存在拉(la)應(ying)力的情況(kuang)下，香蕉視頻app下載蘋果版:應力腐蝕裂紋(wen)優先在(zai)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)處萌生(sheng)并擴展(zhan)。在(zai)本章中，基于對(dui)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)內(nei)裂紋(wen)萌生(sheng)位置的觀(guan)察，計算點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)內(nei)的應力集中系數，分析點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)形(xing)貌對(dui)裂紋(wen)萌生(sheng)的影響(xiang)以(yi)及點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)內(nei)裂紋(wen)萌生(sheng)機理。對(dui)高溫(wen)低CI-濃度環境(jing)中裂紋的擴(kuo)展速率(lv)進行研究，并分析裂紋擴(kuo)展的隨機性(xing)。
一、應力腐蝕裂紋的萌(meng)生
1. 點蝕(shi)坑形貌對裂紋萌生的影(ying)響(xiang)
從電化學角度來說，由于金屬離子的水解，點蝕(shi)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)5-1和(he)(he)圖(tu)5-2可看(kan)出(chu)，裂紋在點蝕坑處(chu)的萌生和(he)(he)擴(kuo)展方式(shi)主要(yao)有以下四種(zhong)情況(kuang)：
①. 裂紋(wen)萌生于坑(keng)底，在垂直于拉應力(li)方(fang)向(xiang)沿蝕坑(keng)表(biao)面(mian)一直擴展到坑(keng)外表(biao)面(mian)；
②. 裂紋萌生(sheng)于坑底，只沿材料厚度方向擴展(zhan)(zhan)，不(bu)向坑外表面(mian)擴展(zhan)(zhan)；
③. 裂紋萌(meng)生(sheng)于坑(keng)口或坑(keng)肩，只向坑(keng)外表面(mian)擴(kuo)展；
④. 裂紋(wen)在(zai)底部和坑口處同(tong)時(shi)萌生，沿(yan)表面(mian)向兩(liang)側同(tong)時(shi)擴(kuo)展(zhan)，最終匯合(he)成主裂紋(wen)。
裂紋萌(meng)生受力學(xue)作(zuo)用(yong)和電化學(xue)作(zuo)用(yong)共(gong)同作(zuo)用(yong)，而力學(xue)作(zuo)用(yong)占重要地(di)位(wei)(wei)。因(yin)此，由點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)引起的局(ju)部(bu)(bu)應力集中在很大(da)程度上決定(ding)了裂紋萌(meng)生位(wei)(wei)置。為了明確點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)形貌與裂紋萌(meng)生的關系，對點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)尺(chi)寸(cun)進行了測(ce)量。點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)深度采用(yong)顯微(wei)法測(ce)量，放大(da)倍數為200時的標尺(chi)如圖(tu)(tu)5-3(a)所示(shi)，觀(guan)察到(dao)的點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)底部(bu)(bu)和表面的圖(tu)(tu)像如圖(tu)(tu)5-3(b)所示(shi)。
根據測(ce)得的點蝕(shi)坑(keng)尺寸，采(cai)用(yong)(yong)(yong)ABAQUS軟件對(dui)不同形貌點蝕(shi)坑(keng)建立三維模(mo)(mo)型(xing)，分析點蝕(shi)坑(keng)內應力集中(zhong)情(qing)況。點蝕(shi)坑(keng)形貌簡化為半橢球形：b為蝕(shi)坑(keng)半長，沿拉伸(shen)方向(xiang)；c為蝕(shi)坑(keng)半寬，垂直于(yu)拉伸(shen)方向(xiang)；a為蝕(shi)坑(keng)深度。幾何模(mo)(mo)型(xing)和有(you)限(xian)元網(wang)格模(mo)(mo)型(xing)如圖(tu)5-4所示，模(mo)(mo)型(xing)中(zhong)部分點蝕(shi)坑(keng)尺寸來源于(yu)應力腐蝕(shi)試(shi)驗后試(shi)樣中(zhong)點蝕(shi)坑(keng)的實際(ji)尺寸。材料模(mo)(mo)型(xing)采(cai)用(yong)(yong)(yong)彈(dan)塑性模(mo)(mo)型(xing)，彈(dan)性模(mo)(mo)量E=210GPa,泊(bo)松(song)比v=0.3.XY面(mian)施加Z方向(xiang)的約束，即UY=0,XZ面(mian)采(cai)用(yong)(yong)(yong)對(dui)稱邊界。
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。
首先對深坑(keng)內應力分布進(jin)行了(le)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。
由以上(shang)模(mo)擬結果可知：應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)區垂直于(yu)拉伸方向，且呈帶(dai)狀(zhuang)分布(bu)，當(dang)深(shen)寬(kuan)比較大(da)時(shi)，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)帶(dai)從口(kou)部到底部逐漸變窄；深(shen)坑(keng)(keng)中(zhong)最(zui)大(da)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)出現在(zai)點(dian)蝕坑(keng)(keng)口(kou)下邊(bian)緣(yuan)，淺坑(keng)(keng)中(zhong)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)最(zui)大(da)值位于(yu)點(dian)蝕坑(keng)(keng)口(kou)或坑(keng)(keng)口(kou)下邊(bian)緣(yuan)；相同(tong)的(de)(de)長寬(kuan)比下，隨著a/2c值的(de)(de)減小(xiao)，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)程度降(jiang)低，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)分布(bu)帶(dai)變寬(kuan)且上(shang)下寬(kuan)度趨于(yu)均勻；而深(shen)度相同(tong)時(shi)，b/c值減小(xiao)，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)系數(shu)增大(da)。