存(cun)在拉(la)應力的情況下，香蕉視頻app下載蘋果版:應力腐蝕裂紋優先在點蝕(shi)坑(keng)(keng)處萌生并擴展(zhan)。在本章中，基于對點蝕(shi)坑(keng)(keng)內裂紋萌生位置的(de)觀察，計算點蝕(shi)坑(keng)(keng)內的(de)應力(li)集中系數(shu)，分(fen)析點蝕(shi)坑(keng)(keng)形貌對裂紋萌生的(de)影響以(yi)及點蝕(shi)坑(keng)(keng)內裂紋萌生機理。對高(gao)溫低CI-濃(nong)度環境中裂紋的擴(kuo)展速(su)率進行研(yan)究，并分析裂紋擴(kuo)展的隨機(ji)性。
一、應力腐蝕裂紋(wen)的萌生
1. 點蝕坑形貌對(dui)裂(lie)紋(wen)萌生的影響
從電化學角度來說，由于金屬離子的水解，點(dian)蝕坑底的pH值更低、Cl-濃度更大，裂紋會優先在坑底萌生。但實際中發現，多數應力腐蝕裂紋在坑肩或坑口邊緣處萌生，無論在高應力還是低應力情況下，都發現了這種現象。圖5-1是慢拉伸試驗后掃描電鏡下觀察到的試樣表面點蝕坑和裂紋，從圖中可看出，點蝕形貌近似為半橢球形，在高應力作用下，沿拉伸方向的表面尺寸大于垂直于拉伸方向的表面尺寸。實際應力腐蝕開裂案例中，觀察到的點蝕坑和裂紋萌生位置及形貌如圖5-2所示。
由圖(tu)(tu)5-1和圖(tu)(tu)5-2可(ke)看出，裂紋在點蝕坑處的(de)萌生和擴(kuo)展方式主(zhu)要(yao)有以下四(si)種情(qing)況(kuang)：
①. 裂紋萌(meng)生(sheng)于坑(keng)(keng)底，在垂直(zhi)于拉(la)應(ying)力方向沿蝕坑(keng)(keng)表面一直(zhi)擴展(zhan)到(dao)坑(keng)(keng)外(wai)表面；
②. 裂紋(wen)萌生于坑(keng)(keng)底，只沿材(cai)料厚度方向擴(kuo)展，不向坑(keng)(keng)外表面擴(kuo)展；
③. 裂(lie)紋萌(meng)生于坑口或(huo)坑肩，只向坑外表面擴展(zhan)；
④. 裂紋在底部和(he)坑(keng)口處同時(shi)萌生，沿表面(mian)向兩側同時(shi)擴展，最終匯合(he)成主裂紋。
裂紋(wen)萌(meng)生受力(li)學作(zuo)用(yong)和(he)電化學作(zuo)用(yong)共同作(zuo)用(yong)，而力(li)學作(zuo)用(yong)占重要地(di)位(wei)。因(yin)此，由點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)引起的(de)局(ju)部應力(li)集中(zhong)在很大程(cheng)度上(shang)決定了裂紋(wen)萌(meng)生位(wei)置。為了明確點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)形貌與裂紋(wen)萌(meng)生的(de)關(guan)系，對點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸進行了測量(liang)。點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)深度采用(yong)顯微法(fa)測量(liang)，放大倍數為200時的(de)標尺如(ru)圖(tu)5-3(a)所(suo)示，觀察(cha)到的(de)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)底部和(he)表(biao)面的(de)圖(tu)像如(ru)圖(tu)5-3(b)所(suo)示。
根據測得的點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)尺(chi)寸(cun)，采用(yong)ABAQUS軟件對不(bu)同形貌(mao)點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)建立三(san)維模(mo)型，分析點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)內應力集中(zhong)情況。點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)形貌(mao)簡(jian)化為(wei)半橢球(qiu)形：b為(wei)蝕坑(keng)半長，沿拉伸(shen)方(fang)向；c為(wei)蝕坑(keng)半寬(kuan)，垂直于(yu)拉伸(shen)方(fang)向；a為(wei)蝕坑(keng)深度(du)。幾何(he)模(mo)型和(he)有限元(yuan)網格模(mo)型如圖5-4所示，模(mo)型中(zhong)部分點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)尺(chi)寸(cun)來源于(yu)應力腐蝕試驗后試樣中(zhong)點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)的實際尺(chi)寸(cun)。材料模(mo)型采用(yong)彈塑(su)性模(mo)型，彈性模(mo)量E=210GPa,泊松比(bi)v=0.3.XY面施加Z方(fang)向的約束，即UY=0,XZ面采用(yong)對稱(cheng)邊界。
