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2020-07-21
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金屬材料在疲勞過(guò)程中，試樣內(nèi)部的微觀組織結(jié)構(gòu)、缺陷的形態(tài)、位錯(cuò)組態(tài)等總會(huì)發(fā)生變化。宏觀上有表面粗糙度和表面裂紋等的改變。這些變化必然引起材料本身的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)的變化。這種微觀和宏觀的變化與疲勞的各個(gè)階段密切相關(guān)。近年來(lái)，溫度直接測(cè)量法、聲發(fā)射方法得到了很好的發(fā)展。
新發(fā)展的測(cè)溫方法，可以靈敏地測(cè)量出疲勞試樣表面的溫度變化。把微小的熱敏電阻探頭粘貼在材料試樣上，該熱敏電阻將試樣的溫度變換成相應(yīng)的電阻。采用事先標(biāo)定的電阻值與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系就可得到溫度的變化，靈敏度達(dá)0.001℃。在X52鋼和TiNi形狀記憶合金上的測(cè)試結(jié)果表明，金屬材料在拉伸彈性變形時(shí)，試樣的溫度降低，卸載時(shí)試樣的溫度升高，而在壓縮彈性變形時(shí)，試樣的溫度升高，卸載時(shí)試樣的溫度降低。溫度變化的幅度與彈性應(yīng)變幅呈線性關(guān)系。循環(huán)塑性變形時(shí)，金屬材料試樣的平均溫度隨著循環(huán)周次的增加而持續(xù)升高，最終由于試樣與環(huán)境的溫度差不斷增大，向環(huán)境放熱的速率也不斷增加，試樣的溫度最終穩(wěn)定在一個(gè)固定的值附近。試樣的溫度在一周循環(huán)內(nèi)也發(fā)生波動(dòng)，波動(dòng)的幅度與發(fā)生彈性應(yīng)變時(shí)試樣的溫度波動(dòng)幅度相當(dāng)。
雖然人們已經(jīng)成功地采用聲發(fā)射方法測(cè)量了疲勞裂縫擴(kuò)展，但對(duì)于腐蝕疲勞過(guò)程，特別是對(duì)陽(yáng)極溶解型腐蝕疲勞卻很難獲得理想結(jié)果。對(duì)LY12CZ鋁合金、鎂合金在3.5%NaCl水溶液中不同電位下極化的聲發(fā)射測(cè)量表明，聲發(fā)射事件率與電流密度近似呈線性關(guān)系。電流密度的大小直接影響聲發(fā)射事件的發(fā)生率，說(shuō)明無(wú)論是陽(yáng)極溶解還是鋁合金的陰極腐蝕都能誘發(fā)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和增殖，成為重要的聲發(fā)射源。分析發(fā)現(xiàn)，氫致開(kāi)裂的聲信號(hào)與陽(yáng)極溶解有顯著不同，因此，采用該方法可以明顯地判定腐蝕疲勞過(guò)程的機(jī)制是陽(yáng)極溶解型還是氫脆型。
(一)鎂合金的腐蝕疲勞
鎂合金是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，也是模具配件公司常用的原料之一。由于鎂的蘊(yùn)藏量很高，近年來(lái)鎂的生產(chǎn)成本降低，且比重輕，在全世界的應(yīng)用逐漸增加。鎂合金具有很高的比強(qiáng)度、很好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性、易于回收等許多優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)、汽車等交通運(yùn)輸工具中使用則可節(jié)約大量的能源，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。鎂的自腐蝕電位低，與其他結(jié)構(gòu)材料相比，鎂合金的耐腐蝕性最差，故而常被用做犧牲陽(yáng)極。由于結(jié)構(gòu)件的服役條件通常是在腐蝕環(huán)境下(大氣也是腐蝕性環(huán)境)受到循環(huán)應(yīng)力的作用，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的腐蝕疲勞失效。有關(guān)鎂合金腐蝕疲勞的研究結(jié)果很少，而推動(dòng)鎂合金的應(yīng)用必須有完整的數(shù)據(jù)，深入認(rèn)識(shí)鎂合金的腐蝕機(jī)理，并采用適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。
鎂合金在空氣中的疲勞裂紋源是第二相開(kāi)裂所致。在含氯離子溶液中，蝕坑為疲勞裂紋源。氯離子濃度越高裂紋越易萌生、裂紋擴(kuò)展越快。蝕坑的尖銳程度和蝕坑深度是控制裂紋萌生的兩個(gè)參數(shù)。在深度相近的條件下，尖銳蝕坑比半球形蝕坑更具有損傷性。
