存在拉應力的(de)情況下(xia)，香蕉視頻app下載蘋果版:應力腐蝕裂(lie)紋(wen)(wen)優先在(zai)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)處萌(meng)生并擴展。在(zai)本章中(zhong)，基于(yu)對點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內裂(lie)紋(wen)(wen)萌(meng)生位(wei)置的(de)觀察，計算點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內的(de)應力集中(zhong)系數，分析點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)形(xing)貌對裂(lie)紋(wen)(wen)萌(meng)生的(de)影(ying)響以及點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內裂(lie)紋(wen)(wen)萌(meng)生機理。對高溫低CI-濃(nong)度環境中裂紋的擴展(zhan)速率進行(xing)研究，并分析裂紋擴展(zhan)的隨機性(xing)。
一、應力腐蝕裂紋(wen)的(de)萌(meng)生
1. 點蝕坑(keng)形貌對裂紋萌生的影(ying)響
從電化學角度來說，由于金屬離子的水解，點蝕坑底的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5-1和(he)圖5-2可看(kan)出，裂紋在點蝕坑(keng)處的萌生(sheng)和(he)擴(kuo)展方式主要有以(yi)下四種情(qing)況：
①. 裂紋(wen)萌生于(yu)坑(keng)底，在(zai)垂直(zhi)于(yu)拉應力方向沿蝕坑(keng)表面一直(zhi)擴展到坑(keng)外(wai)表面；
②. 裂(lie)紋萌生于(yu)坑底，只沿材料厚(hou)度方向擴展，不向坑外表面擴展；
③. 裂紋萌生于坑口或(huo)坑肩(jian)，只向坑外表(biao)面(mian)擴展；
④. 裂紋在底部和(he)坑口處同時萌生(sheng)，沿表(biao)面向兩(liang)側同時擴展，最(zui)終(zhong)匯合(he)成主裂紋。
裂紋萌生受力學作用(yong)和電(dian)化學作用(yong)共同(tong)作用(yong)，而力學作用(yong)占重要地位。因(yin)此(ci)，由點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)引起的局部應力集中(zhong)在很大程度上決定(ding)了裂紋萌生位置。為(wei)了明確點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)形貌(mao)與裂紋萌生的關(guan)系，對點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)尺寸進(jin)行(xing)了測(ce)(ce)量。點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)深度采(cai)用(yong)顯微法測(ce)(ce)量，放大倍數為(wei)200時的標尺如(ru)圖5-3(a)所(suo)(suo)示(shi)，觀察到的點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)底(di)部和表面的圖像如(ru)圖5-3(b)所(suo)(suo)示(shi)。
根據測得(de)的點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸(cun)(cun)，采(cai)用ABAQUS軟(ruan)件(jian)對不同形貌(mao)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)建立(li)三維模(mo)(mo)型(xing)，分(fen)析點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)內(nei)應力集中(zhong)情況。點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)形貌(mao)簡化為(wei)(wei)半(ban)橢(tuo)球(qiu)形：b為(wei)(wei)蝕(shi)坑(keng)(keng)半(ban)長，沿拉伸方(fang)向；c為(wei)(wei)蝕(shi)坑(keng)(keng)半(ban)寬，垂直于拉伸方(fang)向；a為(wei)(wei)蝕(shi)坑(keng)(keng)深度。幾何模(mo)(mo)型(xing)和(he)有限元(yuan)網格模(mo)(mo)型(xing)如圖5-4所示，模(mo)(mo)型(xing)中(zhong)部分(fen)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸(cun)(cun)來源于應力腐(fu)蝕(shi)試(shi)驗后試(shi)樣中(zhong)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)的實(shi)際尺寸(cun)(cun)。材料模(mo)(mo)型(xing)采(cai)用彈(dan)塑性模(mo)(mo)型(xing)，彈(dan)性模(mo)(mo)量E=210GPa,泊松(song)比(bi)v=0.3.XY面施加(jia)Z方(fang)向的約束，即UY=0,XZ面采(cai)用對稱(cheng)邊(bian)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(shen)坑內應力分(fen)布進(jin)行了模擬(ni)，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(you)以上模擬(ni)結果(guo)可知(zhi)：應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)區垂直于(yu)拉伸(shen)方向，且(qie)呈帶(dai)狀分(fen)布，當深(shen)(shen)寬比較大(da)時，應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)帶(dai)從口(kou)部(bu)到(dao)底部(bu)逐漸變窄；深(shen)(shen)坑中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)最大(da)應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)出現在點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑口(kou)下(xia)邊緣，淺坑中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)最大(da)值位于(yu)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑口(kou)或坑口(kou)下(xia)邊緣；相同的長寬比下(xia)，隨著a/2c值的減小，應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)程度(du)降低，應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)分(fen)布帶(dai)變寬且(qie)上下(xia)寬度(du)趨于(yu)均勻；而深(shen)(shen)度(du)相同時，b/c值減小，應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)系數增大(da)。因此，點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑應(ying)力(li)(li)(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)系數的大(da)小不僅與深(shen)(shen)寬比有(you)關(guan)，還與長寬比有(you)關(guan)，三者之間的關(guan)系如圖5-7所(suo)示(shi)。
