0 引 言

    海洋被稱為“二十一世紀的資源”，隨著人們對海洋的認識不斷地加深，對海洋的探索也在急速地發展，具有高強度和良好耐腐蝕性能的鈦合金在深海探索中被大量應用。鈦合金的抗腐蝕性能十分優異，這是得益于它的表面能夠非常迅速地形成一層鈍化膜，從而防止進一步的腐蝕[1,2,3]；但是海水的成分十分復雜，鈍化膜在其中很容易遭到破壞，導致鈦合金在其中易發生應力腐蝕，力學性能受到極大的影響從而直接縮短材料的服役壽命[4]；所以，針對鈦合金在深海環境中的應力腐蝕現象進行研究，對于延長材料服役壽命、增強其安全性等方面都是十分重要的。

    應力腐蝕現象指的是材料在應力與腐蝕的共同作用下產生嚴重的損壞，它受到眾多因素影響，例如溫度，外部介質，壓強等等[1]。金屬在應力腐蝕的作用下，經過一段時間后往往會發生低應力的脆斷，稱作應力腐蝕開裂（SCC）[5]。這種破壞形式極其難以預防，因為在發生開裂之前往往沒有明顯的現象。發生應力腐蝕需要幾個特定的條件：特定的介質、金屬自身的成分以及一定的應力水平。

    在深海環境下，鈦合金發生的應力腐蝕主要是由海水中的氫所引起的，海水中氫通過吸附就可以進入金屬；氫與金屬的晶格發生相互作用，從而改變金屬的力學性能，此外，氫與金屬晶格中一些缺陷的相互作用也會有影響[6]；力學性能的改變主要表現之一就是延展性會降低，這樣就導致金屬容易發生氫致應力腐蝕開裂，而氫濃度又可進一步影響裂紋的擴展。

    對于氫與金屬到底是如何相互作用而影響其力學性能的機理現在眾說紛紜，比較主流的有氫壓理論和氫降低表面能理論等，雖然現在還沒有定論哪種說法是正確的，但是氫濃度對金屬脆性有著影響卻是被公認的[7]。

    目前針對應力腐蝕現象的研究中，Yokobori 對考慮應力影響的氫的擴散方程給出了解答，K. Takayama 研究了帶裂紋鋼制管道在內壓作用下的裂紋尖端氫濃度分布情況，并考慮了彈塑性以及大變形應力場與氫擴散的耦合；A. Díaz 研究了氫擴散對于高強度鋼的疲勞壽命影響；Hirokazu Kotake 研究了在循環荷載作用下，考慮塑性的裂紋尖端氫濃度情況；Sofronis建立了由氫擴散導致金屬軟化的理論模型[7]；胡建朋等通過實驗模擬了特定型號不銹鋼在海水中的應力腐蝕行為[4]，其余的大多數研究均集中于金屬的焊接接頭位置在考慮殘余應力的情況下氫擴散的情況，且只能對破壞情況作出定性地預測。

    本文主要研究在深海環境中，不同壓強對由氫致應力腐蝕所造成的鈦合金帶裂紋容器的應力分布情況的影響，不考慮應力與氫擴散的耦合，將應力場作為氫擴散的初始條件；由于深海環境實驗難以進行，故利用 Comsol Multiphysics 軟件，采用數值模擬方法對考慮應力腐蝕的應力分布進行模擬

    1 理論模型

    2 有限元模型

    本文研究深海環境下壓強對于金屬裂紋尖端氫擴散的影響，由式……可知，金屬中的靜水應力對于通量 J 有影響。利用 Comsol 軟件進行模擬，選擇固體力學模塊與偏微分方程模塊，將金屬在壓強作用下的應力場作為氫擴散的初始應力場。

    2.1  有限元分析流程

    依據文獻[9]建立模型，選取圓形管道的一個截面建立二維模型，考慮平面應變情況，在管道內表面有一處裂紋，裂紋長度為管道厚度的 5%，裂紋處的齒根圓半徑為 0.5mm。模型如圖 1，圖 2 為裂紋處放大圖：

    本文依據文獻，近似將氫在金屬不同區域的擴散系數看做常數，即可以將鈦合金看作是均勻的各向同性擴散體；本文中的氫擴散是只考慮來自金屬外部的氫，且氫在擴散過程中以原子形式存在，不形成氫分子[10]；管道外表面壓強為深海中的壓強，內表面壓強設置為一個大氣壓。

    2.2  參數設置文中考慮的鈦合金力學性能參數與氫擴散的參數如表 1 所示：

    3 模擬結果及分析

    試件在三種工況下的應力狀態如圖 3（a）-圖 3（b）所示：

    在三種不同外部壓強的工況下，最大 Mises 應力均出現在裂紋尖端處；在氫向金屬內部擴散的過程中，最大氫濃度也出現在裂紋尖端處；且外部壓強越大，氫在裂紋尖端聚集的情況也就越嚴重。

    4 結論

    （1）對于試驗方法不能模擬的深海環境，可以利用有限元方法對其進行計算，然后預測其材料性能會發生的變化（2）深海環境下，氫在金屬的裂紋尖端處聚集，隨著壓強的增大這種情況更加嚴重；這也就導致氫金屬在裂紋處活度更高，更容易發生氫脆效應，從而導致裂紋進一步擴展。

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責任編輯：王元

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