力學(xué)因素對(duì)鎂合金的疲勞性能的影響很大。鎂合金腐蝕疲勞過(guò)程中，存在加載頻率效應(yīng)。在一定的加載頻率范圍內(nèi)其疲勞壽命(斷裂循環(huán)周次)隨著頻率的降低而降低。裂紋萌生周次和穩(wěn)定擴(kuò)展周次隨著頻率的增加逐漸增加。并且裂紋萌生周次占疲勞壽命的比例也增加。裂紋萌生時(shí)間也吻合蝕坑裂紋萌生模型。
介質(zhì)濃度對(duì)鎂合金疲勞性能存在很大影響。隨著Cl-濃度的增加，鎂合金的腐蝕疲勞壽命降低。
采用聲發(fā)射測(cè)量后的能量判據(jù)可以有效區(qū)分腐蝕疲勞裂紋萌生壽命、裂紋擴(kuò)展壽命、瞬斷壽命之間的比例關(guān)系。隨著腐蝕介質(zhì)的濃度增加，裂紋萌生比例降低，瞬斷比例增加。前者是因?yàn)闈舛仍黾?，腐蝕速度增加;后者則是由于腐蝕性離子不僅顯著降低材料的拉伸強(qiáng)度，同時(shí)也顯著降低材料的塑性，這樣的降低主要來(lái)自于材料中氫的作用。
(二)核電材料的腐蝕疲勞
輕水堆核電站設(shè)備的服役弱(老)化問(wèn)題貫穿于設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、維護(hù)、延壽及退役的全壽命范圍，尤其是反應(yīng)堆冷卻系統(tǒng)壓力邊界的壽命設(shè)計(jì)、管理和預(yù)測(cè)是影響整個(gè)核電站運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵問(wèn)題之一。保證核電站在壽命期間的結(jié)構(gòu)完整性，主要取決于壓力邊界的安全設(shè)計(jì)、合理選材及物理防護(hù)、老化管理和壽命評(píng)價(jià)等。壓力邊界材料的服役條件為高溫、高壓、輻射、特殊水化學(xué)環(huán)境及承受一定應(yīng)力(熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力等)，其腐蝕疲勞問(wèn)題對(duì)結(jié)構(gòu)完整性和安全性至關(guān)重要。由于缺乏直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)高溫高壓水環(huán)境下核電材料腐蝕疲勞裂紋的起始和擴(kuò)展機(jī)理仍存在很大爭(zhēng)議。從工程設(shè)計(jì)角度，結(jié)構(gòu)完整性首先基于其安全合理的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或曲線。ASME疲勞設(shè)計(jì)曲線及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的核電站壓力邊界的設(shè)計(jì)。但近些年來(lái)美國(guó)、日本和中國(guó)等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在特定環(huán)境和載荷因素的聯(lián)合作用下，核電材料在高溫高壓水中的疲勞壽命比空氣中顯著降低，且降低程度依賴于應(yīng)變速率、水化學(xué)和材料狀態(tài)的變化。說(shuō)明如果按當(dāng)前ASME設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)核電壓力邊界可能存在潛在的安全裕度不足的問(wèn)題。因此，如何在疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中充分考慮材料、力學(xué)、環(huán)境因素的交互作用，是當(dāng)前世界核電材料疲勞設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)亟待解決的難題之一。日本和美國(guó)的研究人員率先開(kāi)展了嘗試研究，最具代表性的是日本TENPES/EFD提出的環(huán)境疲勞壽命校正因子模型和美國(guó)ANL提出的統(tǒng)計(jì)模型。
在借鑒國(guó)外研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)深入認(rèn)識(shí)高溫高壓水腐蝕疲勞開(kāi)裂機(jī)理，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所發(fā)展了植入環(huán)境損傷效應(yīng)的核電關(guān)鍵材料的疲勞壽命設(shè)計(jì)模型，建立了便于工程應(yīng)用的環(huán)境疲勞設(shè)計(jì)曲線及環(huán)境疲勞安全評(píng)估流程，嘗試開(kāi)展了核電站實(shí)際壓力邊界設(shè)備的疲勞損傷評(píng)估和疲勞延壽評(píng)估研究。
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