海水环境下高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展研究

发布时间：2017-09-05 22:30

  本文关键词：海水环境下高强钢腐蚀疲劳裂纹扩展研究

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【摘要】：海洋结构物在海水环境中遭受着腐蚀和疲劳的双重耦合作用,其损伤程度远远超过单一损伤。随着深海油气的开发,高强钢材料在海洋工程上的需求日渐加速,其腐蚀疲劳裂纹扩展作为海洋结构物全寿命周期健康评估的重要阶段始终受学术界的广泛关注。然而由于其机理复杂,现象多变,受环境、载荷、材料、温度等诸多因素的共同作用,目前没有学术界认可的机理和可行的工程化评估方法,因此,从其本质出发,给出腐蚀疲劳裂纹扩展新模型尤为重要。 腐蚀疲劳裂纹扩展速率受应力腐蚀开裂影响严重,阳极溶解和氢致开裂是腐蚀环境对裂纹扩展加速的两大本质现象。由于高强钢材料对氢致开裂更为敏感,本文从氢致开裂的本质出发,首先研究了氢致开裂的氢致局部塑变理论(HELP)的实验现象和经验公式以及算例验证,然后通过数值模拟计算裂纹尖端氢浓度分布。考虑氢扩散对其张力位移法则(TSL)法则参数的重要影响,采用内聚力模型(CZM),进行ABAQUS内聚力单元裂纹扩展的数值模拟,得到不同氢浓度下的最大拉伸应力降幅比,由于材料在氢扩散的影响下,抵抗损伤的能力减弱,从而加速裂尖单元损伤,进而提高了裂纹扩展速率。 同时,本文考虑了阳极溶解在每次循环载荷作用后裂纹尖端的腐蚀量,将其与氢致开裂同时考虑,基于不同屈服强度的材料,对两者的敏感度不同,合理给出了应力腐蚀开裂的相关表达式。 最后,本文提出了腐蚀疲劳裂纹扩展新模型,考虑纯机械疲劳裂纹扩散和应力腐蚀开裂两者的耦合作用,在传统的Paris叠加模型上,考虑了两者的竞争关系,引入环境因子的概念,其与应力强度因子幅值和材料的断裂韧性以及加载频率等息息相关。在一定程度上体现腐蚀对疲劳裂纹扩展的促进作用。并通过不同屈服强度的材料得到的实验数据,进行新模型的验证,得到了较好的吻合结果,新模型具有一定的工程意义。
【关键词】：腐蚀疲劳裂纹扩展 HELP 氢致开裂 CZM 新模型
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U674.38;U672.72
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-21
• 1.1 研究背景及意义9
• 1.2 国内外研究概况及发展趋势9-19
• 1.2.1 CFCP机理10-12
• 1.2.2 CFCP影响因素12-15
• 1.2.3 CFCP模型15-19
• 1.3 本文研究思路19-21
• 2 断裂力学理论基础21-27
• 2.1 常见裂纹类型21
• 2.2 线弹性断裂力学21-23
• 2.2.1 应力强度因子21-22
• 2.2.2 断裂韧性22
• 2.2.3 裂纹尖端塑性区22-23
• 2.3 弹塑性断裂力学23-27
• 2.3.1 J积分概述24-25
• 2.3.2 裂纹尖端张开位移(CTOD)25-27
• 3 HELP机理研究27-38
• 3.1 氢致开裂机理——HELP27-29
• 3.1.1 HELP机理27
• 3.1.2 HELP实验现象27-28
• 3.1.3 HELP应用公式28-29
• 3.2 拉伸试件HELP模拟29-32
• 3.2.1 有限元模型概述30-31
• 3.2.2 结果分析31-32
• 3.3 裂纹尖端氢浓度计算32-37
• 3.3.1 应力作用下的氢扩散计算32-34
• 3.3.2 边界条件及载荷34-35
• 3.3.3 结果分析35-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 氢致开裂数值模拟38-54
• 4.1 内聚力模型38-40
• 4.1.1 CZM简介38-39
• 4.1.2 TSL法则39-40
• 4.2 相关研究40-41
• 4.3 氢浓度分布对CZM模型参数的影响41-47
• 4.4 CZM数值模拟47-53
• 4.4.1 有限元模型47-49
• 4.4.2 结果分析49-53
• 4.5 本章小结53-54
• 5 新腐蚀疲劳裂纹扩展模型54-66
• 5.1 阳极溶解54-56
• 5.2 氢致开裂56-58
• 5.3 新模型58-65
• 5.3.1 频率的影响62-64
• 5.3.2 应力比的影响64-65
• 5.4 本章小结65-66
• 6 新模型验证66-79
• 6.1 X60材料在新模型中的验证66-72
• 6.1.1 应力腐蚀开裂速率66-67
• 6.1.2 裂纹扩展速率公式拟合67-70
• 6.1.3 环境因子影响与新模型验证70-72
• 6.2 AH36钢在新模型中的验证72-78
• 6.2.1 应力腐蚀开裂速率73-74
• 6.2.2 裂纹扩展速率公式拟合74-77
• 6.2.3 环境因子影响与新模型验证77-78
• 6.3 本章小结78-79
• 结论79-80
• 参考文献80-83
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况83-84
• 致谢84-85

【参考文献】

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本文编号：800579