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背景简介

高强度低合金 (HSLA) 钢由于其优异的塑性、韧性和冲击强度而在海军设备中得到广泛使用。由HSLA钢制成的船舶部件的失效是循环载荷下产生的弹性应变和塑性应变导致的。目前，许多研究仅考虑空气环境来确定低周疲劳 (LCF) 参数，但缺少在机械载荷和腐蚀行为的联合作用下进行相关的LCF研究。本文主要研究海军级HSLA钢板 (DMR249B) 在空气和3.5% NaCl溶液中的应变控制疲劳行为，比较在两种不同环境下确定的塑性应变能密度、循环强度系数和指数等LCF参数。

成果介绍

（1）对HSLA钢在不同环境条件下 (空气和3.5% NaCl溶液) 进行了不同应变幅的低周疲劳试验，试验结果如表1所示。无论环境条件如何，随着应变幅增加，疲劳寿命都出现降低，并且都观察到了“循环软化”行为。当应变幅度从0.4%增加到0.7%时，在空气和3.5% NaCl环境中观察到疲劳寿命分别减少了15%和30%。

表1 空气和3.5% NaCl环境下的低周疲劳试验结果

（2）图1、图2显示了在两种不同环境条件下半循环寿命下的循环强度系数和应变硬化指数的变化。结果表明，不同环境条件和不同应变幅度下，循环强度系数和指数都出现显著下降。与空气环境相比，材料在3.5% NaCl溶液下的疲劳强度较小。图3中表明，随着应变幅的增大，塑性应变能量密度也逐渐增大。与空气环境相比，在3.5%NaCl溶液下测试试样时观察到更大的塑性应变能密度。

图1 不同环境下循环强度系数的比较

图2 不同环境下应变硬化指数的比较

图3 不同环境下塑性应变能量密度的比较

（3）图4显示了HSLA钢在空气和3.5% NaCl环境中的循环应力-应变曲线。绘制了半应力幅值 (Δσ / 2)_m和半塑性应变幅值 (Δεp / 2)_m之间的幂律关系图。与空气环境相比，在3.5% NaCl溶液环境中，观察到循环强度系数 (K') 略有增加 (717.8至721.3)，循环应变硬化指数 (n') 下降 (0.192至0.1601)。这表明材料在3.5% NaCl溶液环境下的疲劳强度降低。

图4 HSLA钢在不同环境下的循环应力幅值与塑性应变幅值曲线

（4）材料在空气和3.5% NaCl溶液中的过渡寿命 (N_t) 如图5所示，以对数形式绘制了应变幅度和失效周次 (2N_f) 的关系图。将总应变幅 (Δε_t / 2) 分解为弹性应变幅 (Δε_e / 2) 和塑性应变幅(Δε_p / 2) 两个分量。过渡寿命对应于弹性和塑性应变幅曲线的相交点，材料在空气环境下的过渡寿命为1139周次，在3.5% NaCl溶液环境下的过渡寿命为585周次。在3.5% NaCl溶液和较低应变幅度环境下，过渡寿命的降低主要是由于腐蚀环境与新形成的裂纹表面的相互作用时间较长。

图5 HSLA钢在不同环境下的过渡寿命 (N_t) 比较，(a) 空气环境，(b) 3.5% NaCl溶液环境

（5）为了了解环境对HSLA钢的影响，对其晶体结构进行了X射线衍射分析 (XRD)。图6显示了三种不同断裂表面的XRD图的比较。它显示了三个可见的突出峰值，并与方向(110)、(200)和(211)相匹配。通过XRD技术证实了FeOOH和Fe₂O₃的存在。

通过扫描电子显微镜进行的微观结构研究也证实了腐蚀性产物的存在，如图7所示。此外，在3.5% NaCl溶液下测试试样时，观察到混合模式 (穿晶和沿晶) 断裂。在设计压载舱、传动轴和船体等船舶结构的关键部件时，可以考虑上述观察结果。

图6 HSLA钢LCF断口的XRD图谱

图7 HSLA钢的腐蚀低周疲劳试验试样断裂表面SEM图，(a) 0.4%应变幅下的疲劳断裂的整体视图，(b-c) 0.4%应变幅试验试样的裂纹扩展区域 (II区) 的放大图像，(d) 0.7%应变幅试验试件的整体视图，(e-f) 0.7%的II区放大视图

致谢

本文第一作者：Karthick Ganesan（ Sri Sivasubramaniya Nadar College of Engineering ），通讯作者：Suresh Kumar Sundaram（ Sri Sivasubramaniya Nadar College of Engineering ）。

本期小编：姚辰霖（整理）

闵　琳（校对）

舒　阳（审核）

王永杰（发布）