一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法
【專利摘要】本發明屬于金屬材料腐蝕領域，具體地，涉及一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法。基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法包括以下步驟：進行待測材料應力腐蝕試驗，確定應力腐蝕門檻值應力與損傷指數；進行待測材料疲勞試驗，確定疲勞損傷參數；確定待測材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數；待測材料腐蝕疲勞壽命預測。本發明的腐蝕溶液循環裝置，實現金屬材料腐蝕疲勞與應力腐蝕試驗腐蝕液的循環更新；采用理論與試驗研究相結合的方法預測腐蝕疲勞壽命，能夠克服解析法與試驗法的不足；預測方法合理，結果準確，預測結果不受材料-環境組合的影響；實施方案操作簡單，容易實現；預測方法推廣性強，便于工程應用。
【專利說明】一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金屬材料腐蝕領域，具體地，涉及一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命 預測方法，用于海洋工程、航空航天等所用金屬材料腐蝕疲勞壽命的預測。
【背景技術】
[0002] 工程中存在各種承受循環載荷的結構，如海洋工程結構、飛機等，其服役環境都具 有不同程度的腐蝕性。腐蝕性環境會降低材料的斷裂韌性，加快裂紋的萌生與擴展，降低結 構服役壽命。腐蝕疲勞已成為工程中各種承受循環載荷結構面臨的嚴重問題，腐蝕疲勞性 能研究、腐蝕疲勞壽命預測已成為工程結構耐久性與完整性設計的重要內容。但由于腐蝕 疲勞機理非常復雜，腐蝕疲勞試驗手段發展滯后，結構腐蝕疲勞壽命預測難題一直不能很 好解決。隨著航空航天、海洋工程的飛速發展，結構腐蝕疲勞問題將更為突出，現有研究成 果遠不能滿足實際工程應用的需要。
[0003] 目前金屬材料的腐蝕疲勞壽命預測方法，主要包括以下幾種：
[0004] (1)、解析法
[0005] 解析法是腐蝕疲勞壽命預測最常用的方法。解析法將腐蝕疲勞壽命分為裂紋成核 和裂紋擴展階段，其中裂紋成核壽命采用損傷力學方法，裂紋擴展壽命基本沿用環境修正 的Paris公式進行預測。不足之處就是運用解析法時，必須獲取不同腐蝕環境下金屬材料 的腐蝕速率及裂紋擴展速率的環境參數，同時裂紋成核長度及裂紋擴展壽命裂紋長度積分 上限的不確定也限制了該方法的應用。
[0006] (2)、能量法
[0007] 能量法用能量角度來研究腐蝕疲勞壽命，認為材料腐蝕疲勞失效是一個能量耗 散的過程。當經歷一定周次的應力作用，材料發生疲勞裂紋其本質是材料晶體間鍵的破壞 的宏觀表現，而鍵的破壞又伴隨著能量的釋放，在斷裂力學上可歸結為熱激活斷裂理論。 能量法是通過微觀的研究來表達宏觀的現象，此方法可以說是精度比較高的估算腐蝕疲 勞壽命的方法，但礙于目前人們對能量法的研究不夠深入，加之在用能量法求解時各物理 量很難測量，因此推廣性較差。
[0008] (3)、試驗法
[0009] 試驗法指針對具體問題，利用實驗室條件或者根據實際情況事先對工程材料進 行試驗分析，得出一系列的實驗分散數據點，最后通過曲線擬合得出材料的近似壽命曲 線，或者就是通過疲勞實驗機，直接獲取疲勞壽命。試驗法可以說是針對某一具體情況求 解材料腐蝕疲勞壽命最好的方法，但是往往受試驗條件或特殊要求的限制，有可能做出來 的結果與事實有較大偏差。
