基于孔蝕試樣裂紋擴展分析的外墻外保溫系統疲勞壽命預測

金延俊

[摘要]腐蝕環境導致腐蝕坑在材料表面形成從而導致疲勞強度顯著降低，疲勞裂紋通常從這些位置開始并傳播。本文提出了一種腐蝕試樣疲勞壽命預測的一般方法，該方法結合了漸近應力強度因子解和冪律腐蝕坑生長函數的影響。鋁合金和鋼材的疲勞壽命試驗數據驗證了所提方法的正確性，即試驗觀測和模型預測吻合良好。

[關鍵詞] CFRP；裂縫分析；ANSYS

文章編號：2095 - 4085（2018） 08 - 0009 - 02

材料的疲勞性能在腐蝕環境中會發生明顯降低，而結構系統的使用壽命中，除了疲勞循環荷載外，還可能經歷各種腐蝕性環境，例如寒冷地區的老化橋梁。腐蝕會降低鋁合金和鋼材的疲勞壽命，疲勞裂紋通常從這些凹坑萌生并擴展，這被稱為疲勞裂紋成核點。為了研究點蝕效應對構件疲勞性能的影響，兩個重要問題亟待解決：（1）如何模擬不同腐蝕環境下的腐蝕坑；（2）如何把腐蝕坑的影響在壽命預測方法中體現出來。

1 壽命預測方法

1.1 考慮缺口效應的漸近應力強度因子解

利用斷裂力學的方法，對疲勞裂紋擴展和壽命預測應用應力強度因子解，通過漸近插值的方法進行詳細推導和驗證，一般如公式（1）。

其中a為裂紋長度，d為缺口深度，Kt為應力集中因子。

1.2腐蝕坑生長函數

腐蝕坑生長函數將腐蝕坑效應納入疲勞壽命的預測，假定腐蝕坑表面凹口為半圓形，且隨著腐蝕時間的增加，由于腐蝕坑的生長，缺口深度也隨之增加。

d= aty

1.3 疲勞壽命計算公式

對于高周疲勞壽命預測，忽略不穩定裂紋擴展部分造成的顯著誤差。其中C，m，？K是擬合參數，參數C取決于材料和應力比R，AK是本征閾值應力強度因子，通過將長裂紋擴展速率數據擴展到1010m/周來估算。所得疲勞壽命Ⅳ可計算為：

2 參數研究

對兩種材料在不同腐蝕條件和應力比下的疲勞壽命（S-Ⅳ曲線）進行試驗測試和數據收集，采用四組Al - 7075的實驗數據驗證了所提出的壽命預測方法。結果表明，該方法能有效地捕捉到預腐蝕效應。

2.1腐蝕環境下持續時間的影響

本文研究了Al -7075 （1）的腐蝕對疲勞性能的影響。無腐蝕試樣（腐蝕時間為零）的疲勞極限為220MPa。以腐蝕條件下的腐蝕極限作為腐蝕持續時間的函數。結果表明，疲勞極限是腐蝕持續時間的非線性函數。隨著腐蝕持續時間從零增加，疲勞極限的初始降低非常顯著。且隨著腐蝕時間的延長，疲勞極限的變化速率（即t的斜率）也隨之增大。當腐蝕時間足夠長，曲線接近一個恒定值。

2.2腐蝕坑深度效應

在所提出的方法中，腐蝕坑被假定為表面缺口。隨著坑深的增加，疲勞強度明顯降低，且呈非線性。當缺口深度從零增加到401m左右時，疲勞極限迅速下降。

2.3應力集中因子kt的影響

腐蝕坑的形狀對疲勞壽命的預測也有一定的作用。在本研究中，假定一個半圓形缺口代表腐蝕坑。應力集中因子的值在3左右。由于腐蝕坑形狀不規則，應力集中可能大于半圓形缺口。結果表明，半圓切口的假設是合理的，不會對最終結果產生很大的影響。

2.4腐蝕坑生長速率系數的影響

在目前的研究中，腐蝕坑生長函數被假定為腐蝕持續時間的線性函數。腐蝕坑生長速率系數a進行研究發現a值越大，腐蝕坑生長越快。Al - 7075例1（96h）的預測結果表明，隨著腐蝕坑生長速率的增加，合金的疲勞強度降低，疲勞極限與腐蝕坑生長速率之間存在非線性關系。隨著坑內生長速率的增加，其疲勞強度快速較低。

3 結語

本文提出了用缺口裂紋擴展分析法對腐蝕試樣進行壽命預測的一般方法，這種方法是基于一個半圓缺口的試樣模型以及漸近缺口應力強度因子的假設。根據目前的研究結果可以得出以下結論：

1）腐蝕環境對疲勞強度有明顯的不利影響，這與腐蝕持續時間呈非線性的函數關系，腐蝕暴露時間短會導致疲勞壽命大幅度下降；

2）對應的缺口的增長率被認為是時間的線性函數，當前的研究多為較小的腐蝕坑，等效切口深度與實際腐蝕深度之間的關系有待進一步研究以及線性函數在其他腐蝕情況下的適用性；

3）點蝕對高周疲勞系統的影響比對中周循環系統的影響大，不同疲勞狀態下強度折減系數不同。目前的研究只考慮一個裂縫從一個腐蝕坑開始，但更復雜的情況，如多坑、坑密度發生變化和集群，所涉及的坑互動效應需要進一步研究。