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應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的有限元數(shù)值分析與可視化

2014-12-15 10:33:25 作者：中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)來源：

　　圖13.1所示為采用掃描振動電極測試技術(shù)對2024鋁合金WOL試樣在0.01mol/L NaCl溶液中浸泡不同時間后裂紋尖端電流密度分布的測試結(jié)果，其中虛線示意出裂紋所在的位置，外加加載沿X軸方向，裂紋則沿Y軸正向擴(kuò)展。由圖可見，試樣剛浸入溶液時，表面電流密度分布均勻，只在裂紋尖端出現(xiàn)較高的電流密度值。浸泡24小時后，裂紋尖端的電流密度升高，較高電流密度值的區(qū)域向基體擴(kuò)展。在遠(yuǎn)離裂紋尖端的基體中則出現(xiàn)了電流密度明顯降低的區(qū)域。這表明，在2024鋁合金WOL試樣的裂紋尖端區(qū)域內(nèi)表面的電化學(xué)活性明顯高于基體的電化學(xué)活性，裂紋尖端區(qū)域與基體之間形成電偶對，導(dǎo)致前者的陽極溶解過程被加速，引起裂紋的擴(kuò)展。

鋁合金WOL試樣浸泡不同時間后裂尖電流密度分布（a）0.5h，（b）24h

二維WOL試樣有限元模型：(a)整體網(wǎng)格，(b)裂紋尖端附近細(xì)化網(wǎng)格

WOL試樣裂紋尖端應(yīng)力場數(shù)值結(jié)算結(jié)果

　　本章采用有限單元法對WOL試樣中的應(yīng)力應(yīng)變場的分布情況以及氧化膜的作用規(guī)律進(jìn)行數(shù)值計算與模擬，對裂紋尖端應(yīng)力應(yīng)變的分布情況分析應(yīng)力場對裂尖區(qū)域內(nèi)電化學(xué)活性和腐蝕過程的影響、氧化膜與基體合金界面處的附加應(yīng)力對應(yīng)力應(yīng)變分布的影響和點(diǎn)蝕誘導(dǎo)裂紋的萌生及擴(kuò)展過程進(jìn)行數(shù)值計算與模擬。

　　采用有限元分析方法對2024鋁合金WOL試樣裂紋尖端區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬，主要研究試樣表面氧化膜厚度對氧化膜及基體合金中的應(yīng)力應(yīng)變分布、裂紋擴(kuò)展過程的影響，實(shí)現(xiàn)了以上過程的可視化，并借助擴(kuò)展有限元方法對點(diǎn)蝕誘導(dǎo)的裂紋萌生和擴(kuò)展過程進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

　　應(yīng)力對裂紋尖端腐蝕過程的促進(jìn)作用需滿足局部塑性條件。只有當(dāng)試樣局部應(yīng)力值超過屈服強(qiáng)度，局部范圍發(fā)生塑性應(yīng)變時，應(yīng)力才能提高該區(qū)域內(nèi)的電化學(xué)活性，從而加速其腐蝕過程的進(jìn)行。

　　在WOL試樣缺口位置處，氧化膜和基體合金中的應(yīng)力和應(yīng)變分布呈現(xiàn)明顯的不均勻性。在氧化膜與基體合金的界面處存在很大的應(yīng)力突變，氧化膜的應(yīng)力值明顯大于基體合金。裂紋首先由氧化膜中應(yīng)力集中處開始萌生并向內(nèi)擴(kuò)展，當(dāng)裂紋達(dá)到氧化膜與基體合金界面時，裂紋尖端應(yīng)力重新分布，當(dāng)達(dá)到基體合金的斷裂強(qiáng)度后裂紋進(jìn)入基體合金并繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致材料的最終斷裂失效。

　　氧化膜厚度對應(yīng)力和應(yīng)變分布具有較大的影響。當(dāng)氧化膜厚度為10~18μm時，在氧化膜與基體合金的界面處會產(chǎn)生明顯的附加應(yīng)力，導(dǎo)致氧化膜中的應(yīng)力在界面附近有所上升。但在基體合金中，由于界面處附加應(yīng)力的作用，界面附近的應(yīng)力出現(xiàn)一定程度的松弛，導(dǎo)致最大應(yīng)力值和最大應(yīng)變量出現(xiàn)在距離界面10μm處的位置。當(dāng)氧化膜厚度降低為5μm時，界面處的附加應(yīng)力作用可以忽略。

　　WOL試樣缺口前端特征距離處的應(yīng)變速率可作為確定應(yīng)力腐蝕開裂速率的有效參數(shù)。對于2024鋁合金，該值受氧化膜厚度的影響。當(dāng)氧化膜厚度為10μm時，該值可取為15μm;當(dāng)氧化膜厚度為5μm時，該值可取為10μm.

　　點(diǎn)蝕坑附近的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布存在較大的差異。點(diǎn)蝕坑周圍的應(yīng)力分布較為均勻，并且隨著與點(diǎn)蝕坑距離的增加而逐漸減小。應(yīng)變分布則呈現(xiàn)明顯的不均勻性，點(diǎn)蝕坑開口處附近具有較大的應(yīng)變量，其底部的應(yīng)變量則明顯降低。計算結(jié)果表明，點(diǎn)蝕誘導(dǎo)的裂紋首先由點(diǎn)蝕坑開口處開始萌生并沿表面擴(kuò)展。這說明點(diǎn)蝕坑附近的局部應(yīng)變是誘導(dǎo)裂紋萌生及擴(kuò)展的主要力學(xué)因素。

　　更多詳細(xì)信息敬請參閱《材料腐蝕信息學(xué)--材料腐蝕基因組工程基礎(chǔ)與應(yīng)用》李曉剛著
　　