[0010] 除此之外，材料腐蝕疲勞壽命預測的神經網絡方法、概率法等等，這些方法基本上 可以說是以解析法為基礎的參數分析方法，本質上沒有克服解析法的不足，同時這些方法 需要試驗樣本較多，給工程應用帶來不便。
【發明內容】
toon] 為克服現有技術的缺陷，本發明提供一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測工程 方法，該方法以試驗研究為基礎，建立腐蝕疲勞損傷演化律，預測方法簡單，能夠綜合考慮 腐蝕環境、交變載荷參數等對材料腐蝕疲勞壽命的影響，彌補了現有方法的不足。
[0012] 為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0013] 基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟一、進行待測材料應力腐蝕試驗，確定應力腐蝕門檻值應力與損傷指數；
[0015] 步驟二，進行待測材料疲勞試驗，確定疲勞損傷參數；
[0016] 步驟三，確定待測材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數；
[0017] 步驟四，待測材料腐蝕疲勞壽命預測。
[0018] 相對于現有技術，本發明具有如下的有益效果：本發明設計一套高效適用的腐蝕 溶液循環裝置，實現金屬材料腐蝕疲勞與應力腐蝕試驗腐蝕液的循環更新；采用理論與試 驗研究相結合的方法預測腐蝕疲勞壽命，能夠克服解析法與試驗法的不足；預測方法合理， 結果準確，預測結果不受材料-環境組合的影響；實施方案操作簡單，容易實現；預測方法 推廣性強，便于工程應用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發明的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法流程示意圖；
[0020] 圖2為待測材料試樣結構圖；
[0021] 圖3為腐蝕溶液循環裝置示意圖；
[0022] 圖4為腐蝕疲勞損傷演化指數計算流程圖。
【具體實施方式】
[0023] 如圖1所示，基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，包括以下步驟：
[0024] 步驟一、進行待測材料應力腐蝕試驗，確定應力腐蝕門檻值應力與損傷指數，具體 方法如下：
[0025] 將待測材料加工成漏斗形試樣，如圖2所示，試樣兩端為圓柱形，并加工有螺紋， 便于夾持；試樣中間為測試部分，呈變截面圓柱形，采用成型砂輪橫磨而成，過渡圓弧半徑 R不小于最小截面處直徑d的5倍。
[0026] 選取試樣12根，并測量試樣的屈服極限〇 s。
[0027] 如圖3所示，腐蝕溶液循環裝置，包括：圓形頂蓋1、圓柱殼形容器2、耐腐蝕軟管 7、腐蝕溶液循環箱8與耐腐蝕電泵9 ;圓柱殼形容器2內盛有腐蝕溶液3,圓形頂蓋1對圓 柱殼形容器2進行封蓋，防止試驗過程中容器晃動造成腐蝕液濺出腐蝕設備；圓柱殼形容 器2的底部設有底部腐蝕溶液循環通孔4、頂端側壁上設有頂部腐蝕溶液循環通孔4 ;圓柱 殼形容器底部正中設有一個與試樣下夾持端匹配的螺紋孔，圓形頂蓋中心開孔，試樣下夾 持端穿過圓柱殼形容器底部的螺紋孔，試樣上夾持端穿過圓形頂蓋中心的開孔，試樣下夾 持端與容器底部連接處上下各裝有一個密封緊固螺栓，避免容器內腐蝕溶液泄漏。