由于研究目的是得到點蝕坑內應力集中系數，為便于計算，只沿橢球長軸方向施加10MPa的拉應力。坑內的應力集中系數Kt為:
Kt =σmax / σ（5-1)
式中 σmax-應力集中處最大Mises(米塞斯）應力。
首(shou)先對深坑(keng)內(nei)應力分布進行了模擬，結果如圖5-5所示。
由圖5-5(a)可知，深寬比a/2c=3.24、b=c=0.125mm的點蝕坑，最大應力位于坑肩部，Kt=2.6;坑底和坑口的應力分別為外加應力的1.9倍和2.3倍。保持寬度不變，深寬比增大為5.4,同時b增大到0.175mm,最大應力位于肩部，Kt=2.0;坑底和坑口的應力分別為外加應力的1.7倍和1.9倍，如圖5-5(b)所示。與圖5-5(a)中的點蝕坑相比，雖然圖5-5(b)中的點蝕坑深寬比增大，但由于長寬比增大，坑內各處應力集中程度反而減小。對于深寬比為2.025、半長和半寬都為0.2mm的點蝕坑，最大應力也位于肩部，Kt=2.55;坑底和坑口的應力分別為外加應力的2.2倍和2.3倍，如圖5-5（c)所示。
為了與深坑比較，對淺坑內的應力分布也進行了模擬，結果如圖5-6所示。對于a=b=c=0.2mm的半球形點蝕坑，最大應力出現在肩部，Kt=1.9;坑底和坑口的應力分別為外加應力的1.8倍和1.8倍，如圖5-6(a)所示。保持長度和寬度不變，深寬比減小至a/2c=0.1875時，最大應力出現在坑口，Kt=1.49;坑底和肩部的應力分別為外加應力的1.46倍和1.48倍，如圖5-6(b)所示。保持長和深度不變，減小寬度使深寬比為0.25時，最大應力出現在點蝕坑肩部，Kt=1.46;坑底和坑口的應力分別為外加應力的1.4倍和1.4倍，如圖5-6(c)所示。在圖5-6(c)幾何尺寸的基礎上減小蝕坑深度，使深寬比為0.133,應力分布情況如圖5-6(d)所示，最大應力出現在點蝕坑坑口，Kt=1.17;坑底和坑肩的應力分別為外加應力的1.14倍和1.1倍。
由以上模擬(ni)結果可知：應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)區垂(chui)直于(yu)拉(la)伸方(fang)向(xiang)，且呈帶(dai)(dai)狀(zhuang)分布，當深(shen)寬比(bi)(bi)(bi)較大(da)時，應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)帶(dai)(dai)從口(kou)部(bu)到底部(bu)逐漸變(bian)窄；深(shen)坑(keng)(keng)中(zhong)(zhong)(zhong)最大(da)應(ying)力出現在點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)口(kou)下(xia)邊緣，淺坑(keng)(keng)中(zhong)(zhong)(zhong)應(ying)力最大(da)值位于(yu)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)口(kou)或坑(keng)(keng)口(kou)下(xia)邊緣；相(xiang)(xiang)同的長寬比(bi)(bi)(bi)下(xia)，隨(sui)著a/2c值的減(jian)小(xiao)，應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)程度降低，應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)分布帶(dai)(dai)變(bian)寬且上下(xia)寬度趨于(yu)均勻；而深(shen)度相(xiang)(xiang)同時，b/c值減(jian)小(xiao)，應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)系(xi)數增大(da)。因(yin)此，點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)應(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)系(xi)數的大(da)小(xiao)不僅與深(shen)寬比(bi)(bi)(bi)有(you)關，還與長寬比(bi)(bi)(bi)有(you)關，三者之(zhi)間的關系(xi)如圖5-7所示(shi)。
