腐蚀疲劳波形效应的裂尖析氢、输氢模型与试验验证

把裂尖表面形变动力学和裂尖表面氢反应电化学动力学相结合，对裂尖表面析氢反应的波形效应进行了定量分析，把裂尖形变动力学与位错运动力学相结合，提出了氢的接力式位错输送概念，并建立了波形效应的位错输氢模型，用上述定量模型与理论对正据齿波、三角波和负锯齿波三种波形的腐蚀疲劳裂纹扩展速率的相对大小进行了预测。为验证上述模型，还用疲劳测试和断口分析和研究了三种波形对GC－4（40CrMnSiMoVA)钢在3．5％NaCI溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展特性的影响。试验结果与模型预测结果十分吻合。     

极化和频率对A537钢在3.5%NaCl溶液中的腐蚀疲劳裂纹扩展…

利用三电极技术研究了极化和频率对Ａ５３７低合金钢在３．５％ＮａＣｌ活化体系的腐蚀疲劳的裂纹扩展行为，包括对裂纹扩展速率和断口形貌的影响。结果表明，在活化体系中，强极化条件，频率越小，裂纹扩展速率越大，在阴极保护条件下，频率对裂纹扩展速率的影响很小。     

钴基高温合金裂尖塑性区位错结构的原位观察

走向凝固的钴基高温合金在原位拉伸研究中发现了两种裂尖塑性区位错结构,在拉伸轴为[511]时,从裂尖发射的是不全位错,在整个塑性区中位错始终以扩展位错的形式存在;在拉伸怕为[121]时,从裂尖发射的是全位错,位错在离开裂尖向试样内部运动过程中发生扩展分析了裂纹尖端应力状态对裂尖塑性区位错结构的影响。     

钴基高温合金尖塑性区位错结构的原位观察

定向凝固的钴基高温合金在原位拉伸研究中发现了两种裂尖塑性区位错结构,在拉伸辊为［５１１］时,从裂尖发射的是不全位错,在整个塑性区中全错始终以扩展位错的形式存在;［１２１］时,从裂尖发射的是全位错,位错在离开裂尖向试样内部运动过程中发生扩展,分析了裂纹尖端应力状态对裂尖塑性区位错结构的影响。     

超高强度钢CF裂纹扩展的超载效应 Ⅰ．定量模型及预测

将Ｗｉｌｌｅｎｂｏｒｇ的超载残余应力场模型与裂尖形变动力学、裂尖表面析氢反应电化学动力学以及裂尖材料内部氢的扩散动力学和热力学相结合，建立了氢脆腐蚀疲劳裂纹扩展（ＣＦＣＧ）超载效应的定量描述模型，给出了超载对裂尖表面析氢电化学反应及裂尖氢扩展影响的一系列判据和表达式．用上述模型进行的预测表明，对于超高强度钢，当两次超载周次之间裂纹扩展长度ａｄ远小于超载塑性区尺寸ｒｐＯＬ与恒载塑性区尺寸ｒｐＣＬＡ之差，即ａｄ＜＜ｒｐＯＬ－ｒｐＣＬＡ时，ＣＦＣＧ会发生比空气疲劳还强烈的超载迟滞效应．而当ａｄ＞ｒｐＯＬ－ｒｐＣＬＡ时，可能会发生超载加速效应．这种预测在后文中由试验的宏观规律与断口特征得到充分验证．     

阴极充氢对结构钢裂尖变形行为的影响

本文采用单边缺口试样,原位研究了A537结构钢在3.5%NaCl水溶液中,-1400mV(SCE)电位下阴极充氢6小时前后,疲劳裂纹自由面张开位移和裂尖表面应变场的变化.同时还对充氢与未充氢条件下光滑圆柱试样的应力应变行为进行了对比研究,用扫描电镜观察了疲劳断口形貌.结果表明:由于氢的进入,疲劳裂尖材料变形困难,从而导致了裂尖塑性区尺寸与裂纹相对张开位移的减少.     

电机护环钢50Mn18Cr4WN在湿氢气中的裂纹扩展研究

在压力为0.1MPa的湿氢气环境条件下,测定了发电机护环专用材料-奥氏体无磁钢50Mn18Cr4wN的应力腐蚀裂纹扩展速率,并对断口进行了扫描电镜观察。发现湿度增加时平均裂纹扩展速率升高,启裂是以裂尖表面区塑性变形带为先导的,断口以准解理为主,但不同应力强度区间有所不同。研究结果支持氢致滞后塑性变形机理。     

