高强度钢水介质应力腐蚀研究

本文对应力腐蚀试验的WoL型恒位移试样作了评述。并用它测最了四种高强度钢(30CrMnSiNi_2 A、30CrMnSiA、40CrNiMo、ZG-18铸钢)在水介质中的止裂K_(ISCC)以及da/dt。对其中的30CrMnSiNi_2A钢研究了热处理工艺对K_(ISCC)、da/dt的影响,同时探讨了强度和组织的作用。结果表明,对同一类处理,随强度下降K_(ISCC)提高。在相同强度时,等温后回火组织的K_(ISCC)明显比马氏体组织和不回火贝氏体组织高得多。当强度σ_b≤130～140公斤/毫米~2时,裂纹扩展特征发生了变化,da/dt也大幅度下降。当σ_b<110公斤毫米~2时在水介质中不再产生应力腐蚀裂纹。 我们用不同曲率(ρ)的恒位移缺口试样(B=20mm)测量了缺口形成应力腐蚀裂纹的界限应力强度因子K_(ISCC)(ρ),结果表明A是材料常数。对σ_b=160公斤/毫米~2的30CrMnSiNi_2A钢,A=426公斤/毫米、σ_b=140公斤/毫米~2的30CrMnSiA以及40CrNiMo钢的A值更高。 根据实验数据,运用线弹性断裂力学对30CrMnSiNi_2A钢(σ_b=160公斤/毫米~2)螺桩的应力腐蚀断裂进行了定量分析,并提出了提高螺桩安全性的具体办法。     

硫化氢介质中注汽管材的应力腐蚀试验

应力腐蚀门槛值是评价管道抗应力腐蚀能力的重要性能参数。采用胜利油田现场使用的20g、13CrMo44、ST45．8、ST45．8．Ⅵ注汽管材，制作含有预制裂纹的恒位移双悬臂梁（DCB）试件，在H2S介质中进行了应力腐蚀试验，得到4种钢材的应力腐蚀门槛值KISCC和应力腐蚀裂纹扩展速率da／dt。试验结果表明，ST45-Ⅳ钢的KISCC值最大，裂纹扩展速率最小，具有较强的抗应力腐蚀开裂能力。含碳量低、减少块状铁素体，细化组织有利于提高管材抗应力腐蚀的能力，管材在硫化氢介质中的应力腐蚀开裂属于氢致开裂和阳极溶解型混合开裂。     

钢在H_2S中的应力腐蚀机构

用抛光的WOL型恒位移试样跟踪观察了各种低合金钢在H_2S中应力腐蚀裂纹产生和扩展的规律。结果表明:当钢的强度和K_I均大于临界值之后,在裂纹前端将会发生滞后塑性变形,即裂纹前端塑性区的大小及其变形量将随时间延长而逐渐增加,当这种滞后塑性变形发展到临界状态时就会导致应力腐蚀裂纹的产生和扩展。 对超高强钢来说,当这个滞后塑性区闭合后应力腐蚀裂纹就在其端点形核,随着滞后塑性变形的发展,这些不连续的应力腐蚀裂纹逐渐长大并互相连接。对强度较低的钢,随滞后塑性变形的发展,应力腐蚀裂纹沿着滞后塑性区边界向前扩展。 已经证明这个滞后塑性变形是由氢引起的,称作氢致滞后塑性变形。 利用WOL型试样测量了在H_2S气体以及H_2S饱和水溶液中的K_(ISCC)和da/dt研究了它们随强度变化的规律,以及阴极极化和阳极极化对超高强钢K_(ISCC)和da/dt的影响。     

