腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹扩展机理研究

摘要

腐蚀疲劳是金属材料在交变应力与腐蚀介质共同作用下发生断裂破坏的过程。工程中存在各种承受循环载荷的结构，如海洋结构、石油化工设备、飞机结构等，其服役环境都具有不同程度的腐蚀性。腐蚀性环境会降低材料的断裂韧性，加快裂纹的萌生与扩展，降低结构服役寿命。腐蚀疲劳已成为工程中各种承受循环载荷结构面临的严重问题，腐蚀疲劳性能研究也成为工程结构耐久性与完整性设计的重要内容。迄今为止，有关腐蚀疲劳的理论与应用都得到了迅速的发展，但由于腐蚀疲劳过程非常复杂，涉及到力学、化学、电化学、金属材料学及冶金学等众多学科内容，还有许多问题没能得到很好的解决，绝大多数研究实际上只停留在实验规律的摸索方面，虽然也有不少关于腐蚀机理分析的研究，但仍缺少基于腐蚀疲劳机理及热力学平衡理论的腐蚀疲劳评价方法。随着航天、海洋工程的飞速发展，结构腐蚀疲劳问题将更为突出，而现有研究成果远不能满足实际工程应用的需要。
　　 本论文结合腐蚀电化学原理、热力学原理，对材料腐蚀疲劳过程中点蚀演化、裂纹成核以及裂纹扩展过程进行机理研究。在此基础上进行腐蚀疲劳损伤研究，并建立合理的腐蚀疲劳损伤演化律。本文主要内容如下:
　　 (1)根据热力学基本原理，结合腐蚀疲劳点蚀演化和裂纹扩展的力学-电化学过程，建立腐蚀疲劳点蚀演化和裂纹扩展过程中的热力学基本方程，获得点蚀演化与裂纹扩展过程的热力学判据。
　　 (2)利用双变量半椭圆点蚀模型，建立腐蚀疲劳点蚀演化及裂纹成核的二维模型。建立点蚀演化过程中体系的热力学势函数，导出点蚀形状参数随点蚀深度的演化规律。根据裂纹成核的应力强度因子准则与位错理论，建立腐蚀疲劳裂纹成核临界条件，对腐蚀疲劳裂纹成核寿命进行定性分析。在此基础上进行腐蚀疲劳点蚀演化以及裂纹成核的三维理论模型分析。
　　 (3)根据腐蚀环境促进疲劳裂纹尖端阳极溶解与降低裂纹表面自由能的机理，建立腐蚀疲劳裂纹扩展过程的能量守恒方程，推导腐蚀疲劳裂纹扩展速率的显式方程。定性分析了阳极溶解、裂尖金属自由能下降以及循环载荷参数对腐蚀疲劳裂纹扩展速率与裂纹扩展寿命的影响。
　　 (4)设计LY12CZ铝合金三点弯曲腐蚀疲劳裂纹扩展试验，研究腐蚀环境、循环载荷频率、应力比以及腐蚀溶液pH值等参数对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响。
　　 (5)基于损伤力学理论，进行腐蚀疲劳损伤研究。将腐蚀疲劳损伤处理成应力腐蚀损伤与疲劳损伤的非线性累加，利用LY12CZ铝合金试验结果确定相关损伤参数，建立腐蚀疲劳损伤演化律方程，形成基于损伤演化律的腐蚀疲劳寿命评价模型。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．1．1 腐蚀疲劳裂纹的萌生

1．1．2 腐蚀疲劳裂纹的扩展

1．2 研究现状

1．2．1 腐蚀疲劳裂纹成核研究

1．2．2 腐蚀疲劳裂纹扩展研究

1．3 本文的主要研究工作

第二章 腐蚀疲劳电化学热力学原理

2．1 引言

2．2 腐蚀反应的热力学基础

2．2．1 腐蚀反应的热力学判据

2．2．2 腐蚀反应的驱动力

2．3 腐蚀疲劳的电化学过程

2．3．1 点蚀发生机理及电化学过程

2．3．2 腐蚀疲劳裂纹扩展的电化学过程

2．4 点蚀演化与裂纹扩展过程中的热力学原理

2．4．1 热力学第一定律

2．4．2 热力学第二定律

2．5 本文小结

第三章 腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹成核的二维模型

3．1 引言

3．2 点蚀坑演化模型

3．3 点蚀演化过程的热力学原理

3．3．1 点蚀演化过程的热力学势

3．3．2 点蚀的演化过程

3．3．3 点蚀演化的敏感性分析

3．4 腐蚀疲劳裂纹起始寿命

3．4．1 腐蚀疲劳裂纹成核的应力强度因子准则

3．4．2 腐蚀疲劳裂纹成核的能量准则

3．4．3 临界点蚀形貌与腐蚀疲劳裂纹成核寿命

3．5 本章小结

第四章 腐蚀疲劳点蚀演化与裂纹成核的三维模型

4．1 引言

4．2 三维点蚀演化模型与热力学势

4．2．1 点蚀演化模型

4．2．2 点蚀演化过程中的热力学势

4．3 点蚀形貌演化规律分析

4．3．1 点蚀演化规律

4．3．2 应变能、表面能对点蚀演化的影响

4．4 裂纹成核与起始寿命

4．5 本章小结

第五章 腐蚀疲劳裂纹扩展理论研究

5．1 引言

5．2 腐蚀疲劳裂纹扩展的能量原理

5．2．1 腐蚀疲劳裂纹扩展模型

5．2．2 裂纹扩展中的能量原理

5．3 腐蚀疲劳裂纹扩展速率

5．4 腐蚀疲劳裂纹扩展寿命

5．5 本章小结

第六章 腐蚀疲劳裂纹扩展试验研究

6．1 引言

6．2 腐蚀疲劳裂纹扩展试验

6．2．1 试验目的及技术要求

6．2．2 腐蚀疲劳试验设计

6．2．3 腐蚀疲劳扩展试验

6．3 试验结果分析与讨论

6．3．1 试验结果处理

6．3．2 裂纹扩展速率参数分析

6．3．3 腐蚀环境促进裂纹扩展机理分析

6．4 本章小结

第七章 腐蚀疲劳损伤演化理论研究

7．1 引言

7．2 腐蚀疲劳破坏敏感性研究

7．2．1 疲劳破坏的特征长度理论

7．2．2 引入腐蚀疲劳破坏特征长度的可行性

7．3 腐蚀疲劳损伤及损伤演化律

7．3．1 应力腐蚀损伤模型

7．3．2 腐蚀疲劳损伤演化律

7．3．3 腐蚀疲劳损伤演化实例

7．4 本文小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文