应力腐蚀裂纹尖端的有限元数值分析与可视化
2014-12-15 10:33:25 作者:中国腐蚀与防护网来源:
  图13.1所示为采用扫描振动电极测试技术对2024铝合金WOL试样在0.01mol/L NaCl溶液中浸泡不同时间后裂纹尖端电流密度分布的测试结果,其中虚线示意出裂纹所在的位置,外加加载沿X轴方向,裂纹则沿Y轴正向扩展。由图可见,试样刚浸入溶液时,表面电流密度分布均匀,只在裂纹尖端出现较高的电流密度值。浸泡24小时后,裂纹尖端的电流密度升高,较高电流密度值的区域向基体扩展。在远离裂纹尖端的基体中则出现了电流密度明显降低的区域。 这表明,在2024铝合金WOL试样的裂纹尖端区域内表面的电化学活性明显高于基体的电化学活性,裂纹尖端区域与基体之间形成电偶对,导致前者的阳极溶解过程被加速,引起裂纹的扩展。

铝合金WOL试样浸泡不同时间后裂尖电流密度分布(a)0.5h,(b)24h


二维WOL试样有限元模型:(a)整体网格,(b)裂纹尖端附近细化网格


WOL试样裂纹尖端应力场数值结算结果
 
  本章采用有限单元法对WOL试样中的应力应变场的分布情况以及氧化膜的作用规律进行数值计算与模拟, 对裂纹尖端应力应变的分布情况分析应力场对裂尖区域内电化学活性和腐蚀过程的影响、氧化膜与基体合金界面处的附加应力对应力应变分布的影响和点蚀诱导裂纹的萌生及扩展过程进行数值计算与模拟。

  采用有限元分析方法对2024铝合金WOL试样裂纹尖端区域进行数值模拟,主要研究试样表面氧化膜厚度对氧化膜及基体合金中的应力应变分布、裂纹扩展过程的影响,实现了以上过程的可视化,并借助扩展有限元方法对点蚀诱导的裂纹萌生和扩展过程进行分析,主要结论如下:
 
  应力对裂纹尖端腐蚀过程的促进作用需满足局部塑性条件。只有当试样局部应力值超过屈服强度,局部范围发生塑性应变时,应力才能提高该区域内的电化学活性,从而加速其腐蚀过程的进行。
 
  在WOL试样缺口位置处,氧化膜和基体合金中的应力和应变分布呈现明显的不均匀性。在氧化膜与基体合金的界面处存在很大的应力突变,氧化膜的应力值明显大于基体合金。裂纹首先由氧化膜中应力集中处开始萌生并向内扩展,当裂纹达到氧化膜与基体合金界面时,裂纹尖端应力重新分布,当达到基体合金的断裂强度后裂纹进入基体合金并继续扩展,导致材料的最终断裂失效。
 
  氧化膜厚度对应力和应变分布具有较大的影响。当氧化膜厚度为10~18μm时,在氧化膜与基体合金的界面处会产生明显的附加应力,导致氧化膜中的应力在界面附近有所上升。但在基体合金中,由于界面处附加应力的作用,界面附近的应力出现一定程度的松弛,导致最大应力值和最大应变量出现在距离界面10μm处的位置。当氧化膜厚度降低为5μm时,界面处的附加应力作用可以忽略。
 
  WOL试样缺口前端特征距离处的应变速率可作为确定应力腐蚀开裂速率的有效参数。对于2024铝合金,该值受氧化膜厚度的影响。当氧化膜厚度为10μm时,该值可取为15μm;当氧化膜厚度为5μm时,该值可取为10μm.
 
  点蚀坑附近的应力分布和应变分布存在较大的差异。点蚀坑周围的应力分布较为均匀,并且随着与点蚀坑距离的增加而逐渐减小。应变分布则呈现明显的不均匀性,点蚀坑开口处附近具有较大的应变量,其底部的应变量则明显降低。计算结果表明,点蚀诱导的裂纹首先由点蚀坑开口处开始萌生并沿表面扩展。这说明点蚀坑附近的局部应变是诱导裂纹萌生及扩展的主要力学因素。


  更多详细信息敬请参阅《材料腐蚀信息学--材料腐蚀基因组工程基础与应用》  李晓刚 著