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  2. 應力腐蝕裂紋尖端的有限元數值分析與可視化
    2014-12-15 10:33:25 作者:中國腐蝕與防護網來源:
      圖13.1所示為采用掃描振動電極測試技術對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域向基體擴展。在遠離裂紋尖端的基體中則出現了電流密度明顯降低的區域。 這表明,在2024鋁合金WOL試樣的裂紋尖端區域內表面的電化學活性明顯高于基體的電化學活性,裂紋尖端區域與基體之間形成電偶對,導致前者的陽極溶解過程被加速,引起裂紋的擴展。

    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)整體網格,(b)裂紋尖端附近細化網格


    WOL試樣裂紋尖端應力場數值結算結果
     
      本章采用有限單元法對WOL試樣中的應力應變場的分布情況以及氧化膜的作用規律進行數值計算與模擬, 對裂紋尖端應力應變的分布情況分析應力場對裂尖區域內電化學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力對應力應變分布的影響和點蝕誘導裂紋的萌生及擴展過程進行數值計算與模擬。

      采用有限元分析方法對2024鋁合金WOL試樣裂紋尖端區域進行數值模擬,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力應變分布、裂紋擴展過程的影響,實現了以上過程的可視化,并借助擴展有限元方法對點蝕誘導的裂紋萌生和擴展過程進行分析,主要結論如下:
     
      應力對裂紋尖端腐蝕過程的促進作用需滿足局部塑性條件。只有當試樣局部應力值超過屈服強度,局部范圍發生塑性應變時,應力才能提高該區域內的電化學活性,從而加速其腐蝕過程的進行。
     
      在WOL試樣缺口位置處,氧化膜和基體合金中的應力和應變分布呈現明顯的不均勻性。在氧化膜與基體合金的界面處存在很大的應力突變,氧化膜的應力值明顯大于基體合金。裂紋首先由氧化膜中應力集中處開始萌生并向內擴展,當裂紋達到氧化膜與基體合金界面時,裂紋尖端應力重新分布,當達到基體合金的斷裂強度后裂紋進入基體合金并繼續擴展,導致材料的最終斷裂失效。
     
      氧化膜厚度對應力和應變分布具有較大的影響。當氧化膜厚度為10~18μm時,在氧化膜與基體合金的界面處會產生明顯的附加應力,導致氧化膜中的應力在界面附近有所上升。但在基體合金中,由于界面處附加應力的作用,界面附近的應力出現一定程度的松弛,導致最大應力值和最大應變量出現在距離界面10μm處的位置。當氧化膜厚度降低為5μm時,界面處的附加應力作用可以忽略。
     
      WOL試樣缺口前端特征距離處的應變速率可作為確定應力腐蝕開裂速率的有效參數。對于2024鋁合金,該值受氧化膜厚度的影響。當氧化膜厚度為10μm時,該值可取為15μm;當氧化膜厚度為5μm時,該值可取為10μm.
     
      點蝕坑附近的應力分布和應變分布存在較大的差異。點蝕坑周圍的應力分布較為均勻,并且隨著與點蝕坑距離的增加而逐漸減小。應變分布則呈現明顯的不均勻性,點蝕坑開口處附近具有較大的應變量,其底部的應變量則明顯降低。計算結果表明,點蝕誘導的裂紋首先由點蝕坑開口處開始萌生并沿表面擴展。這說明點蝕坑附近的局部應變是誘導裂紋萌生及擴展的主要力學因素。


      更多詳細信息敬請參閱《材料腐蝕信息學--材料腐蝕基因組工程基礎與應用》  李曉剛 著
      

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