[0028] 腐蝕溶液循環箱8為頂端開口的容器，用于盛裝腐蝕溶液3,腐蝕溶液循環箱8的 側壁頂部開有通孔；腐蝕溶液循環箱8側壁上的通孔與圓柱殼形容器2的底部腐蝕溶液循 環通孔4通過軟管連接，并且在該軟管上設有閥門6,閥門6用于控制圓柱殼形容器2內的 腐蝕溶液3流入腐蝕溶液循環箱8 ;腐蝕溶液循環箱8內設有耐腐蝕電泵，耐腐蝕電泵的出 口通過軟管與圓柱殼形容器2頂部腐蝕溶液循環通孔4連接，耐腐蝕電泵將腐蝕溶液循環 箱8內的腐蝕溶液3泵入圓柱殼形容器2內，同時腐蝕溶液由自重作用通過容器底部閥門 與連接軟管流到腐蝕溶液循環箱，進行腐蝕溶液的循環更新。
[0029] 應力腐蝕試驗時，如圖3所示組裝試驗裝置：先將一密封緊固螺栓擰到試樣下夾 持端適當位置，然后將試樣下夾持端自上而下穿過圓柱殼形容器2的底部，直至緊固螺栓 與容器底部完全接觸，再將另一個密封緊固螺栓擰到下夾持端至與容器底部下方接觸，使 試樣與容器位置固定。在容器底部安裝閥門與軟管，連接到腐蝕溶液循環箱。將另一個軟 管與容器側上方開孔連接，并將圓形頂蓋蓋在容器之上。
[0030] 啟動萬能材料試驗機，張開下夾頭，將試樣下夾持端放入下夾頭導槽內，鎖緊下夾 頭，固定試樣及殼形容器。然后根據試樣上夾持端位置下降上夾頭到適當位置，張開下夾頭 加緊試樣上夾持端。關閉閥門6,啟動電泵9往容器內注入腐蝕溶液至合理高度，停泵，試 驗準備完畢。
[0031] 待測材料的應力與應力腐蝕壽命之間的關系滿足以下關系：
[0032] lgtc=-plg( σ - σ th) +q (1)
[0033] 式中，t。為應力腐蝕壽命；σ為試樣最小截面的平均應力，等于試驗載荷F除以試 樣最小截面的截面面積& ; 〇 th為應力腐蝕門檻值應力；p與q為試驗常數。
[0034] 將12根試樣分為六組，每組兩根。根據待測材料的屈服極限，按照如下公式確定 6組試樣的試驗載荷Fi :
[0035] Ffd. 0+0· lXi) σ SA0 (i=l…6) (2)
[0036] 每兩個試樣采用同一個有效應力進行應力腐蝕試驗。試驗準備完畢之后，啟動試 驗機使試樣軸向載荷達到確定值并維持載荷恒定；試驗過程中分別記錄待測材料應力腐蝕 應力。與試樣斷裂時間t。（即應力腐蝕壽命）。試驗過程中要注意檢查容器的密封性，腐 蝕溶液每六小時更新一次。
[0037] 依次完成六組試驗，根據應力腐蝕試驗結果數據，按照式（1)回歸待測材料的應 力腐蝕門檻值應力σ th與應力腐蝕損傷指數P。
[0038] 步驟二，進行待測材料疲勞試驗，確定疲勞損傷參數，具體方法如下：
[0039] 加工待測材料疲勞試樣12根，試樣與步驟一的試樣相同；將試樣分成六組，每組 兩根。
[0040] 利用MTS軸向加載疲勞試驗機進行疲勞試驗，試驗時啟動試驗機，張開下夾頭，將 試樣下夾持端放入下夾頭導槽內，夾緊下夾頭，然后下降上夾頭到適當位置，張開下夾頭加 緊試樣上夾持端，試驗準備完畢。
[0041] 疲勞試驗主要分析應力振幅對疲勞壽命的影響，確定疲勞損傷參數。采用正弦波 加載，疲勞載荷參數最大應力s max與應力比Rs按照以下方法設定：取應力均值σ。=1· 2 σ th 不變，六組試樣的試驗應力比Rs分別取〇· 05、0· 1、0· 15、0· 2、0· 25和0· 3,利用2〇 q=(1+Rs) Smax確定六組應力比對應的最大應力Smax，組成六組疲勞載荷。啟動MTS試驗機，進行疲勞試 驗，試驗過程中記錄各組疲勞載荷參數與對應的疲勞壽命，試驗完畢后根據六組試樣的試 驗結果，擬合疲勞損傷與應力均值相關的試驗參數Μ(σ J及疲勞損傷指數。
