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海洋工程用低合金钢的服役环境十分复杂和恶劣。在盐雾、海水等腐蚀环境与海浪、台风、海流以及海冰等周期性交变载荷的长期共同作用下,海洋用钢容易发生疲劳和腐蚀疲劳失效,严重影响海洋钢结构的安全和使用寿命。在海洋各个区带中,浪花飞溅区的腐蚀环境最苛刻,焊接接头通常存在缺陷和残余应力,导致它们成为发生疲劳和腐蚀疲劳失效的敏感部位。实验室研究和现场检测都发现,疲劳和腐蚀疲劳裂纹通常萌生于夹杂物、点蚀和焊接缺陷等薄弱环节。本论文主要研究了循环应力和腐蚀环境对A537钢点蚀长大行为的影响,夹杂物和加载方向对A537钢疲劳行为的影响,以及A537钢焊接接头的疲劳和腐蚀疲劳行为。
夹杂物在疲劳失效过程中起着重要作用。本文研究了夹杂物对A537钢疲劳性能的影响。研究结果表明,夹杂物在最大主应力平面上的投影面积随着加载方向与轧制方向之间夹角角度的增加而迅速增加。伴随而来的是,裂纹萌生位置从基体表面转变为内部夹杂物(MnS和Al2O3),从单裂纹源转变为多裂纹源。从而导致A537钢具有明显各向异性的疲劳性能。研究结果还表明,在双对数图中,裂纹源区域的夹杂物面积和疲劳寿命有很好的线性关系。A537钢的疲劳极限可以通过经验公式、Murakami公式和修正后的Murakami公式进行预测,预测值与实验值比较吻合。
研究了A537钢在空气、人工海水循环滴流和连续喷雾环境中的疲劳性能。研究表明人工海水环境造成A537钢的疲劳强度显著下降。主要原因为A537钢在人工海水环境中,很容易因MnS夹杂物而产生点蚀。在循环应力的作用下,疲劳裂纹通常从多个点蚀处萌生,导致裂纹萌生寿命降低。多裂纹之间以及和点蚀的交互作用还会提高裂纹扩展速率,最终导致A537钢的疲劳强度显著下降。在连续喷雾环境中,氧含量充分,加快了阴极和阳极反应速率,从而促进点蚀生长和降低裂纹萌生寿命,最终导致连续喷雾环境对A537钢疲劳强度的下降作用明显高于循环滴流所起的作用。
通过激光共聚焦显微镜和有限元分析,研究了A537钢萌生于MnS夹杂物处的点蚀在循环应力作用下的长大行为。研究结果表明,在循环应力的作用下,点蚀呈现出各向异性的长大行为。在垂直于加载轴方向,点蚀具有更高的长大速率。有限元分析表明点蚀引起的局部塑性应变在点蚀长大过程中起着重要作用。点蚀在垂直于加载轴方向的长大动力学主要由塑性应变决定。点蚀在长大过程中还会发生聚合现象,进一步增加点蚀的长大速率。
疲劳实验条件对点蚀长大行为有很大的影响。循环应力幅促进点蚀的长大,并且随着应力幅的增加,促进作用也愈加明显。主要原因为,在高应力幅的作用下,点蚀及其周围会产生更大的局部应力和应变集中,从而促进点蚀的长大。在同样的加载条件下,与循环滴流相比,连续喷雾环境中的氧含量充分,因而显著促进点蚀的长大。在两种环境中点蚀的三维尺寸几乎相差一个数量级。
研究了A537钢焊接接头在空气、循环滴流和连续喷雾三种环境中的疲劳性能。研究结果表明,在同样的实验条件下,A537钢焊接接头的疲劳强度明显低于母材的疲劳强度。一部分焊接接头存在着夹渣等缺陷,从而使焊接接头成为薄弱环节。在疲劳过程中,这些缺陷优先成为裂纹源,导致A537钢焊接接头疲劳强度下降和S-N曲线数据分散性增大。疲劳强度下降程度与夹渣尺寸关系密切。夹渣尺寸越大,下降效果越明显。当夹渣尺寸非常小时,对疲劳强度几乎没有什么影响。