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2205双相ManBetx在水溶液中的疲劳裂纹扩展行为

来源:至德钢业 日期:2020-09-11 17:50:05 人气:30

 浙江至德钢业有限公司对2205双相ManBetx在空气、去离子水和3.5%氯化钠溶液中进行疲劳裂纹扩展实验,结果表明,水溶液环境可显著提高2205双相ManBetx疲劳裂纹扩展速率,降低其疲劳寿命,断口观察表明,氢致开裂是双相manbetx998材料在水溶液介质中疲劳性能弱化的主要原因。与去离子水相比,氯离子具有更强的腐蚀作用,在主裂纹前端可诱发更多的缺陷并发展成二次裂纹,使有效裂纹长度更长,裂纹扩展的驱动力更小。


 由于材料与环境系统的多样性及环境与循环载荷的交互作用,使得金属材料的腐蚀疲劳行为十分复杂。在海洋和核电工业的复杂环境下,装备材料的腐蚀疲劳是主要失效形式之一。腐蚀疲劳中,裂纹扩展寿命占腐蚀疲劳总寿命的90%。研究金属材料在水溶液中的疲劳裂纹扩展行为对于其安全使用具有重要意义。2205双相ManBetx因其优良的耐蚀性和强度高以及经济实用性,在造船业和运输业得到了越来越多的应用。目前,有关双相manbetx998的研究主要集中于抗腐蚀性能、热处理工艺及热处理对腐蚀性能的影响和其焊接性、焊缝性能的研究等,关于双相ManBetx的腐蚀疲劳行为的研究尚不多见。至德钢业对2205双相ManBetx试样在空气、去离子水和3.5%氯化钠溶液环境中进行疲劳裂纹扩展实验,研究介质环境对疲劳裂纹扩展行为的影响及其断裂机理。


一、实验方法


 实验材料为泰山钢铁集团提供的2205双相ManBetx,厚度10mm,其屈服强度和抗拉强度分别为600和805MPa,延伸率为36%;钢中铁素体相与奥氏体相的两相比约为1∶1。选用标准单边缺口三点弯曲SE(B)试样,按照GB/T6398-2000《金属材料疲劳裂纹扩展速率试验方法》加工,试样尺寸如图所示,裂纹扩展方向垂直于轧制方向。疲劳试验在电液伺服疲劳试验机上进行。采用正弦交变载荷,应力比R=0.1。在初始载荷范围ΔP=9000N时开始预制裂纹,并逐级降力至ΔP=3500N,每级降力率约为10%~20%,预制裂纹总长度约为2mm。用COD规测量裂纹张开位移,用柔度法测定裂纹长度a。依据GB/T6398-2000中附录A七点递增多项式法,进行数据拟合得出疲劳裂纹扩展速率da/dN和应力强度因子幅ΔK。在疲劳试验过程中,试样一直浸没在环境槽中,并用恒流泵对溶液介质进行循环,溶液流量为1.0~1.2mL/min。最后采用NOVANanoSEM430型扫描电镜(SEM)对断口进行形貌分析。


二、实验结果


 1. a-N曲线和da/dN-ΔK曲线的对比


  不同环境下2205双相ManBetx试样疲劳裂纹扩展的a-N曲线如图所示。试样在裂纹扩展约14mm后断裂。其疲劳裂纹扩展寿命在空气中约为3.2×105次,在NaCl溶液中约为2.8×105次,在去离子水中约为1.9×105次。与空气中试样相比,2205双相ManBetx的疲劳裂纹扩展寿命在NaCl溶液中降低了12.5%,在去离子水溶液中降低了40.6%。


 图是不同环境下2205双相ManBetx试样da/dN-ΔK曲线的对比。溶液环境明显加速了2205双相ManBetx试样的疲劳裂纹扩展。在相同ΔK,2205双相ManBetx试样在去离子水中的疲劳裂纹扩展速率最快。溶液环境增大近门槛区范围,不但有降低门槛值的趋势,而且使近门槛区向稳态扩展区转变的临界ΔKc显著提高。溶液环境下,裂纹尖端形成含铁的腐蚀产物易引起闭合效应,可有效降低裂尖ΔK,可能是使近门槛区范围变大的原因。在稳态区,疲劳裂纹扩展通常可以用Paris公式da/dN=CΔKm拟合,C和m为线性拟合参数,结果如表所示。