[0042] 對于常見材料，可以不進行疲勞試驗，直接通過疲勞試驗手冊（如：高鎮同，蔣新 桐，熊峻江，疲勞性能試驗設計和數據處理-直升機金屬材料疲料性能可靠性手冊，北京： 北京航空航天大學出版社，1999)查詢材料的S-N試驗數據，試驗數據點的選取盡可能與疲 勞試驗的載荷參數一致，如果無法找到完全一致的試驗結果，可根據相近結果進行線性插 值計算獲得，然后根據不同數據擬合M( 〇(l)及疲勞損傷指數。
[0043] 步驟三，確定待測材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數，建立損傷演化律，具體方法 如下：
[0044] 根據損傷理論，將腐蝕疲勞損傷處理成應力均值控制的應力腐蝕損傷、應力振幅 主導的疲勞損傷的非線性累加結果，腐蝕疲勞損傷演化律方程如下：
[0045] dD = f (l-D)^Fcdt+FfdN (3)
[0046] 式中，D為腐蝕疲勞損傷；f為交變應力頻率；ζ為非線性損傷演化指數；F。為單 個疲勞周期內的應力腐蝕損傷；F f為單個疲勞周期內的疲勞損傷。
[0047] 加工待測材料漏斗形試樣6根，試樣與步驟一的試樣相同；分成六組，每組一根。 利用MTS軸向加載疲勞試驗機與圖3所示腐蝕環境裝置進行腐蝕疲勞試驗。疲勞載荷的確 定方法如下：六組試樣的應力比R s分別取〇· 05、0· 1、0· 15、0· 2、0· 25和0· 3,最大應力利用 Smax=2. 4 σ tly/(1+RS)計算，組成六組的疲勞載荷，加載方式為正弦波。
[0048] 按如圖3所示組裝試驗裝置：先將一密封緊固螺栓擰到試樣下夾持端適當位置， 然后將試樣下夾持端自上而下穿過圓柱殼形容器2的底部，直至緊固螺栓與容器底部完全 接觸，再將另一個密封緊固螺栓擰到下夾持端至與容器底部下方接觸，使試樣與容器位置 固定。在容器底部安裝閥門與軟管，連接到腐蝕溶液循環箱。將另一個軟管與容器側上方 開孔連接，并將圓形頂蓋蓋在容器之上。
[0049] 張開試驗機下夾頭，將試樣下夾持端放入下夾頭導槽內，夾緊下夾頭，固定試樣及 腐蝕殼形容器。下降上夾頭到適當位置，張開下夾頭加緊試樣上夾持端。關閉閥門6,啟動 電泵9往容器內注入腐蝕溶液至合理高度，停泵。
[0050] 啟動MTS試驗機進行腐蝕疲勞試驗，試驗過程中記錄各組疲勞載荷參數與對應的 腐蝕疲勞壽命。試驗完畢后根據六組試樣的腐蝕疲勞試驗結果，采用迭代計算確定待測材 料的腐蝕疲勞損傷非線性演化指數ξ，流程圖如圖4所示。具體過程如下：設定損傷演化指 數初值ξ 〇,其中〇 < ( 〇 < 1 ;按式（3)形成初始腐蝕疲勞損傷演化律，計算腐蝕疲勞壽命， 如果計算出來的腐蝕疲勞壽命與試驗結果相符，則該損傷演化指數合理；反之，設置損傷演 化指數增量，進行迭代運算，直到計算結果與試驗結果相符，確定損傷演化指數ξ，形成最 終的腐蝕疲勞損傷演化律。
[0051] 步驟四，待測材料腐蝕疲勞壽命預測：
[0052] 當腐蝕疲勞損傷為1時，即認定材料腐蝕疲勞破壞。根據（3)式，代入疲勞載荷參 數，采用數值積分方法，計算待測材料的腐蝕疲勞壽命。
【權利要求】
1. 一種基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一、進行待測材料應力腐蝕試驗，確定應力腐蝕門檻值應力與損傷指數； 步驟二，進行待測材料疲勞試驗，確定疲勞損傷參數； 步驟三，確定待測材料腐蝕疲勞損傷非線性演化指數； 步驟四，待測材料腐蝕疲勞壽命預測。
