2. 在氯化钠水溶液腐蚀状态下的疲劳断裂特性方面，线弹性疲劳弯曲裂纹与弹塑性疲劳弯曲裂纹与各影响因素的关系具有相似性。

  3. 06Cr19Ni10不锈钢管在工程结构中普遍存在，本文中为船舶与海洋工程、化工设备及其他腐蚀压力结构的寿命评估、安全评定与可靠性设计提供了相应的理论计算模型。