不論是(shi)(shi)深(shen)坑還是(shi)(shi)淺(qian)坑，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑口(kou)或下邊緣的(de)(de)應力(li)集中(zhong)(zhong)程度最大，大部(bu)分(fen)裂(lie)紋會優(you)先在(zai)此萌生，這與在(zai)試驗和(he)實際(ji)失(shi)效案例中(zhong)(zhong)觀(guan)察到的(de)(de)現象(xiang)是(shi)(shi)一致的(de)(de)。然而，也發現了一些起源于坑底(di)的(de)(de)裂(lie)紋，這主要有(you)兩方面的(de)(de)原因：一是(shi)(shi)淺(qian)蝕(shi)(shi)坑坑口(kou)、坑肩和(he)坑底(di)的(de)(de)應力(li)集中(zhong)(zhong)程度相差很小，微小的(de)(de)力(li)學變化(hua)和(he)電(dian)化(hua)學溶解變化(hua)都可能引起裂(lie)紋萌生位置的(de)(de)改變；二是(shi)(shi)實際(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)的(de)(de)形貌并(bing)(bing)不是(shi)(shi)標準的(de)(de)半橢(tuo)球形，受材料(liao)內部(bu)夾(jia)雜及晶(jing)體(ti)結構的(de)(de)影(ying)響，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑內部(bu)可能產生次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑，如圖(tu)5-8所示(shi)，次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑的(de)(de)存在(zai)引起最大應力(li)集中(zhong)(zhong)位置的(de)(de)改變。為了研究次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑對應力(li)集中(zhong)(zhong)的(de)(de)影(ying)響，在(zai)初級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑的(de)(de)基(ji)礎上建立次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑模(mo)(mo)型(xing)，并(bing)(bing)進(jin)行有(you)限元模(mo)(mo)擬(ni)。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑尺(chi)寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次級(ji)(ji)坑的(de)(de)尺(chi)寸：a=b=c=0.01mm,幾(ji)何模(mo)(mo)型(xing)如圖(tu)5-9所示(shi)，施加10MPa的(de)(de)單向(xiang)拉(la)力(li)，模(mo)(mo)擬(ni)結果如圖(tu)5-10所示(shi)。
由圖5-10可見，坑(keng)內最(zui)大應力出(chu)現在次級點蝕坑(keng)的坑(keng)口處，應力集中系數為(wei)3.2,坑(keng)底的應力為(wei)外加應力的2.5倍；與圖5-6(b)相比(bi)，原(yuan)點蝕坑(keng)坑(keng)肩和(he)坑(keng)口位置的應力集中程度基本沒變(bian)。
2. 裂紋(wen)萌(meng)生機理
對于奧(ao)氏(shi)體不(bu)銹鋼應力腐蝕裂紋萌生，解釋最普遍的是滑移溶解機理。點蝕坑內，一方面，拉應力作用下形成的鈍化膜較薄，耐破裂能力差；另一方面，應力集中使局部的應力升高，容易引起位錯滑移，導致鈍化膜破裂。鈍化膜破裂后，露出活潑的新鮮金屬，滑移也使位錯密集和缺位增加，促成某些元素或雜質在滑移帶偏析，在腐蝕介質作用下發生陽極溶解。陽極溶解增強了局部塑性變形，使材料抗開裂能力下降，周而復始循環下去，導致應力腐蝕裂紋產生。通過對點蝕坑內裂紋萌生的研究發現，裂紋萌生于點蝕坑內應力較大的區域。從應力的角度出發，只要局部應力大于等于臨界應力，裂紋就形核。即
σmax ≥ σth(pH,T,acl-,材料微觀結構）（5-2)