低合金钢水介质中的应力腐蚀机构

用抛光的恒位移试样对不同钢种、不同强度的高强钢在水介质中应力腐蚀裂纹的产生和扩展进行了金相跟踪观察。结果表明:超高强钢(σ_b≥160公斤/毫米~2的30CrMnSiNi_2A,ZG-18铸钢)应力腐蚀时,裂纹前端塑性区逐渐扩大,闭合后形成不连续裂纹,以后随塑性区中变形量增大主裂纹扩展並与新裂纹相连。当强度降低时,(σ_b≤138公斤/毫米~2的30CrMnSiNi_2A,40CrNiMoA,30CrMnSiA)塑性区随时间增大,但不闭合,随其变形量增大,原裂纹沿弹塑性边界向前扩展。强度更低(σ_b<110公斤/毫米~2的30CrKnSiNi_2A,σ_b≤120公斤/毫米~2的40CrNiMoA)塑性区不增大,裂纹也不扩展。 同样试样在电解充氢条件或干氢条件下,加载裂纹前端同样能产生滞后塑性变形,而且裂纹产生和扩展的情况完全和水介质中类似。由此可知,裂纹前端滞后塑性变形是由氢引起的。 高强钢或超高强钢在水介质中应力腐蚀的机构如下:阴极放氢,它进入裂纹前端引起滞后塑性变形,从而导致裂纹的产生和扩展。     

2．25Cr1Mo钢在硫化氢溶液中的应力腐蚀开裂研究

本文用楔形张开加载（WOL）预裂纹试样进行了2．25Cr1Mo材料在硫化氢水溶液中的抗应力腐蚀试验,研究了2．25Cr1Mo钢在不同浓度硫化氢溶液中的抗应力腐蚀性能。试验测定了2．25Cr1Mo钢在500ppm,1000ppm H2S溶液下的应力腐蚀临界应力强度因子Ksoc和应力腐蚀裂纹扩展速率da／dt。结果表明,随着H2S浓度的升高,2．25Cr1Mo钢的应力腐蚀临界应力强度因子Ksoc下降,应力腐蚀裂纹扩展速率da／dt增大,抗应力腐蚀的寿命缩短。     

残余奥氏体对40CrNiMoA钢应力腐蚀和腐蚀疲劳裂缝扩展速率的影响

影响高强度钢在水介质中的应力腐蚀和腐蚀疲劳裂缝萌生和扩展特性的因素甚多。本文研究了残余奥氏体含量对40CrNiMoA 钢在蒸馏水中的应力腐蚀和腐蚀疲劳裂缝扩展速率的影响,采用1200℃奥氏体化和870℃奥氏体化以及冰冷处理以获得不同的残余奥氏体含量。实验结果表明在同样的载荷、环境、材质和奥氏体化温度条件下,残余奥氏体是影响40CrNiMoA 钢的应力腐蚀和腐蚀疲劳裂缝扩展速率的重要因素,残余奥氏体的存在将使裂纹扩展减慢。     

压力容器钢材在硝酸铵溶液中的应力腐蚀试验研究

采用由 4种不同的压力容器钢材制成的含有预制裂纹的恒位移双悬臂梁 (DCB)试件 ,在沸腾的NH4NO3溶液中进行了应力腐蚀试验 ,得到 4种钢材的应力腐蚀门槛值KISCC。试验结果表明 ,ST4 5 .8 Ⅵ钢的KISCC值最大 ,它具有较强的抗应力腐蚀开裂能力。 4种钢材的腐蚀区均属脆性破坏 ,具有明显的晶间腐蚀开裂特征     

