存在拉應力的情況下，香蕉視頻app下載蘋果版:應力腐蝕裂紋優先在點(dian)(dian)蝕(shi)坑處萌(meng)生并(bing)擴展。在本章(zhang)中，基(ji)于對點(dian)(dian)蝕(shi)坑內(nei)裂紋萌(meng)生位置的(de)(de)觀察，計(ji)算點(dian)(dian)蝕(shi)坑內(nei)的(de)(de)應力集中系數，分(fen)析(xi)點(dian)(dian)蝕(shi)坑形貌對裂紋萌(meng)生的(de)(de)影(ying)響以(yi)及點(dian)(dian)蝕(shi)坑內(nei)裂紋萌(meng)生機理。對高溫低CI^-濃度環境(jing)中(zhong)裂紋的(de)擴(kuo)展(zhan)速(su)率進行研究，并分析裂紋擴(kuo)展(zhan)的(de)隨機性。

一、應力腐蝕裂紋(wen)的萌生

 1. 點蝕坑形貌對裂(lie)紋(wen)萌(meng)生的影響

  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(you)圖5-1和(he)圖5-2可看(kan)出，裂紋在點(dian)蝕坑(keng)處的萌生(sheng)和(he)擴展方式主要有(you)以下四(si)種情況：

   ①. 裂(lie)紋(wen)萌(meng)生于坑(keng)(keng)底(di)，在垂直(zhi)于拉應力方向(xiang)沿蝕(shi)坑(keng)(keng)表(biao)面一直(zhi)擴展(zhan)到坑(keng)(keng)外表(biao)面；

   ②. 裂紋萌生(sheng)于(yu)坑底，只沿材料(liao)厚(hou)度方向擴(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)，不(bu)向坑外(wai)表(biao)面擴(kuo)(kuo)展(zhan)(zhan)；

   ③. 裂紋萌生于(yu)坑口或坑肩(jian)，只向坑外表面(mian)擴展；

   ④. 裂紋(wen)在(zai)底部和坑(keng)口處(chu)同時(shi)萌生，沿表面(mian)向兩側同時(shi)擴展，最終(zhong)匯合(he)成主(zhu)裂紋(wen)。

  裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)受力學作(zuo)用(yong)和電化(hua)學作(zuo)用(yong)共同作(zuo)用(yong)，而(er)力學作(zuo)用(yong)占重要地位。因此，由點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)引起的(de)(de)局部(bu)應力集中在很(hen)大程度上決定(ding)了(le)裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)位置。為(wei)了(le)明確點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)形貌與裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)的(de)(de)關系，對點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)尺寸進行了(le)測(ce)量。點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)深度采(cai)用(yong)顯微法測(ce)量，放大倍數為(wei)200時的(de)(de)標(biao)尺如圖(tu)5-3(a)所(suo)示，觀(guan)察到的(de)(de)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)底部(bu)和表面的(de)(de)圖(tu)像如圖(tu)5-3(b)所(suo)示。

  根據測得(de)的(de)點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)尺寸(cun)，采用ABAQUS軟件對不同形(xing)貌(mao)點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)建立(li)三維(wei)模(mo)(mo)(mo)型，分析點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)內應(ying)力(li)(li)集中情況。點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)形(xing)貌(mao)簡化為半橢球形(xing)：b為蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)半長，沿拉伸方向；c為蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)半寬，垂直于(yu)(yu)拉伸方向；a為蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)深(shen)度(du)。幾何模(mo)(mo)(mo)型和有限元網格模(mo)(mo)(mo)型如(ru)圖5-4所(suo)示(shi)，模(mo)(mo)(mo)型中部分點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)尺寸(cun)來源(yuan)于(yu)(yu)應(ying)力(li)(li)腐蝕(shi)(shi)(shi)試驗后試樣中點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)的(de)實際尺寸(cun)。材料(liao)模(mo)(mo)(mo)型采用彈塑性(xing)模(mo)(mo)(mo)型，彈性(xing)模(mo)(mo)(mo)量E=210GPa,泊松比v=0.3.XY面施(shi)加Z方向的(de)約束，即UY=0,XZ面采用對稱邊(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K_t為:

  K_t =σ_max  / σ（5-1)

式中 σ_max-應力集中處最大Mises(米塞斯）應力。

首先對深(shen)坑內應力分布進行了模擬，結果如圖(tu)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，K_t=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，K_t=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，K_t=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，K_t=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，K_t=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，K_t=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。

  由以上模擬結果(guo)可知：應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)區垂直于(yu)拉伸方(fang)向，且(qie)呈帶狀分布(bu)，當深寬(kuan)比較(jiao)大時，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)帶從(cong)口部(bu)到底(di)部(bu)逐漸(jian)變窄；深坑(keng)(keng)(keng)中(zhong)最大應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)出現(xian)在(zai)點(dian)(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)口下(xia)邊(bian)緣，淺坑(keng)(keng)(keng)中(zhong)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)最大值位于(yu)點(dian)(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)口或坑(keng)(keng)(keng)口下(xia)邊(bian)緣；相同的(de)長寬(kuan)比下(xia)，隨著a/2c值的(de)減(jian)(jian)小，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)程度(du)降低，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)分布(bu)帶變寬(kuan)且(qie)上下(xia)寬(kuan)度(du)趨于(yu)均(jun)勻；而深度(du)相同時，b/c值減(jian)(jian)小，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)系(xi)數增(zeng)大。因此，點(dian)(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)系(xi)數的(de)大小不僅(jin)與深寬(kuan)比有關，還與長寬(kuan)比有關，三(san)者之(zhi)間的(de)關系(xi)如(ru)圖5-7所示(shi)。