喷丸残余应力对裂纹闭合效应影响的数值仿真

基于裂纹闭合效应,利用ABAQUS软件建立用于预测残余应力场中疲劳裂纹扩展特性的弹塑性有限元模型。考虑塑性和残余应力场对裂纹闭合的作用,分析残余应力、应力比和裂尖单元尺寸对裂纹闭合效应的影响。研究结果表明:未喷丸试样的裂纹闭合类型为塑性诱导裂纹闭合,喷丸残余应力场中的裂纹闭合为塑性和残余压应力共同作用,且裂纹张开力的大小与残余应力的分布相对应;正应力比越大,裂纹闭合效应越不明显,疲劳裂纹扩展速率越快;裂尖单元尺寸小于塑性区范围时可以真实反映裂尖的闭合状态;喷丸残余压应力通过提高裂纹闭合力,增强裂纹闭合效应,抑制疲劳裂纹扩展。     

腐蚀疲劳过程中裂尖阳极溶解对裂纹扩展的作用

在模拟腐蚀疲劳裂尖介质中,分别用铂丝和40CrNiMo钢为辅助电极测定了在不同拉伸速率下中温回火的40CrNiMo钢的腐蚀电流密度i_(a)与应变速率、塑性应变量的关系,其结果为:利用疲劳裂纹尖端应变的弹塑性有限元计算,得到腐蚀疲劳裂尖阳极溶解引起的裂纹扩展与△K的关系,结果表明:中温回火的40CrNiMo钢在3.5％NaCl水容液中裂尖阳极溶解对腐蚀疲劳裂纹扩展的直接贡很小,阳极溶解的主要作用是影响为裂尖断裂区氢致开裂提供氢原子的阴极过程。     

Fe3Al氢致开裂和应力腐蚀的TEM原位观察

利用恒位移加载台，在ＴＥＭ中原位观察了Ｆｅ３Ａｌ薄膜试样充氢和应力腐蚀前后裂尖位错组态的变化，以及位错对裂纹形核的影响。结果表明，氢能促进裂尖发射位错，促进位错的增殖和运动，并使无位错区增大，当位错发射，运动发展到临界状态时，就会导致氢致裂纹的形核与的扩展。对氢促进位错发射，增殖和运动的原因进行了探讨。     

A537钢在3.5%NaCl溶液中低周腐蚀疲劳的裂纹萌生

利用三电极技术研究了Ａ５３７低合金钢在３．５％ＮａＣｌ活化体系中的低周腐蚀疲劳的裂纹萌生行为．结果表明，应变速率越小，或者应变幅越大，裂纹萌生寿命越短；阳极极化和强阴极极化可以大大缩短裂纹萌生寿命，阴极保护条件下的裂纹萌生寿命与空气中的相似．裂纹主要在软的铁素体内萌生，然后穿过珠光体连接．剧烈的阳极溶解破坏了表面形变形貌，阴极析氢导致表面产生许多小裂纹．     

MORPHOLOGY OF SUB-CRITICAL GROWTH ON STRESS CORROSION CRACKING AND PLASTIC ZONE AT CRACK TIP

用抛光的恒载荷试样对40CrNiMoA和AISI4330M两种高强度钢在水介质中应力腐蚀裂纹的产生和扩展进行了金相跟踪观察,研究了裂纹亚临界扩展的形貌。结果表明:表面裂纹前端产生阴影区(塑性变形区),它的形貌随钢种不同而不同。对于40CrNiMoA,阴影区是扩展、闭合,再扩展、再闭合。而对于4330M,阴影区不闭合,近乎平行扩展。只有在刚开始加载、阴影区呈耳朵状时,它才反映了裂纹尖端的塑性区。在以后绝大部分的扩展过程中,阴影区并不代表裂纹尖端的塑性,而只反映产生剪切唇所引起的变形,且与裂纹的“突进”(Pop-in)密切有关,必须和小范围屈服断裂力学中裂纹尖端的塑性区相区别。     

1Cr18Mn14N不锈钢在HCl溶液中的空蚀行为

利用磁致伸缩空蚀实验机研究了1Cr18Mn14N不锈钢在HCl溶液中的空蚀行为，利用扫描电镜(SEM)跟踪观察了试样表面的空蚀形貌，测量了静态和空蚀条件下的极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)，分析了腐蚀和氢对空蚀损伤的影响,结果表明：在0．1mol／LHCl溶液中，加工硬化能力高的1Cr18Mn14N不锈钢的抗空蚀性能优于水轮机常规用材0Cr13Ni5Mo；当盐酸浓度增大为0．5mol／L时，阳极溶解和氢的共同作用促进1Cr18Mn14N不锈钢表面裂纹的形核和失稳扩展，裂纹扩展、连接引起材料大量脱落，使1Cr18Mn14N不锈钢的抗空蚀性能大大劣化，反而不如0Cr13Ni5Mo不锈钢．     

Damage mechanism of a nodular cast iron under the very high cycle fatigue regime

Fatigue behaviour in the very high cycle regime (VHCF) of 10¹⁰ cycles were investigated with a cast iron (GS51) under ultrasonic fatigue test system (20 kHz) in ambient air at room temperature with a stress ratio R = −1.