因此，點(dian)蝕坑(keng)(keng)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)系數(shu)的(de)(de)大(da)小(xiao)不(bu)僅(jin)與深(shen)寬(kuan)比有關，還與長寬(kuan)比有關，三者之間(jian)的(de)(de)關系如圖5-7所示。
不(bu)論(lun)是深坑(keng)還是淺(qian)(qian)坑(keng)，點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)口(kou)或(huo)下邊緣的(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)集中程(cheng)度(du)(du)最大(da)(da)，大(da)(da)部(bu)分裂(lie)紋會優先在此(ci)萌生，這(zhe)與在試驗和(he)實際失效(xiao)案例中觀(guan)察(cha)到的(de)(de)(de)現(xian)象(xiang)是一致(zhi)的(de)(de)(de)。然(ran)而，也發現(xian)了一些起(qi)源(yuan)于坑(keng)底的(de)(de)(de)裂(lie)紋，這(zhe)主要有兩(liang)方(fang)面的(de)(de)(de)原因：一是淺(qian)(qian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)坑(keng)口(kou)、坑(keng)肩和(he)坑(keng)底的(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)集中程(cheng)度(du)(du)相差很小，微小的(de)(de)(de)力(li)(li)學變(bian)化(hua)(hua)和(he)電化(hua)(hua)學溶解變(bian)化(hua)(hua)都可能引(yin)起(qi)裂(lie)紋萌生位置的(de)(de)(de)改變(bian)；二是實際點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)形貌并不(bu)是標準(zhun)的(de)(de)(de)半橢球形，受材料(liao)內部(bu)夾雜(za)及(ji)晶體結構的(de)(de)(de)影響，點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)內部(bu)可能產生次(ci)(ci)級點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)，如(ru)圖5-8所(suo)示(shi)(shi)，次(ci)(ci)級點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)的(de)(de)(de)存在引(yin)起(qi)最大(da)(da)應(ying)力(li)(li)集中位置的(de)(de)(de)改變(bian)。為了研究次(ci)(ci)級點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)對應(ying)力(li)(li)集中的(de)(de)(de)影響，在初(chu)級點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)的(de)(de)(de)基礎上(shang)建立次(ci)(ci)級點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)模型(xing)，并進(jin)行有限元模擬。點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)尺(chi)寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次(ci)(ci)級坑(keng)的(de)(de)(de)尺(chi)寸：a=b=c=0.01mm,幾何模型(xing)如(ru)圖5-9所(suo)示(shi)(shi)，施加(jia)10MPa的(de)(de)(de)單向(xiang)拉力(li)(li)，模擬結果(guo)如(ru)圖5-10所(suo)示(shi)(shi)。
由圖5-10可見，坑(keng)內(nei)最大(da)應力出現在次級點蝕(shi)坑(keng)的(de)坑(keng)口處，應力集(ji)中系數為3.2,坑(keng)底(di)的(de)應力為外加(jia)應力的(de)2.5倍；與(yu)圖5-6(b)相比，原點蝕(shi)坑(keng)坑(keng)肩和坑(keng)口位置的(de)應力集(ji)中程度基本(ben)沒變。
2. 裂紋萌(meng)生機(ji)理
對于奧氏(shi)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節的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)析發現，點蝕(shi)坑(keng)口和(he)坑(keng)肩部位應(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)最大(da)，裂(lie)紋會優先在此(ci)萌生(sheng)。材(cai)料的(de)(de)(de)(de)不均(jun)勻(yun)性(xing)和(he)局部的(de)(de)(de)(de)電化學反應(ying)對應(ying)力(li)腐蝕(shi)裂(lie)紋的(de)(de)(de)(de)萌生(sheng)也有一定的(de)(de)(de)(de)影響，雖然坑(keng)內裂(lie)紋萌生(sheng)概率會隨著應(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)的(de)(de)(de)(de)增(zeng)大(da)而(er)增(zeng)大(da)，但(dan)實(shi)際材(cai)料中(zhong)(zhong)夾雜和(he)缺陷的(de)(de)(de)(de)存在會改變(bian)局部的(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)分(fen)(fen)布(bu)情況(kuang)，由此(ci)造(zao)成理論分(fen)(fen)析和(he)實(shi)際的(de)(de)(de)(de)差距。特(te)別是較淺(qian)的(de)(de)(de)(de)點蝕(shi)坑(keng)，坑(keng)口、坑(keng)肩和(he)坑(keng)底(di)的(de)(de)(de)(de)應(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)相差不大(da)，裂(lie)紋可能會在多個位置萌生(sheng)。