不論是(shi)深坑(keng)(keng)(keng)(keng)還是(shi)淺坑(keng)(keng)(keng)(keng)，點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)口(kou)或(huo)下邊緣(yuan)的(de)(de)應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度最(zui)大，大部(bu)分裂紋(wen)會優先在此(ci)萌生(sheng)，這與在試驗和實(shi)際失效案例中(zhong)觀察到的(de)(de)現象是(shi)一致的(de)(de)。然而，也(ye)發現了一些(xie)起源(yuan)于坑(keng)(keng)(keng)(keng)底的(de)(de)裂紋(wen)，這主(zhu)要有(you)兩方面(mian)的(de)(de)原(yuan)因：一是(shi)淺蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)坑(keng)(keng)(keng)(keng)口(kou)、坑(keng)(keng)(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)(keng)(keng)底的(de)(de)應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度相差(cha)很小，微小的(de)(de)力(li)學變化和電化學溶(rong)解變化都可(ke)(ke)能引起裂紋(wen)萌生(sheng)位(wei)置(zhi)的(de)(de)改(gai)變；二是(shi)實(shi)際點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)形貌(mao)并不是(shi)標準的(de)(de)半(ban)橢球形，受材料內部(bu)夾雜及晶體結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)影響(xiang)，點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)內部(bu)可(ke)(ke)能產生(sheng)次(ci)級(ji)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)，如圖5-8所示，次(ci)級(ji)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)存在引起最(zui)大應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)位(wei)置(zhi)的(de)(de)改(gai)變。為(wei)了研究(jiu)次(ci)級(ji)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)對應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)的(de)(de)影響(xiang)，在初(chu)級(ji)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)基(ji)礎上建立次(ci)級(ji)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)模(mo)(mo)型，并進行有(you)限元模(mo)(mo)擬(ni)。點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)尺(chi)寸(cun)：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次(ci)級(ji)坑(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)尺(chi)寸(cun)：a=b=c=0.01mm,幾何模(mo)(mo)型如圖5-9所示，施加10MPa的(de)(de)單(dan)向(xiang)拉力(li)，模(mo)(mo)擬(ni)結(jie)(jie)果如圖5-10所示。
由圖5-10可見，坑(keng)(keng)內最大應(ying)力(li)出(chu)現在次級(ji)點(dian)蝕坑(keng)(keng)的(de)(de)坑(keng)(keng)口處，應(ying)力(li)集中系數為3.2,坑(keng)(keng)底的(de)(de)應(ying)力(li)為外加應(ying)力(li)的(de)(de)2.5倍；與(yu)圖5-6(b)相比，原點(dian)蝕坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)口位(wei)置的(de)(de)應(ying)力(li)集中程度基本沒(mei)變。
2. 裂紋萌生機理
對于奧氏體不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)分(fen)析(xi)(xi)發現，點(dian)蝕(shi)坑口和(he)坑肩部(bu)位(wei)應(ying)(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)程度(du)(du)最大(da)(da)，裂(lie)紋(wen)會(hui)優先在此(ci)萌(meng)生。材(cai)料的(de)(de)(de)(de)不均勻性和(he)局(ju)部(bu)的(de)(de)(de)(de)電(dian)化學(xue)反(fan)應(ying)(ying)(ying)對應(ying)(ying)(ying)力腐蝕(shi)裂(lie)紋(wen)的(de)(de)(de)(de)萌(meng)生也(ye)有(you)一定的(de)(de)(de)(de)影響(xiang)，雖然坑內裂(lie)紋(wen)萌(meng)生概率會(hui)隨著(zhu)應(ying)(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)程度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)(da)而增(zeng)大(da)(da)，但實(shi)際(ji)材(cai)料中(zhong)夾(jia)雜和(he)缺陷的(de)(de)(de)(de)存在會(hui)改(gai)變局(ju)部(bu)的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)分(fen)布(bu)情況(kuang)，由此(ci)造成理(li)論分(fen)析(xi)(xi)和(he)實(shi)際(ji)的(de)(de)(de)(de)差(cha)距。特(te)別是(shi)較淺(qian)的(de)(de)(de)(de)點(dian)蝕(shi)坑，坑口、坑肩和(he)坑底的(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)程度(du)(du)相差(cha)不大(da)(da)，裂(lie)紋(wen)可能會(hui)在多個位(wei)置(zhi)萌(meng)生。