The influence of frequency was examined by comparing similar data generated on conventional servo hydraulic test systems. An advanced, high-speed, and high-sensitivity infrared imaging system was used to measure the temperature changes during ultrasonic fatigue test at various load levels caused by internal damping due to a very high frequency cycling. The temperature field on the surface specimen was determined by using a non-destructive measurement technique called infrared pyrometer. An infrared camera made up of a matrix of 320 × 240 detectors was used.

The S-N curves obtained show that fatigue failure occurred beyond 10⁹ cycles, fatigue limit does not exist for the cast iron and there is no evidence of frequency effect on the test results. A detailed study on fatigue specimens subjected to ultrasonic frequency shows that the temperature evolution of the cast iron specimen is very evident, the temperature increased just at the beginning of the test, the temperature increased depending on the maximum stress amplitude. Under the current test conditions, the high cycle fatigue (VHCF) behaviour of the cast iron exhibited a typical fatigue crack growth process, that is, fatigue initiation takes place always at the surface graphite or subsurface void; the distinctive stable fatigue crack growth zone can be found around the fatigue crack initiation site, the change of fatigue initiation site from surface to subsurface is associated with the complex effects of applied maximum stress level, surface condition.

Under lower stress amplitude and high cycle condition, surface graphite fatigue initiation is predominantly depended on cyclic stress amplitude; subsurface void fatigue initiation is determined by maximum cyclic stress.

In the process of small crack propagation, the temperature in local plastic zone increase very sharply. The temperature field of ultrasonic fatigue specimen can be changed with the cooling condition; internal heating can accelerate surface fatigue crack initiation and propagation.

Fatigue properties in VHCF regime were studied for cast iron (GS51) at 20 kHz frequency and for the first time, crack initiation and propagation stages were analyzed using a high-sensitivity infrared camera. The new Paris's model for fish eye formation in the gigacycle fatigue were also confirmed by this study.     

金属材料在循环载荷下塑性变形传播对疲劳性能的影响

对疲劳裂纹萌生寿命和扩展速率的研究表明，４０Ｃｒ钢调质和正火态存在加载频率效应，而１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ钢固溶处理态未发现加载频率效应。引起加载频率效应的实质是，随加载频率不断提高，金属材料塑性变形传播速度不断减小，从而改变塑性区特性。     

慢加载条件下氢对裂纹萌生与扩展的作用

在扫描电镜原位拉伸条件下，研究了氢原子对正火态的Ｃｒ－１Ｍｏ钢裂纹萌生与扩展的作用结果发现：氢原子使缺口根部韧性裂纹萌生时的临界塑变降低，并使裂纹的扩展方式从沿最大切应力方向的连续扩展改变成沿最大主应力面的跳跃扩展．试验未发现明显的氢致塑变特征．文中对氢原子的影响机理进行了分析．     

阳极溶解及氢进入对裂纹尖端局部材料力学行为的作用

在腐蚀疲劳过程中裂纹尖端阳极溶解及氢产生并进入材料内部两个过程同时存在.材料的阳极溶解过程增大裂尖塑性区尺寸,氢产生并进入材料内部减小裂尖塑性区尺寸.提出如果阳极溶解增大裂尖塑性区尺寸起主导作用,则总体上表现为裂尖塑性区尺寸增大,如果氢进入减小塑性区尺寸起主导作用,则总体上表现为裂尖塑性区尺寸减小.对上述设想给予实验验证.     

氢在钢的硫化物应力腐蚀破裂中的作用

本文研究了12MnMoVNbTi低合金钢在饱和H_3S溶液中的极化和应力腐蚀行为,并与电解充氢条件下的应力破裂行为进行了对比。证明钢中Mo、Nb含量的变化与热处理条件的不同对其一般腐蚀行为影响很小,但能显著改变其抗应力腐蚀性能,12MnMoVNbTi钢在H_2S介质中的应力腐蚀破裂行为与它们在充氢条件下的应力破裂行为非常类似,显示其应力腐蚀破裂的实质是氢脆。充氢条件下应力弛豫和恒载荷拉伸试验结果表明,氢有引起钢的软化和硬化的双重作用。由于氢的进入所产生的软化作用使钢在屈服强度以下发生塑性变形,但随后的硬化过程又使变形速度逐步减慢。这种由氢的作用引起的在较低应力下发生的塑性变形过程并不直接导致断裂,但塑性变形行为和氢应力破裂行为之间的关系表明,这种变形过程中的位错运动能够帮助氢的移动和向塑变区及裂纹尖端集中,促进氢脆断裂。     

环境诱导氢致断裂的非比例过载效应

研究连续充氢条件下短时非比例过载对４２ＣｒＭｏ钢／０．５ｍｏｌ／Ｌ Ｈ２ＳＯ４体系氢致断裂寿命的影响。结果表明；短时非比例过载对于ＨＩＦ的影响较之比例过载更为严重