把圖5-1(c)放大，發現點蝕坑底(di)部存在很多長度為(wei)6~8μm的(de)(de)微(wei)裂紋，這(zhe)些微(wei)裂紋都垂(chui)直于拉伸方向，如圖5-11所示。產生多條裂紋的(de)(de)原因是(shi)：點蝕坑底(di)部較(jiao)平坦，應力集(ji)中程度幾乎(hu)相同，只要在比較(jiao)薄(bo)弱(ruo)的(de)(de)位(wei)置就產生位(wei)錯滑移，進而產生微(wei)裂紋。最終，同一面的(de)(de)微(wei)裂紋匯(hui)聚成一條裂紋，成為(wei)主裂紋的(de)(de)起源(yuan)。
二、應力腐(fu)蝕裂紋擴(kuo)展概率分析(xi)
應力腐蝕裂(lie)紋擴展(zhan)過程具有“三段(duan)”式特點，裂(lie)紋擴展(zhan)速率(lv)與應力強度因子之間(jian)的關系如圖5-12所(suo)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)
應力(li)腐蝕裂紋擴展受環(huan)境、應力(li)狀態(tai)以(yi)及材(cai)料微觀結構和(he)(he)性能(neng)等眾多(duo)(duo)因(yin)(yin)素影響，不(bu)同情況(kuang)下的(de)(de)(de)(de)擴展速(su)(su)率不(bu)盡相同。到(dao)目(mu)(mu)前為止，裂紋擴展速(su)(su)率的(de)(de)(de)(de)預(yu)測仍是(shi)應力(li)腐蝕研究(jiu)的(de)(de)(de)(de)重點和(he)(he)難點。目(mu)(mu)前，大多(duo)(duo)數(shu)(shu)裂紋擴展模型(xing)(xing)(xing)(xing)針對核電設(she)備(bei)在高溫水環(huan)境中(zhong)的(de)(de)(de)(de)開(kai)裂，Shoji模型(xing)(xing)(xing)(xing)和(he)(he)Clark模型(xing)(xing)(xing)(xing)是(shi)兩(liang)個最具代表性的(de)(de)(de)(de)定量預(yu)測模型(xing)(xing)(xing)(xing)。Shoji模型(xing)(xing)(xing)(xing)完全基于理論推導而(er)獲得(de)，模型(xing)(xing)(xing)(xing)中(zhong)涉及的(de)(de)(de)(de)變量較多(duo)(duo)，雖然能(neng)夠(gou)分析(xi)各種環(huan)境、材(cai)料和(he)(he)力(li)學因(yin)(yin)素對裂紋擴展速(su)(su)率的(de)(de)(de)(de)影響，但(dan)公(gong)(gong)式非常復雜(za)，解析(xi)和(he)(he)計算困難，且公(gong)(gong)式中(zhong)包含很多(duo)(duo)材(cai)料參數(shu)(shu)和(he)(he)電化學參數(shu)(shu)，組(zu)合后所代表的(de)(de)(de)(de)物理意義(yi)不(bu)夠(gou)清晰(xi)，定量化后的(de)(de)(de)(de)精度(du)難以(yi)保證，因(yin)(yin)此與工程應用距離較遠。
Clark模(mo)型是(shi)針對不同(tong)材料，根據實驗(yan)數據得(de)到的(de)一種經驗(yan)模(mo)型，模(mo)型中(zhong)考慮了溫度和材料的(de)屈服(fu)強度對裂紋擴展速率的(de)影(ying)響。Clark模(mo)型通用表達式為(wei)：
由于Clark模型(xing)中參數(shu)較(jiao)少，且溫度(du)和屈服(fu)強度(du)較(jiao)容易(yi)測(ce)得，因此該模型(xing)在實際工(gong)程中得到了廣泛采用。本節(jie)便(bian)采用Clark模型(xing)研(yan)究奧氏體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(lie)紋擴展概(gai)率(lv)分析
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(xiu)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(xiu)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、總結
本(ben)次主要討論(lun)了點蝕坑(keng)內(nei)裂紋的萌(meng)生以(yi)及擴(kuo)展。
①. 觀(guan)察了(le)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)的形(xing)貌，測(ce)量了(le)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)的尺寸(cun)。采(cai)用有限元方法(fa)計算了(le)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)內的應(ying)力(li)集中系數(shu)，得到了(le)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)不同尺寸(cun)對力(li)集中系數(shu)的影響規律。從應(ying)力(li)角度出發(fa)，分析了(le)應(ying)力(li)集中與裂紋(wen)萌生之間的關系。
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. 得到了材料屈(qu)服強度的(de)分布函數，對應(ying)力腐(fu)蝕裂紋擴展的(de)隨機性進行了分析。