把圖5-1(c)放大，發現點蝕坑底(di)部存在很多(duo)長度為6~8μm的(de)微(wei)(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)(wen)，這些微(wei)(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)(wen)都垂直于拉伸方向(xiang)，如圖5-11所示。產(chan)生(sheng)(sheng)多(duo)條裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)原因是：點蝕坑底(di)部較(jiao)平坦(tan)，應力集(ji)中程度幾乎相同，只要在比較(jiao)薄(bo)弱(ruo)的(de)位(wei)置(zhi)就(jiu)產(chan)生(sheng)(sheng)位(wei)錯滑(hua)移，進而產(chan)生(sheng)(sheng)微(wei)(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)(wen)。最終，同一面的(de)微(wei)(wei)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)(wen)匯聚成(cheng)一條裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)(wen)，成(cheng)為主(zhu)裂(lie)紋(wen)(wen)(wen)(wen)的(de)起源(yuan)。
二(er)、應力(li)腐蝕(shi)裂紋擴展概率分(fen)析
應力(li)腐(fu)蝕裂紋擴(kuo)(kuo)展過程具有“三(san)段(duan)”式特點，裂紋擴(kuo)(kuo)展速率(lv)與應力(li)強(qiang)度因子之(zhi)間的關系如圖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
應力腐蝕裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)受環(huan)境、應力狀態以及材料微觀結構和(he)(he)(he)性能(neng)等眾多(duo)(duo)因(yin)素影響，不(bu)同(tong)情況下的(de)擴(kuo)展(zhan)速(su)(su)率不(bu)盡相(xiang)同(tong)。到目前為止，裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)速(su)(su)率的(de)預(yu)(yu)測仍是應力腐蝕研究的(de)重(zhong)點(dian)和(he)(he)(he)難點(dian)。目前，大多(duo)(duo)數裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)模型(xing)針對(dui)核電(dian)(dian)設備在高(gao)溫水(shui)環(huan)境中的(de)開裂(lie)，Shoji模型(xing)和(he)(he)(he)Clark模型(xing)是兩(liang)個(ge)最具代表(biao)性的(de)定(ding)(ding)量(liang)(liang)(liang)預(yu)(yu)測模型(xing)。Shoji模型(xing)完全基于(yu)理論(lun)推導而獲(huo)得，模型(xing)中涉及的(de)變量(liang)(liang)(liang)較多(duo)(duo)，雖(sui)然(ran)能(neng)夠分析各種(zhong)環(huan)境、材料和(he)(he)(he)力學(xue)因(yin)素對(dui)裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)速(su)(su)率的(de)影響，但公式非(fei)常(chang)復雜，解析和(he)(he)(he)計算困(kun)難，且公式中包含很(hen)多(duo)(duo)材料參數和(he)(he)(he)電(dian)(dian)化學(xue)參數，組合后所代表(biao)的(de)物理意(yi)義不(bu)夠清晰(xi)，定(ding)(ding)量(liang)(liang)(liang)化后的(de)精度難以保證，因(yin)此(ci)與(yu)工程應用距(ju)離較遠(yuan)。
Clark模型是針(zhen)對不同材(cai)(cai)料，根(gen)據實驗數據得到(dao)的一種經驗模型，模型中考慮了(le)溫度(du)和材(cai)(cai)料的屈服強度(du)對裂紋擴展速(su)率的影響(xiang)。Clark模型通用表達(da)式為：
由于(yu)Clark模型中(zhong)參(can)數較(jiao)(jiao)少，且溫度和屈服強度較(jiao)(jiao)容易測得，因此該模型在實際工程(cheng)中(zhong)得到了廣泛采用(yong)。本節便采用(yong)Clark模型研究奧氏體不銹(xiu)鋼的裂紋擴展速率(lv)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.裂紋擴展概率分析(xi)
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(bu)銹鋼和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(san)、總結(jie)
本次(ci)主要討論了點蝕坑內裂紋(wen)的萌(meng)生以(yi)及擴展。
①. 觀(guan)察(cha)了點(dian)蝕坑(keng)(keng)的(de)(de)形貌，測量了點(dian)蝕坑(keng)(keng)的(de)(de)尺寸。采用(yong)有(you)限元方法計算了點(dian)蝕坑(keng)(keng)內的(de)(de)應力(li)集(ji)中(zhong)系數(shu)，得到(dao)了點(dian)蝕坑(keng)(keng)不同尺寸對力(li)集(ji)中(zhong)系數(shu)的(de)(de)影響規律。從應力(li)角度出發(fa)，分析了應力(li)集(ji)中(zhong)與裂紋萌生(sheng)之間的(de)(de)關系。
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(de)到了(le)材料屈服強度(du)的分布函數(shu)，對(dui)應(ying)力腐(fu)蝕裂紋擴展的隨機性進行了(le)分析。