高强系泊链钢在二氧化硫污染海洋大气环境下的应力腐蚀行为

随着陆地油气资源枯竭,越来越多的国家正在寻求开发利用海洋资源。为避免海上石油平台在海啸、台风和巨浪等恶劣环境倒塌,抗拉强度高达1000 MPa的R5级系泊链钢被广泛应用于海上石油平台。然而,以往的研究证明应力腐蚀开裂是导致系泊链钢失效的主要因素。因此,研究系泊钢的应力腐蚀过程具有重要意义。本文旨在研究海洋大气环境下硫化物浓度对系泊链钢应力腐蚀行为的影响规律及机制。本文采用了慢应变速率拉伸、电子背散射衍射和扫描电镜研究了硫化物浓度对系泊链钢应力腐蚀行为的影响规律,采用了电化学极化、X射线光电子能谱和X射线能谱等手段研究了不同硫化物浓度对系泊链钢腐蚀行为的影响,以此为基础阐明了高强系泊链钢在海洋大气环境下的应力腐蚀机制。研究结果表明,随着模拟海洋大气环境中SO₂污染程度的增加,腐蚀电流密度增大,腐蚀产物致密性更高,更易萌生点蚀。随着模拟海洋大气环境中SO₂污染程度的增加,系泊链钢的应力腐蚀敏感性增大。断口结果表明应力腐蚀裂纹萌生于点蚀,裂纹以沿晶和穿晶混合的方式扩展。由此总结系泊链钢在该环境下的应力腐蚀由阳极溶解机制和氢脆机制共同控制。     

管道高周腐蚀疲劳损伤模型与数值模拟研究

根据疲劳与应力腐蚀损伤的耦合效应,利用非线性累积原理,构建了金属材料的高周疲劳损伤演化模型。以API X65管道钢为研究对象,结合实验确定了腐蚀疲劳损伤演化参数。利用ABAQUS软件二次开发模拟了含不同腐蚀坑形状的管材试样腐蚀的疲劳损伤演化与裂纹萌生过程,探讨了腐蚀疲劳裂纹萌生对腐蚀坑形貌的敏感性。结果表明：腐蚀坑宽度与深度相同时,半椭球型腐蚀坑试样腐蚀疲劳裂纹萌生寿命最长,圆台型与圆锥型次之,矩形体腐蚀坑试样裂纹最先萌生;半椭球体腐蚀坑试样应力腐蚀损伤对总损伤的贡献量始终大于疲劳损伤,而对于其他类型腐蚀坑,腐蚀疲劳裂纹萌生主要源于疲劳损伤的累积。     

超高强钢的滞后破环

用WOL和悬臂梁试样研究了高强度镀镉钢35°CrMnSiA,并确定了钢中和镀层中的氢量。镀层富氢,在200℃通过光亮,致密镀层脱氢很慢,钢中氢量起初升高,2—2.5小时后达到峰值,然后下降。钢的滞后破坏性能取决于钢中氢量,当钢中氢量达到峰值时,其KISCC最小,da/dt最大。为了提高武器质量,有必要延长脱氢时间。     

13.9级ADF1发动机螺栓的延迟断裂分析

以l0．9级42CrMo表面磷化处理螺栓为对比,采用拉伸延迟断裂试验法,在空气和3．5％NaCl水溶液中对13．9级ADF1表面DAC处理螺栓进行延迟断裂试验,并用扫描电镜对延迟断裂断口特征进行了微观观察。试验结果表明,13．9级ADF1螺栓具有高的延迟断裂强度,在大气中的断口形貌主要是韧窝,在3．5％NaCl水溶液中呈现韧窝和沿晶的混合形貌。     

过滤器连接螺栓断裂失效分析

某防喷器油路过滤器SCM435连接螺栓在使用过程中发生断裂,造成过滤器无法正常工作。为查找连接螺栓失效原因,采用金相显微镜、拉伸试验机、冲击试验机、显微硬度计、扫描电子显微镜和能谱仪等测试手段,研究了断裂和未断裂螺栓的显微组织、化学成分、硬度、力学性能和断口形貌。结果表明：断裂和未断裂螺栓的组织均为回火索氏体和铁素体,断裂螺栓夹杂物较多,碳含量偏高,断裂螺栓的硬度和力学性能均低于未断裂螺栓。断裂螺栓断口在平行和斜45°角的两个断面,表现为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂形式,断裂源起源于内部。可见断裂螺栓是由于内部的碳化物等脆性相的不均匀分布,在持续外力作用下,优先形成裂纹源,随着裂纹的扩展而导致螺栓最终断裂。     