2. 根據權利要求1所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，其特征在于，步驟 一的具體方法如下： 將待測材料加工成漏斗形試樣，選取試樣12根，并測量試樣的屈服極限； 待測材料的應力與應力腐蝕壽命之間的關系滿足以下關系： lgtc = -plg(〇-〇th)+q (1) 式中，t。為應力腐蝕壽命；σ為試樣最小截面的平均應力，等于試驗載荷F除以試樣最 小截面的截面面積& ; 〇 th為應力腐蝕門檻值應力；ρ與q為試驗常數； 將12根試樣分為六組，每組兩根；根據待測材料的屈服極限，按照如下公式確定6組試 樣的試驗載荷Fi: F^d. 0+0. ΙΧ?) σ sA〇(i=l -6) (2) 每兩個試樣采用同一個有效應力進行應力腐蝕試驗；試驗準備完畢之后，啟動試驗機 使試樣軸向載荷達到確定值并維持載荷恒定；試驗過程中分別記錄待測材料應力腐蝕應 力σ與試樣斷裂時間t。；試驗過程中要注意檢查容器的密封性，腐蝕溶液每六小時更新一 次； 依次完成六組試驗，根據應力腐蝕試驗結果數據，按照式（1)回歸待測材料的應力腐 蝕門檻值應力σ th與應力腐蝕損傷指數P。
3. 根據權利要求1-2所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，其特征在于，步 驟二的具體方法如下：加工待測材料疲勞試樣12根，將試樣分成六組，每組兩根； 利用MTS軸向加載疲勞試驗機進行疲勞試驗，采用正弦波加載，疲勞載荷參數按照以 下方法設定：取應力均值〇〇=1.2〇th不變，六組試樣的試驗應力比Rs分別取〇·〇5、0· 1、 0· 15、0· 2、0· 25和0· 3,利用2 〇 Q=(l+Rs)Smax確定六組應力比對應的最大應力Smax，組成六組 疲勞載荷。啟動MTS試驗機，進行疲勞試驗，試驗過程中記錄各組疲勞載荷參數與對應的疲 勞壽命，試驗完畢后根據六組試樣的試驗結果，擬合疲勞損傷與應力均值相關的試驗參數 MOJ及疲勞損傷指數； 對于常見材料，可以不進行疲勞試驗，直接通過疲勞試驗手冊查詢材料的S-N試驗數 據，試驗數據點的選取盡可能與疲勞試驗的載荷參數一致，如果無法找到完全一致的試驗 結果，可根據相近結果進行線性插值計算獲得，然后根據不同數據擬合Μ( 〇 J及疲勞損傷 指數。
4. 根據權利要求1-3所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，其特征在于，步 驟三的具體方法如下： 根據損傷理論，將腐蝕疲勞損傷處理成應力均值控制的應力腐蝕損傷、應力振幅主導 的疲勞損傷的非線性累加結果，腐蝕疲勞損傷演化律方程如下： dD = f (l-D)^Fcdt+FfdN (3) 式中，D為腐蝕疲勞損傷；f為交變應力頻率；ζ為非線性損傷演化指數；F。為單個疲 勞周期內的應力腐蝕損傷；Ff為單個疲勞周期內的疲勞損傷； 加工待測材料漏斗形試樣6根，分成六組，每組一根；利用MTS軸向加載疲勞試驗機與 腐蝕環境裝置進行腐蝕疲勞試驗；疲勞載荷的確定方法如下：六組試樣的應力比Rs分別取 0.05、0.1、0.15、0.2、0.25和0.3，最大應力利用5_=2.4(^ 1/(1+馬）計算，組成六組的疲勞 載荷，加載方式為正弦波； 啟動MTS試驗機進行腐蝕疲勞試驗，試驗過程中記錄各組疲勞載荷參數與對應的腐 蝕疲勞壽命。試驗完畢后根據六組試樣的腐蝕疲勞試驗結果，采用迭代計算確定待測材 料的腐蝕疲勞損傷非線性演化指數（，具體過程如下：設定損傷演化指數初值其中〇 1 ;按式（3)形成初始腐蝕疲勞損傷演化律，計算腐蝕疲勞壽命，如果計算出來的腐 蝕疲勞壽命與試驗結果相符，則該損傷演化指數合理；反之，設置損傷演化指數增量，進行 迭代運算，直到計算結果與試驗結果相符，確定損傷演化指數ξ，形成最終的腐蝕疲勞損傷 演化律。