  不論(lun)是(shi)深坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)還是(shi)淺坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)，點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)口(kou)或下(xia)邊(bian)緣的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)最大，大部(bu)分裂(lie)紋(wen)會優先在此萌生，這(zhe)(zhe)與在試驗和(he)實(shi)際(ji)失效案(an)例中(zhong)(zhong)觀察到的(de)(de)(de)現象(xiang)是(shi)一致(zhi)的(de)(de)(de)。然而，也發現了(le)一些起源于坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)底的(de)(de)(de)裂(lie)紋(wen)，這(zhe)(zhe)主要有(you)(you)兩方面的(de)(de)(de)原因(yin)：一是(shi)淺蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)口(kou)、坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)肩和(he)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)底的(de)(de)(de)應(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)相差(cha)很小，微(wei)小的(de)(de)(de)力學變化(hua)和(he)電化(hua)學溶(rong)解(jie)變化(hua)都可(ke)能(neng)引起裂(lie)紋(wen)萌生位(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)改(gai)變；二是(shi)實(shi)際(ji)點蝕的(de)(de)(de)形貌并(bing)不是(shi)標準的(de)(de)(de)半(ban)橢(tuo)球形，受(shou)材料內部(bu)夾(jia)雜及晶(jing)體結構的(de)(de)(de)影響(xiang)，點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)內部(bu)可(ke)能(neng)產生次(ci)級(ji)點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)，如(ru)(ru)圖5-8所(suo)示，次(ci)級(ji)點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)(de)存(cun)在引起最大應(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)位(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)改(gai)變。為了(le)研究次(ci)級(ji)點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)對應(ying)(ying)力集(ji)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)影響(xiang)，在初級(ji)點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)(de)基礎上建(jian)立(li)次(ci)級(ji)點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)模型，并(bing)進行有(you)(you)限元模擬。點蝕坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)尺寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次(ci)級(ji)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)(de)尺寸：a=b=c=0.01mm,幾(ji)何模型如(ru)(ru)圖5-9所(suo)示，施加10MPa的(de)(de)(de)單向拉力，模擬結果如(ru)(ru)圖5-10所(suo)示。

 由圖5-10可見(jian)，坑(keng)(keng)(keng)內最大(da)應(ying)(ying)(ying)力(li)出現在次級點(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)的(de)坑(keng)(keng)(keng)口處，應(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)系數(shu)為3.2,坑(keng)(keng)(keng)底(di)的(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)為外(wai)加(jia)應(ying)(ying)(ying)力(li)的(de)2.5倍；與圖5-6(b)相比，原點(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)坑(keng)(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)(keng)口位置的(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)程度基(ji)本沒變(bian)。

2. 裂紋萌生機理

  對于奧(ao)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

 σ_max ≥ σ_th(pH,T,a_cl-,材料微觀結構）（5-2)

  從5.1.1節的(de)(de)(de)分(fen)析(xi)(xi)發現，點(dian)蝕坑(keng)口和(he)(he)坑(keng)肩部(bu)位應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)程度(du)最大，裂紋會(hui)優先在(zai)此萌生。材料(liao)的(de)(de)(de)不均勻性和(he)(he)局部(bu)的(de)(de)(de)電化學反應(ying)(ying)(ying)對應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)腐蝕裂紋的(de)(de)(de)萌生也有一(yi)定的(de)(de)(de)影響，雖然(ran)坑(keng)內裂紋萌生概(gai)率(lv)會(hui)隨著應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)程度(du)的(de)(de)(de)增(zeng)大而(er)增(zeng)大，但實際材料(liao)中(zhong)夾雜和(he)(he)缺(que)陷的(de)(de)(de)存在(zai)會(hui)改變局部(bu)的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)分(fen)布(bu)情況，由此造成(cheng)理論分(fen)析(xi)(xi)和(he)(he)實際的(de)(de)(de)差距。特別(bie)是較淺的(de)(de)(de)點(dian)蝕坑(keng)，坑(keng)口、坑(keng)肩和(he)(he)坑(keng)底的(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中(zhong)程度(du)相差不大，裂紋可能會(hui)在(zai)多個位置萌生。