铁路钢桥高强度紧固螺栓断裂分析及防护

为探求高强度紧固螺栓发生断裂的原因,对某铁路钢桥上断裂的紧固螺栓进行了失效分析。利用扫描电子显微镜、能量色散X射线谱、金相显微镜、洛氏硬度仪、X射线荧光光谱仪、电子万能试验机等技术手段,对铁路钢桥失效螺栓的断口形貌、断口微区成分、显微组织、硬度、螺栓用钢的成分以及力学性能等方面进行分析与研究。结果显示：螺栓用钢的化学成分、硬度及力学性能均符合国家标准要求;螺栓断口起裂区存在树枝状裂纹,裂纹内部有含硫的腐蚀产物,且螺栓工作时所受外力为交变载荷。因此,螺栓的断裂是在交变载荷下发生的腐蚀疲劳断裂。螺栓断裂的初始裂纹源位于螺杆上螺纹的根部或螺柱与螺母连接位置的根部,为由硫元素引起的应力腐蚀裂纹。此研究为防止螺栓发生应力腐蚀裂纹及衍生病害提供了理论依据。     

往复荷载下钢管与螺栓球组配试件超低周疲劳断裂试验研究

为探索螺栓球网格结构强震下的破坏特征,对五个螺栓球节点管球组配试件进行了轴向往复荷载作用下的超低周疲劳断裂试验研究。通过电镜扫描观察试件超低周疲劳破坏的裂纹萌生、扩展、断裂、断口形态,并分析了裂纹萌生原因、断裂机理。结果表明:当承受拉-压循环荷载时,试件均经历失稳弯曲、在杆件中点附近局部凹陷、在凹陷处表面萌生裂纹、进一步开裂、最后发生低周疲劳断裂的过程;其断口形状为椭圆,有明显塑性变形,为韧性断裂,疲劳寿命均很短。当试件承受较大压幅值的循环荷载时,试件首先失稳弯曲,然后在杆件中点附近局部凹陷,继而在凹陷处表面萌生裂纹,但同时因节点中高强螺栓承受弯剪作用,在螺栓牙底应力集中位置,也多处同时萌生裂纹并迅速发展,最后导致高强螺栓先于杆件局部凹陷处发生疲劳断裂;其断口表面光滑平整,没有明显塑性变形,疲劳寿命只有18次。     

42 CrMoA高强连接螺栓材料与断裂特征

42CrMoA高强连接螺栓广泛用于风机叶片与轮毂的连接,风机叶片结构复杂性和运行波动性导致载荷复杂交变,长时间交变载荷会造成叶片连接螺栓高频疲劳损伤,螺栓的疲劳失效断裂是风机安全运行急需解决重要问题。以某2 MW风力机叶片42CrMoA高强连接螺栓材料为研究对象,利用PLG-50高频疲劳试验机开展不同加载条件下螺栓材料高频疲劳实验研究。研究结果表明,650 MPa载荷下6.444 9×10~6周次后试样尚未断裂,750 MPa载荷下的试样疲劳寿命达1.056 4×10~6周次;疲劳损伤具有多疲劳裂纹起源区特征,试样断裂是由于多源裂纹交汇后形成峰线所导致;在相同的最大应力加载下,应力振幅越高,裂纹扩展速率越大,高频疲劳寿命越低。研究结果对揭示风机螺栓损伤断裂原因和风机安全运行具有重要意义。     