 2. 断口形貌


 图为2205双相ManBetx试样在空气、氯化钠溶液和去离子水中的断口形貌对比。图可以看出,在空气中,2205双相ManBetx试样的疲劳断口以脆性准解理断裂为主要特征,在近门槛区主裂纹面比较平整,河流花样向裂纹扩展方向流动,在垂直于主裂纹面方向可发现少量的不连续二次小裂纹;在稳态扩展区,二次小裂纹数量显著增加;在失稳区二次小裂纹以撕裂方式相连接形成大裂纹,可以看到多条明显的、连续的撕裂棱。图可以看出,在氯化钠溶液中,2205双相ManBetx试样的疲劳断口具有脆性准解理、二次裂纹、撕裂棱等氢脆特征,在近门槛区主裂纹面上可发现少量的小点蚀坑,在垂直于主裂纹面方向可发现少量的不连续二次小裂纹;稳态扩展区主裂纹面上的点蚀坑数量显著增加,点蚀坑长大,二次小裂纹数量显著增加;在失稳区,主裂纹面上的点蚀坑尺寸明显增大,二次小裂纹逐渐连接形成多条细长的、不连续的撕裂棱。图4c可以看出,在去离子水中,2205双相ManBetx试样的疲劳断口呈现准解理断裂,在近门槛区断口表面比较平滑,未发现明显的二次小裂纹;在稳态扩展区断口表面粗糙不平,在平面中心线位置可以看到一条明显的、粗大的山脊状撕裂棱贯穿至失稳区。



三、分析与讨论


  氢致开裂是双相manbetx998材料在水溶液介质中性能弱化的主要原因,2205双相ManBetx在水溶液中疲劳裂纹加速扩展现象主要与铁素体相的氢脆有关。在水溶液中,循环载荷引起试样表面钝化膜破裂,裸露金属可作为阳极发生溶解反应,裂纹壁可作为阴极发生析氢反应,其电化学反应如式。当扩散到裂尖的吸附氢Hads达到临界浓度时,裂尖金属开裂,同时在裂纹面留下含Fe的氧化物。这一过程反复进行,疲劳裂纹向前扩展。阳极反应M→Mz++ze-(1)水解反应Mz++pH2O→M(OH)z-pp+pH+(2)阴极反应H++e-→HadsHads+Hads→H2(3)其中,M代表manbetx998基体的主要元素铁、铬或镍。2205双相ManBetx在两种水溶液中裂纹扩展能力差别与裂纹扩展驱动力有关。双相钢的两相具有不协调变形能力,易于在相界处引起局部应力集中,产生缺陷并发展成二次小裂纹,导致有效裂纹长度增加,如图所示。与去离子水相比,含氯离子介质具有更强的腐蚀作用,在主裂纹前端易于诱发大量缺陷并形成更多二次裂纹,使有效裂纹长度更长,裂纹扩展驱动力更小。


 2205双相ManBetx在3.5%氯化钠溶液中疲劳裂纹扩展驱动力比在去离子水介质中更低,扩展速度更慢,这与Paris公式拟合得到的数据一致。介质环境的差异导致2205双相ManBetx试样断裂机理发生改变。在3.5%氯化钠溶液中,氯离子在主裂纹前端诱发更多缺陷,形成二次裂纹,产生多条细小的撕裂棱;而在去离子水中,只有主裂纹前端在失稳区形成一条粗大的、山脊状的撕裂棱。


四、结论


  水溶液环境显著提高2205双相ManBetx疲劳裂纹扩展速率,降低其疲劳寿命。两相具有不协调变形能力,易于在相界处引起应力集中,产生二次小裂纹,使有效裂纹长度增加。与去离子水相比,氯离子具有更强的腐蚀作用,在主裂纹前端可诱发更多的缺陷并发展成二次裂纹,使有效裂纹长度更长,裂纹扩展的驱动力更小。


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