存(cun)在(zai)拉(la)應力的(de)情況下，香蕉視頻app連接:應力腐蝕裂(lie)紋(wen)(wen)優先在點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)處萌生(sheng)并擴展。在本章(zhang)中，基于對點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)內(nei)裂(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)位置的(de)(de)觀察，計算點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)內(nei)的(de)(de)應力集中系數，分(fen)析點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)形貌對裂(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)的(de)(de)影響以及點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)內(nei)裂(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)機理。對高溫低CI-濃度環境中(zhong)裂紋的(de)擴展速率(lv)進行(xing)研(yan)究，并分析裂紋擴展的(de)隨機性。
一(yi)、應(ying)力(li)腐(fu)蝕裂(lie)紋的萌生
1. 點蝕坑(keng)形(xing)貌對(dui)裂紋萌生(sheng)的影(ying)響
從電化學角度來說，由于金屬離子的水解，點(dian)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和圖(tu)5-2可看出，裂(lie)紋在點蝕(shi)坑處的(de)萌生和擴展方式主要有以下四種情(qing)況：
①. 裂紋(wen)萌(meng)生于坑(keng)底(di)，在(zai)垂(chui)直于拉應力方向沿蝕坑(keng)表面一(yi)直擴(kuo)展(zhan)到坑(keng)外表面；
②. 裂紋萌(meng)生于(yu)坑底，只(zhi)沿材料厚度方向擴展，不向坑外表(biao)面擴展；
③. 裂紋萌(meng)生于坑(keng)口或坑(keng)肩，只向坑(keng)外表面擴展；
④. 裂紋在底部和坑口處(chu)同時萌生，沿表面向兩側同時擴(kuo)展，最終匯合成(cheng)主(zhu)裂紋。
裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)受力學(xue)(xue)作用和電化(hua)學(xue)(xue)作用共同作用，而力學(xue)(xue)作用占重要(yao)地(di)位(wei)。因此，由點(dian)蝕(shi)坑引起的局部(bu)應力集(ji)中在很(hen)大(da)程(cheng)度(du)上決(jue)定了裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)位(wei)置。為了明確點(dian)蝕(shi)坑形貌與裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)的關系，對點(dian)蝕(shi)坑尺寸進行了測量。點(dian)蝕(shi)坑深(shen)度(du)采用顯微法測量，放大(da)倍數為200時的標尺如圖5-3(a)所示，觀察(cha)到的點(dian)蝕(shi)坑底部(bu)和表(biao)面的圖像如圖5-3(b)所示。
根據測(ce)得的(de)(de)點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)尺(chi)寸(cun)，采(cai)(cai)用(yong)ABAQUS軟(ruan)件(jian)對不同形貌點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)建立(li)三維模(mo)(mo)型，分(fen)析點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內(nei)應力(li)(li)集中情況(kuang)。點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)形貌簡化為半(ban)橢球形：b為蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)半(ban)長，沿(yan)拉伸方向；c為蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)半(ban)寬，垂(chui)直于(yu)拉伸方向；a為蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)深度。幾(ji)何模(mo)(mo)型和有限(xian)元網格模(mo)(mo)型如圖5-4所(suo)示，模(mo)(mo)型中部分(fen)點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)尺(chi)寸(cun)來源(yuan)于(yu)應力(li)(li)腐蝕(shi)(shi)試(shi)驗后試(shi)樣中點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)(de)實際尺(chi)寸(cun)。材料(liao)模(mo)(mo)型采(cai)(cai)用(yong)彈塑性模(mo)(mo)型，彈性模(mo)(mo)量(liang)E=210GPa,泊松比v=0.3.XY面施加(jia)Z方向的(de)(de)約束，即(ji)UY=0,XZ面采(cai)(cai)用(yong)對稱邊界。
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(shou)先對深坑(keng)內應力(li)分布進行了(le)模擬(ni)，結果如(ru)圖5-5所示(shi)。
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。
由以上模擬結(jie)果可知：應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)區(qu)垂直(zhi)于(yu)拉伸(shen)方向(xiang)，且(qie)呈(cheng)帶(dai)狀分布，當深寬(kuan)(kuan)(kuan)(kuan)比較大(da)時，應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)帶(dai)從口(kou)(kou)部到底部逐(zhu)漸(jian)變窄；深坑(keng)中(zhong)(zhong)最大(da)應(ying)(ying)力(li)(li)出現在點蝕(shi)坑(keng)口(kou)(kou)下邊緣，淺坑(keng)中(zhong)(zhong)應(ying)(ying)力(li)(li)最大(da)值位于(yu)點蝕(shi)坑(keng)口(kou)(kou)或坑(keng)口(kou)(kou)下邊緣；相同的(de)長寬(kuan)(kuan)(kuan)(kuan)比下，隨著a/2c值的(de)減小，應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)程度(du)降低，應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)分布帶(dai)變寬(kuan)(kuan)(kuan)(kuan)且(qie)上下寬(kuan)(kuan)(kuan)(kuan)度(du)趨于(yu)均勻(yun)；而深度(du)相同時，b/c值減小，應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)系(xi)數增大(da)。因此，點蝕(shi)坑(keng)應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)系(xi)數的(de)大(da)小不僅與深寬(kuan)(kuan)(kuan)(kuan)比有(you)關(guan)，還與長寬(kuan)(kuan)(kuan)(kuan)比有(you)關(guan)，三者之間的(de)關(guan)系(xi)如圖5-7所示。