浅埋黄土隧道中系统锚杆支护作用的数值模拟

为了研究系统锚杆在浅埋黄土隧道中的支护效果,以陕西吴堡—子洲高速公路刘家坪5号隧道为依托,利用MIDAS/GTS有限元分析软件分别建立有、无系统锚杆的分析模型,计算分析了6个开挖阶段和截止到二衬施作阶段的隧道变形量,并将数值模拟结果与实测结果进行了对比分析。结果表明:浅埋黄土隧道施工过程中,有系统锚杆的隧道变形值大于无系统锚杆的变形值,这是由于锚杆是在钢架支设后进行打设,锚杆的打设不仅破坏了土体的稳定,而且延误了喷射混凝土和钢架支护的最佳时机,使变形量增加;有、无系统锚杆拱顶下沉和净空收敛的现场实测值基本处于同一数量级,说明在浅埋黄土隧道中系统锚杆的作用不显著,可以取消。     

M30高强螺栓假拧疲劳性能的试验研究

通过对7个M30高强螺栓假拧常幅疲劳性能的试验研究,得到了M30高强螺栓在假拧状况下的疲劳破坏形式;分析了螺栓杆的断口形态,并建立了相应的S-N疲劳曲线以及表达式。最后,与已有的M30高强螺栓全拧的常幅疲劳试验结果对比,得出M30高强螺栓在只拧入3个螺纹的情况下,疲劳强度较全拧高强螺栓的疲劳强度降低了75%。     

钢网架螺栓球节点用高强螺栓的缺口效应分析

在悬挂吊车作用下,螺栓球节点网架的疲劳主要表现为节点的疲劳,而节点的疲劳关键是高强螺栓的疲劳．在影响高强螺栓疲劳性能的众多因素中,应力集中是其发生疲劳断裂的主要原因之一．本文从缺口效应出发,分析了高强螺栓疲劳裂纹的开展．并建立有限元模型,针对钢网架螺栓球节点常用的8种高强螺栓规格进行了单缺口应力集中分析．得到相应的应力集中系数,同时分析了螺纹牙根圆角半径对应力集中的影响,并提出了降低螺纹疲劳缺口敏感性的一些措施,为进一步以热点应力幅建立螺栓球网架疲劳设计方法奠定了基础．     

加载制度对螺栓球节点组合试件低周疲劳性能的影响

为了研究加载制度不同对螺栓球节点组合试件低周疲劳性能的影响,采用4种加载制度对8个相同试件进行轴向往复加载低周疲劳试验,研究了螺栓球节点在不同加载制度下的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、累积耗能以及承载力退化规律。结果表明：在不同加载制度下,螺栓球节点组合试件的破坏形态基本相同,破坏发生在中间螺栓球节点处,经历了弯曲失稳、高强螺栓产生裂纹、裂纹扩展直到最终发生断裂等过程,破坏螺栓有颈缩现象,所有螺栓的螺纹丝扣均有较严重变形与磨损,超低周疲劳寿命很短;加载制度对试件超低周疲劳性能影响显著;试件的滞回曲线为捏拢类型、不饱满、不对称、耗能能力较小;不同加载制度的试件骨架曲线,无论受拉还是受压均基本重合,因损伤积累过程不同断裂点会有所不同;螺栓球节点的抗弯刚度很弱,在所连接的杆件弯曲时会诱发螺栓的折断,引起结构的连续破坏。     

橡胶板式支座锚栓超低周疲劳断裂分析

为研究螺栓球节点橡胶板式支座中锚栓在灾难地震中受弯剪发生超低周疲劳的断裂问题,依国家现行规规范设计并制作了橡胶板式支座模型,采用双向加载法对其进行了大位移超低周疲劳试验,得到了四根锚栓的超低周疲劳破坏形态。并从宏、微观角度对锚栓断口进行了分析。结果表明：在往复荷载下,锚栓发生无明显塑性变形的较突然性断裂,为超低周破坏形态,其断口存在疲劳源区、扩展区和瞬断区等典型的疲劳断裂特征,且不同位置锚栓的受力方向和裂纹起裂时间、扩展速率均不同;同一锚栓断口上韧性断裂与脆性断裂特征并存,但总体均表现为偏脆性断裂。