  把圖(tu)5-1(c)放大(da)，發(fa)現點(dian)蝕坑底(di)部(bu)(bu)存在(zai)很(hen)多長度(du)為6~8μm的(de)(de)微(wei)裂(lie)紋(wen)，這些微(wei)裂(lie)紋(wen)都(dou)垂直于拉伸方向，如圖(tu)5-11所示。產(chan)生(sheng)多條裂(lie)紋(wen)的(de)(de)原因(yin)是：點(dian)蝕坑底(di)部(bu)(bu)較平坦，應力集中程度(du)幾乎相同，只要在(zai)比較薄弱的(de)(de)位置就產(chan)生(sheng)位錯(cuo)滑移，進而(er)產(chan)生(sheng)微(wei)裂(lie)紋(wen)。最終，同一(yi)面的(de)(de)微(wei)裂(lie)紋(wen)匯聚成(cheng)一(yi)條裂(lie)紋(wen)，成(cheng)為主裂(lie)紋(wen)的(de)(de)起源。

二、應力腐(fu)蝕裂紋擴展概率分(fen)析(xi)

 應力腐蝕裂(lie)紋(wen)擴(kuo)展過程具有“三段”式特(te)點，裂(lie)紋(wen)擴(kuo)展速(su)率與應力強度因(yin)子之間(jian)的關系(xi)如圖5-12所示。

  在第Ⅰ階段，d_a/d_t隨K_i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，d_a/d_t比較穩定，幾乎與K_i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(lie)紋擴展速率估算

  應(ying)力腐蝕(shi)裂(lie)紋擴(kuo)(kuo)展受環(huan)(huan)境、應(ying)力狀態以(yi)及材料(liao)(liao)微觀結構和(he)(he)性能等眾多因(yin)(yin)素影(ying)響，不同情(qing)況下的(de)擴(kuo)(kuo)展速(su)(su)率不盡相同。到目前為止，裂(lie)紋擴(kuo)(kuo)展速(su)(su)率的(de)預測仍是應(ying)力腐蝕(shi)研究的(de)重點(dian)(dian)和(he)(he)難(nan)點(dian)(dian)。目前，大多數(shu)(shu)裂(lie)紋擴(kuo)(kuo)展模型(xing)針對(dui)核電設備在高溫水環(huan)(huan)境中的(de)開裂(lie)，Shoji模型(xing)和(he)(he)Clark模型(xing)是兩(liang)個最(zui)具(ju)代表性的(de)定量(liang)(liang)預測模型(xing)。Shoji模型(xing)完全基于理(li)論(lun)推導而獲得(de)，模型(xing)中涉及的(de)變量(liang)(liang)較多，雖然能夠分析各種環(huan)(huan)境、材料(liao)(liao)和(he)(he)力學因(yin)(yin)素對(dui)裂(lie)紋擴(kuo)(kuo)展速(su)(su)率的(de)影(ying)響，但公式非常復(fu)雜，解析和(he)(he)計算困難(nan)，且公式中包含(han)很多材料(liao)(liao)參數(shu)(shu)和(he)(he)電化學參數(shu)(shu)，組合后(hou)所代表的(de)物(wu)理(li)意義(yi)不夠清晰(xi)，定量(liang)(liang)化后(hou)的(de)精度(du)難(nan)以(yi)保證(zheng)，因(yin)(yin)此與(yu)工程應(ying)用距離較遠。

 Clark模(mo)(mo)型(xing)是針對不同材(cai)料，根據(ju)實(shi)驗數據(ju)得到(dao)的(de)一種經驗模(mo)(mo)型(xing)，模(mo)(mo)型(xing)中考慮了溫度(du)(du)和(he)材(cai)料的(de)屈服強(qiang)度(du)(du)對裂紋(wen)擴展速(su)率的(de)影響。Clark模(mo)(mo)型(xing)通用表達式為：

  由于Clark模型中(zhong)參數較(jiao)少，且溫度(du)和屈服強度(du)較(jiao)容易(yi)測(ce)得，因此該模型在實際工程中(zhong)得到了(le)廣泛(fan)采(cai)用。本(ben)節便采(cai)用Clark模型研究(jiu)奧氏體(ti)不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.裂紋擴展(zhan)概(gai)率分(fen)析

  考慮到式（5-4)中參數T和R_p0.2的不確定性，裂紋擴展速率d_a/d_t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不銹鋼和304L不(bu)銹鋼(gang)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（μR_p0.2, σ2R_p0.2），這和文獻中的結果是一致的。根據T和R_p0.2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)、R_p0.2~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(ben)次主要討(tao)論了點(dian)蝕坑內裂紋的萌生以及擴展。

  ①. 觀察了(le)點(dian)蝕坑(keng)的(de)形貌，測量了(le)點(dian)蝕坑(keng)的(de)尺寸。采(cai)用有限元(yuan)方法計算了(le)點(dian)蝕坑(keng)內(nei)的(de)應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)(zhong)系(xi)數(shu)，得到了(le)點(dian)蝕坑(keng)不同尺寸對力(li)集(ji)中(zhong)(zhong)系(xi)數(shu)的(de)影響(xiang)規律。從應(ying)力(li)角度出發，分析(xi)了(le)應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)(zhong)與裂紋萌生之間(jian)的(de)關(guan)系(xi)。

  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. 得到了材料屈服強(qiang)度(du)的分布函數，對應力腐蝕裂紋擴展的隨機性進行(xing)了分析(xi)。