海水環境中不銹鋼腐蝕疲勞斷裂的機制研究
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在全球范圍內,大陸內部的油氣儲量日趨減少,化石能源和燃氣資源的開采正逐漸轉向深井、深海。海洋占據了地球70%以上的表面積,含有豐富的石油、天然氣以及各種礦物和深海生物資源。海水中富…
在全球范圍內,大陸內部的油氣儲量日趨減少,化石能源和燃氣資源的開采正逐漸轉向深井、深海。海洋占據了地球70%以上的表面積,含有豐富的石油、天然氣以及各種礦物和深海生物資源。海水中富含Cl-,導致金屬材料在海水中容易產生局部腐蝕。此外海洋油氣井中還可能含有CO2、H2S等腐蝕性介質,再加上潮汐、日照、溶解氧、微生物以及深海壓力和熱液帶來的高溫等環境條件的影響,往往會加速材料在海水中的腐蝕進程。
與大氣環境中“純”疲勞行為不同的是腐蝕疲勞往往沒有明顯的疲勞極限;而與應力腐蝕一樣對材料和環境存在一定選擇性。幾乎所有的金屬材料在任何腐蝕環境中都可能發生腐蝕疲勞,因此,腐蝕疲勞的潛在危害性更大,在海洋、核電、火電、水電、航空航天等重要領域中受到極大重視。
在海洋開發工程中,很多場合對材料的性能要求比較苛刻,碳鋼、合金鋼和普通不銹鋼無法滿足其使用要求,特殊情況下須結合緩蝕劑、陽極/陰極保護、防腐涂層等防護手段才能滿足實際需要,于是大大增加了使用成本,維護起來也相當麻煩,井下應用受到極大限制甚至根本無法使用。
目前,對于環境敏感開裂問題的研究大多側重于應力腐蝕開裂,而對腐蝕疲勞行為的研究甚少。而且腐蝕疲勞方面的研究,多集中在304、316、321、347及雙相不銹鋼等牌號,其他的則是針對核電站、人體植入等領域。當前在高合金不銹鋼工程應用中,對腐蝕疲勞提出要求的情況越來越多,但國內對模擬海洋環境中高合金不銹鋼腐蝕疲勞的研究相對較少。
重慶材料研究院的研究者們從腐蝕介質、載荷應力和溫度等外在因素和材料成分、顯微結構、加工狀態等內在因素出發,分析了不銹鋼在海水環境下出現腐蝕疲勞斷裂的機制。雖然影響材料腐蝕的因素多且復雜,但是依然能夠從中發現一些規律:
(1)腐蝕介質種類雖然繁多,但究其主要影響因素就是電解質溶液以及溶液的pH值,大部分疲勞的根本原因在于溶液中的H+和Cl;
(2)載荷應力是影響疲勞腐蝕裂紋萌生和生長的直接因素,尤其是載荷的周期和尖端應力的集中,對材料的疲勞腐蝕影響巨大;
(3)大多數情況下,高溫環境中的疲勞壽命較低溫環境中短,但是溫度不作為影響疲勞性能的必然因素;
(4)對合金成分的控制可以影響材料的疲勞性能,合金中的Mo、N等元素都有可能增強其疲勞性能;
(5)不同的加工方法對材料的疲勞性能也有一定的影響,因此,尋找適當的加工方法也會有助于提升材料的疲勞性能。
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