從5.1.1節(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)析(xi)發(fa)現，點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)口(kou)和(he)(he)坑(keng)(keng)肩(jian)部(bu)位應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)(du)最大，裂紋會優先在(zai)此(ci)萌生。材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)不均勻性和(he)(he)局(ju)(ju)部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)化學反(fan)應(ying)(ying)對應(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕(shi)裂紋的(de)(de)(de)(de)(de)萌生也有一(yi)定的(de)(de)(de)(de)(de)影響，雖(sui)然坑(keng)(keng)內裂紋萌生概率會隨著應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)增大而增大，但(dan)實際(ji)材料(liao)中(zhong)(zhong)(zhong)夾(jia)雜(za)和(he)(he)缺陷的(de)(de)(de)(de)(de)存(cun)在(zai)會改變局(ju)(ju)部(bu)的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)分(fen)布情況(kuang)，由(you)此(ci)造成理論分(fen)析(xi)和(he)(he)實際(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)差(cha)距。特別是較淺的(de)(de)(de)(de)(de)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)，坑(keng)(keng)口(kou)、坑(keng)(keng)肩(jian)和(he)(he)坑(keng)(keng)底(di)的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)(du)相差(cha)不大，裂紋可能會在(zai)多個位置萌生。
把圖(tu)5-1(c)放(fang)大，發(fa)現(xian)點(dian)蝕坑底部存在(zai)很多長(chang)度為(wei)6~8μm的(de)微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)，這些(xie)微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)都垂(chui)直于拉伸方(fang)向，如圖(tu)5-11所(suo)示(shi)。產生(sheng)(sheng)(sheng)多條(tiao)裂(lie)(lie)紋(wen)的(de)原因是(shi)：點(dian)蝕坑底部較(jiao)平坦，應力集中程度幾(ji)乎(hu)相(xiang)同，只要在(zai)比(bi)較(jiao)薄弱的(de)位置就產生(sheng)(sheng)(sheng)位錯滑移，進而(er)產生(sheng)(sheng)(sheng)微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)。最終，同一面的(de)微(wei)(wei)(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)匯聚成一條(tiao)裂(lie)(lie)紋(wen)，成為(wei)主裂(lie)(lie)紋(wen)的(de)起源。
二、應力腐蝕(shi)裂紋擴展概(gai)率分(fen)析(xi)
應力(li)腐蝕裂(lie)紋擴展(zhan)(zhan)過程(cheng)具有“三段”式特點(dian)，裂(lie)紋擴展(zhan)(zhan)速(su)率與應力(li)強度因(yin)子之間(jian)的關(guan)系如(ru)圖5-12所示。
在第Ⅰ階段，da/dt隨Ki增大而快速增加，該階段力學因素起主要作用，用時較短；第Ⅱ階段，da/dt比較穩定，幾乎與Ki無關，裂紋擴展速率不隨力學因素的變化而改變，完全由電化學條件決定，用時較長。第Ⅲ階段，裂紋擴展速率快速增加直至斷裂。
1. 裂紋擴展速率估算(suan)
應(ying)力(li)腐蝕(shi)裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)受環境(jing)(jing)、應(ying)力(li)狀態以及材(cai)料微觀結(jie)構和性能等眾多(duo)(duo)因素影響，不(bu)同(tong)情(qing)況下的(de)擴(kuo)展(zhan)速(su)率不(bu)盡相(xiang)同(tong)。到目前為止，裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)速(su)率的(de)預(yu)測仍是應(ying)力(li)腐蝕(shi)研究的(de)重點和難點。