5. 根據權利要求1-4所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，其特征在于，步 驟四的具體方法如下：當腐蝕疲勞損傷為1時，即認定材料腐蝕疲勞破壞，根據式（3)，代入 疲勞載荷參數，采用數值積分方法，計算待測材料的腐蝕疲勞壽命。
6. 根據權利要求1-5所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法，其特征在于，試 樣兩端為圓柱形，并加工有螺紋，便于夾持；試樣中間為測試部分，呈變截面圓柱形，采用成 型砂輪橫磨而成，過渡圓弧半徑R不小于最小截面處直徑d的5倍。
7. 權利要求1-6所述的基于損傷演化的腐蝕疲勞壽命預測方法所采用的腐蝕溶液循 環裝置，包括：圓形頂蓋、圓柱殼形容器、耐腐蝕軟管、腐蝕溶液循環箱與耐腐蝕電泵；其特 征在于：圓柱殼形容器內盛有腐蝕溶液，圓形頂蓋對圓柱殼形容器進行封蓋，防止試驗過程 中容器晃動造成腐蝕液濺出腐蝕設備；圓柱殼形容器的底部設有底部腐蝕溶液循環通孔、 頂端側壁上設有頂部腐蝕溶液循環通孔；圓柱殼形容器底部正中設有一個與試樣下夾持 端匹配的螺紋孔，圓形頂蓋中心開孔，試樣下夾持端穿過圓柱殼形容器底部的螺紋孔，試樣 上夾持端穿過圓形頂蓋中心的開孔，試樣下夾持端與容器底部連接處上下各裝有一個密封 緊固螺栓，避免容器內腐蝕溶液泄漏； 腐蝕溶液循環箱為頂端開口的容器，用于盛裝腐蝕溶液，腐蝕溶液循環箱的側壁頂部 開有通孔；腐蝕溶液循環箱側壁上的通孔與圓柱殼形容器的底部腐蝕溶液循環通孔通過軟 管連接，并且在該軟管上設有閥門，閥門用于控制圓柱殼形容器內的腐蝕溶液流入腐蝕溶 液循環箱；腐蝕溶液循環箱內設有耐腐蝕電泵，耐腐蝕電泵的出口通過軟管與圓柱殼形容 器頂部腐蝕溶液循環通孔連接，耐腐蝕電泵將腐蝕溶液循環箱內的腐蝕溶液泵入圓柱殼形 容器內，同時腐蝕溶液由自重作用通過容器底部閥門與連接軟管流到腐蝕溶液循環箱，進 行腐蝕溶液的循環更新。
8. -種進行待測材料應力腐蝕試驗的方法，采用權利要求7的腐蝕溶液循環裝置，其 特征在于：應力腐蝕試驗時，先將一密封緊固螺栓擰到試樣下夾持端適當位置，然后將試樣 下夾持端自上而下穿過圓柱殼形容器的底部，直至緊固螺栓與容器底部完全接觸，再將另 一個密封緊固螺栓擰到下夾持端至與容器底部下方接觸，使試樣與容器位置固定；在容器 底部安裝閥門與軟管，連接到腐蝕溶液循環箱。將另一個軟管與容器側上方開孔連接，并將 圓形頂蓋蓋在容器之上；啟動萬能材料試驗機，張開下夾頭，將試樣下夾持端放入下夾頭導 槽內，鎖緊下夾頭，固定試樣及殼形容器。然后根據試樣上夾持端位置下降上夾頭到適當 位置，張開下夾頭加緊試樣上夾持端；關閉閥門，啟動電泵往容器內注入腐蝕溶液至合理高 度，停泵，試驗準備完畢。
【文檔編號】G01N3/56GK104062196SQ201410008876
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年1月8日 優先權日:2014年1月8日
【發明者】黃小光, 曹宇光, 韓忠英, 林紅, 徐國強 申請人:中國石油大學(華東)