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作者: 詹思远1，郑百林1，席强1
来源: 中国腐蚀与防护网
发布时间: 2018-03-05
关键词: 钛合金, 应力腐蚀, 深海环境, 应力诱导扩散, 裂纹尖端
领域: 腐蚀领域
摘要: 带裂纹钛合金压力容器在深海环境中的氢致应力腐蚀分析
正文: 0 引言海洋被称为“二十一世纪的资源”，随着人们对海洋的认识不断地加深，对海洋的探索也在急速地发展，具有高强度和良好耐腐蚀性能的钛合金在深海探索中被大量应用。钛合金的抗腐蚀性能十分优异，这是得益于它的表面能够非常迅速地形成一层钝化膜，从而防止进一步的腐蚀[1,2,3]；但是海水的成分十分复杂，钝化膜在其中很容易遭到破坏，导致钛合金在其中易发生应力腐蚀，力学性能受到极大的影响从而直接缩短材料的服役寿命[4]；所以，针对钛合金在深海环境中的应力腐蚀现象进行研究，对于延长材料服役寿命、增强其安全性等方面都是十分重要的。应力腐蚀现象指的是材料在应力与腐蚀的共同作用下产生严重的损坏，它受到众多因素影响，例如温度，外部介质，压强等等[1]。金属在应力腐蚀的作用下，经过一段时间后往往会发生低应力的脆断，称作应力腐蚀开裂（SCC）[5]。这种破坏形式极其难以预防，因为在发生开裂之前往往没有明显的现象。发生应力腐蚀需要几个特定的条件：特定的介质、金属自身的成分以及一定的应力水平。在深海环境下，钛合金发生的应力腐蚀主要是由海水中的氢所引起的，海水中氢通过吸附就可以进入金属；氢与金属的晶格发生相互作用，从而改变金属的力学性能，此外，氢与金属晶格中一些缺陷的相互作用也会有影响[6]；力学性能的改变主要表现之一就是延展性会降低，这样就导致金属容易发生氢致应力腐蚀开裂，而氢浓度又可进一步影响裂纹的扩展。对于氢与金属到底是如何相互作用而影响其力学性能的机理现在众说纷纭，比较主流的有氢压理论和氢降低表面能理论等，虽然现在还没有定论哪种说法是正确的，但是氢浓度对金属脆性有着影响却是被公认的[7]。目前针对应力腐蚀现象的研究中，Yokobori 对考虑应力影响的氢的扩散方程给出了解答，K. Takayama 研究了带裂纹钢制管道在内压作用下的裂纹尖端氢浓度分布情况，并考虑了弹塑性以及大变形应力场与氢扩散的耦合；A. Díaz 研究了氢扩散对于高强度钢的疲劳寿命影响；Hirokazu Kotake 研究了在循环荷载作用下，考虑塑性的裂纹尖端氢浓度情况；Sofronis建立了由氢扩散导致金属软化的理论模型[7]；胡建朋等通过实验模拟了特定型号不锈钢在海水中的应力腐蚀行为[4]，其余的大多数研究均集中于金属的焊接接头位置在考虑残余应力的情况下氢扩散的情况，且只能对破坏情况作出定性地预测。本文主要研究在深海环境中，不同压强对由氢致应力腐蚀所造成的钛合金带裂纹容器的应力分布情况的影响，不考虑应力与氢扩散的耦合，将应力场作为氢扩散的初始条件；由于深海环境实验难以进行，故利用 Comsol Multiphysics 软件，采用数值模拟方法对考虑应力腐蚀的应力分布进行模拟 1 理论模型 2 有限元模型本文研究深海环境下压强对于金属裂纹尖端氢扩散的影响，由式……可知，金属中的静水应力对于通量 J 有影响。利用 Comsol 软件进行模拟，选择固体力学模块与偏微分方程模块，将金属在压强作用下的应力场作为氢扩散的初始应力场。 2.1 有限元分析流程依据文献[9]建立模型，选取圆形管道的一个截面建立二维模型，考虑平面应变情况，在管道内表面有一处裂纹，裂纹长度为管道厚度的 5%，裂纹处的齿根圆半径为 0.5mm。模型如图 1，图 2 为裂纹处放大图：本文依据文献，近似将氢在金属不同区域的扩散系数看做常数，即可以将钛合金看作是均匀的各向同性扩散体；本文中的氢扩散是只考虑来自金属外部的氢，且氢在扩散过程中以原子形式存在，不形成氢分子[10]；管道外表面压强为深海中的压强，内表面压强设置为一个大气压。 2.2 参数设置文中考虑的钛合金力学性能参数与氢扩散的参数如表 1 所示： 3 模拟结果及分析试件在三种工况下的应力状态如图 3（a）-图 3（b）所示：在三种不同外部压强的工况下，最大 Mises 应力均出现在裂纹尖端处；在氢向金属内部扩散的过程中，最大氢浓度也出现在裂纹尖端处；且外部压强越大，氢在裂纹尖端聚集的情况也就越严重。 4 结论（1）对于试验方法不能模拟的深海环境，可以利用有限元方法对其进行计算，然后预测其材料性能会发生的变化（2）深海环境下，氢在金属的裂纹尖端处聚集，随着压强的增大这种情况更加严重；这也就导致氢金属在裂纹处活度更高，更容易发生氢脆效应，从而导致裂纹进一步扩展。更多关于材料方面、材料腐蚀控制、材料科普等方面的国内外最新动态，我们网站会不断更新。希望大家一直关注中国腐蚀与防护网http://www.ecorr.org 责任编辑：王元《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事投稿联系：编辑部电话：010-62313558-806 邮箱：fsfhzy666@163.com 中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414

带裂纹钛合金压力容器在深海环境中的氢致应力腐蚀分析

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