目前，大多(duo)(duo)數(shu)(shu)裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)模型(xing)(xing)針對核電設備在高溫水環境(jing)(jing)中(zhong)的(de)開裂(lie)，Shoji模型(xing)(xing)和Clark模型(xing)(xing)是兩(liang)個最(zui)具代表(biao)性的(de)定量(liang)預(yu)測模型(xing)(xing)。Shoji模型(xing)(xing)完全基于理(li)論推導而獲得，模型(xing)(xing)中(zhong)涉及的(de)變量(liang)較多(duo)(duo)，雖(sui)然能夠分析(xi)(xi)各種環境(jing)(jing)、材(cai)料和力(li)學因素對裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)速(su)率的(de)影響，但(dan)公(gong)式(shi)非常復雜，解析(xi)(xi)和計算困難，且公(gong)式(shi)中(zhong)包含很多(duo)(duo)材(cai)料參數(shu)(shu)和電化學參數(shu)(shu)，組(zu)合(he)后所代表(biao)的(de)物理(li)意義不(bu)夠清晰，定量(liang)化后的(de)精度(du)難以保證，因此(ci)與工程應(ying)用距離較遠。
Clark模型(xing)是針(zhen)對不同材料，根據實驗數據得到(dao)的一(yi)種經驗模型(xing)，模型(xing)中(zhong)考慮了溫(wen)度和(he)材料的屈服強度對裂(lie)紋擴展速(su)率(lv)的影(ying)響。Clark模型(xing)通用表達式為：
由于(yu)Clark模型(xing)中(zhong)參數較少，且溫度和屈服強度較容易(yi)測(ce)得(de)，因此(ci)該模型(xing)在實(shi)際工程中(zhong)得(de)到了廣泛采(cai)用。本節(jie)便(bian)采(cai)用Clark模型(xing)研究(jiu)奧氏體不(bu)銹鋼的裂紋擴展速率問題。
由于不同環境中的裂紋擴展速率很難采用統一的Clark模型表達式，所以本節對高溫低CI-濃度環境中裂紋擴展進行研究。例如管殼式換熱器，殼程介質一般為軟化水，介質中Cl-濃度很低，即使Cl-在換熱管與管板間的縫隙內富集，其濃度相對于飽和鹽溶液中的仍然很低，換熱管的工作溫度一般在200℃以上。因此，可認為換熱管所處的環境是高溫低Cl-濃度環境。基于式（5-3),根據文獻的試驗數據，擬合得到了裂紋擴展速率與溫度、屈服強度之間的關系式：
2.裂(lie)紋擴展概(gai)率分(fen)析
考慮到式（5-4)中參數T和Rp0.2的不確定性，裂紋擴展速率da/dt具有一定的隨機性。從第4章的研究可知，溫度T可認為是服從正態分布的隨機變量。蘇成功對不同厚度不同牌號的奧氏體不銹鋼力學性能進行了測試，測量結果如表5-1所示。
對表5-1中四種不銹鋼材料屈服強度的分散性進行分析。通過分析發現，在顯著性水平0.05下，316L不銹鋼(gang)和304L不銹鋼的屈服強度服從正態分布，如圖5-13所示；受板厚度的影響，304不銹鋼屈服強度的分布規律不明顯。四種不銹鋼屈服強度的統計量計算結果如表5-2所示，由于321不銹鋼(gang)材料只涉及了一種板厚，因此屈服強度的變異系數較小；其他材料涉及了多種板厚，屈服強度的變異系數較大；如果只考慮一種板厚時，屈服強度的變異系數較小，在0.6%~2%之間。
基于以上分析，可認為奧氏體不銹鋼的屈服強度服從正態分布（μRp0.2, σ2Rp0.2），這和文獻中的結果是一致的。根據T和Rp0.2的分布函數就可以確定da/dt的概率分布。
當然，除了以上兩個參數，裂紋擴展的隨機性還與環境波動、應力波動以及材料成分和性能的微小差別有關。以T~N(240,4.52)、Rp0.2~N(320,462)為例，得到了裂紋擴展速率的正態概率圖，如圖5-14所示。僅從圖中觀察發現，裂紋擴展速率近似服從正態分布，但經檢驗，在顯著性水平α=0.05下裂紋擴展速率為正態分布的假設是不正確的。
三、總結
本次主(zhu)要討論了(le)點蝕坑內裂(lie)紋的萌(meng)生以及擴展。
①. 觀察了點(dian)蝕(shi)坑的(de)(de)形貌，測量了點(dian)蝕(shi)坑的(de)(de)尺寸。采用有(you)限元方法計(ji)算了點(dian)蝕(shi)坑內的(de)(de)應(ying)力集中系數，得到了點(dian)蝕(shi)坑不同(tong)尺寸對力集中系數的(de)(de)影響規律。從應(ying)力角度出發，分析(xi)了應(ying)力集中與裂紋萌生之間的(de)(de)關(guan)系。
②. 根據Clark公式，采用文獻中的試驗數據，擬合得到高溫低濃度Cl-環境中應力腐蝕裂紋擴展速率公式。
③. 得到了材料(liao)屈(qu)服強度(du)的分布函數，對應力(li)腐蝕裂紋擴(kuo)展的隨機性進(jin)行了分析。