不論是(shi)深坑(keng)(keng)還是(shi)淺(qian)坑(keng)(keng)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)口或下邊(bian)緣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應力集中(zhong)程度最大(da)，大(da)部分裂(lie)(lie)紋會優先在此(ci)萌生(sheng)，這與在試驗和實際失效案(an)例中(zhong)觀察到的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)現象是(shi)一(yi)致的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。然而，也發(fa)現了一(yi)些(xie)起(qi)(qi)源(yuan)于坑(keng)(keng)底(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)紋，這主要有(you)兩方面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)原因：一(yi)是(shi)淺(qian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)底(di)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應力集中(zhong)程度相差很小，微小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)力學(xue)(xue)變化(hua)和電化(hua)學(xue)(xue)溶解變化(hua)都可(ke)能引起(qi)(qi)裂(lie)(lie)紋萌生(sheng)位置(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)變；二是(shi)實際點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)貌并(bing)不是(shi)標準的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)半橢球形(xing)，受材料內部夾(jia)雜及晶體(ti)結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內部可(ke)能產生(sheng)次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)，如(ru)圖(tu)(tu)5-8所(suo)示，次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)存在引起(qi)(qi)最大(da)應力集中(zhong)位置(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)變。為(wei)了研究次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)對應力集中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影響，在初級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)基(ji)礎(chu)上建立次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)模(mo)型，并(bing)進行有(you)限元模(mo)擬(ni)。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)尺寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次(ci)級(ji)坑(keng)(keng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸：a=b=c=0.01mm,幾何模(mo)型如(ru)圖(tu)(tu)5-9所(suo)示，施(shi)加10MPa的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)單向拉力，模(mo)擬(ni)結果如(ru)圖(tu)(tu)5-10所(suo)示。
由圖5-10可見，坑(keng)(keng)內(nei)最大應(ying)(ying)力(li)出現在次級點蝕(shi)坑(keng)(keng)的(de)坑(keng)(keng)口處，應(ying)(ying)力(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)系(xi)數為(wei)3.2,坑(keng)(keng)底的(de)應(ying)(ying)力(li)為(wei)外(wai)加應(ying)(ying)力(li)的(de)2.5倍；與圖5-6(b)相比，原點蝕(shi)坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)肩(jian)和坑(keng)(keng)口位(wei)置的(de)應(ying)(ying)力(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)程度(du)基(ji)本沒(mei)變。
2. 裂(lie)紋(wen)萌生機(ji)理
對于奧氏體(ti)不銹(xiu)鋼(gang)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節的分(fen)析發現，點蝕坑(keng)(keng)(keng)口(kou)和(he)(he)(he)坑(keng)(keng)(keng)肩(jian)部位應力(li)集(ji)中(zhong)程度最大(da)，裂(lie)紋(wen)會(hui)優先在此萌生(sheng)。材料(liao)(liao)的不均勻性和(he)(he)(he)局部的電(dian)化學反應對應力(li)腐蝕裂(lie)紋(wen)的萌生(sheng)也有一定的影響，雖然坑(keng)(keng)(keng)內(nei)裂(lie)紋(wen)萌生(sheng)概率會(hui)隨(sui)著(zhu)應力(li)集(ji)中(zhong)程度的增大(da)而(er)增大(da)，但(dan)實(shi)際材料(liao)(liao)中(zhong)夾(jia)雜和(he)(he)(he)缺陷(xian)的存在會(hui)改變(bian)局部的應力(li)集(ji)中(zhong)分(fen)布情況，由(you)此造(zao)成(cheng)理論分(fen)析和(he)(he)(he)實(shi)際的差(cha)距。特別是(shi)較淺的點蝕坑(keng)(keng)(keng)，坑(keng)(keng)(keng)口(kou)、坑(keng)(keng)(keng)肩(jian)和(he)(he)(he)坑(keng)(keng)(keng)底的應力(li)集(ji)中(zhong)程度相(xiang)差(cha)不大(da)，裂(lie)紋(wen)可(ke)能會(hui)在多個位置萌生(sheng)。
把圖5-1(c)放大，發現點蝕坑(keng)底部存在很多(duo)長度(du)為6~8μm的(de)微裂(lie)紋(wen)(wen)，這些微裂(lie)紋(wen)(wen)都(dou)垂直(zhi)于拉伸(shen)方向，如圖5-11所示。產生(sheng)多(duo)條(tiao)(tiao)裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)原因是：點蝕坑(keng)底部較平(ping)坦(tan)，應力集中程度(du)幾乎相同，只要在比(bi)較薄弱的(de)位(wei)置就(jiu)產生(sheng)位(wei)錯滑移，進而產生(sheng)微裂(lie)紋(wen)(wen)。最(zui)終(zhong)，同一(yi)面(mian)的(de)微裂(lie)紋(wen)(wen)匯(hui)聚成一(yi)條(tiao)(tiao)裂(lie)紋(wen)(wen)，成為主裂(lie)紋(wen)(wen)的(de)起源。
二、應力(li)腐(fu)蝕裂紋擴(kuo)展概率分析
應力腐蝕(shi)裂紋擴展(zhan)過程具有(you)“三段”式特點，裂紋擴展(zhan)速率與(yu)應力強度因(yin)子之間的(de)關系(xi)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(lie)紋擴展速率估(gu)算(suan)
應力(li)(li)腐蝕裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)擴展受環境(jing)、應力(li)(li)狀態以及(ji)材(cai)(cai)料微觀結構和(he)性能等眾多因(yin)素影響，不同情況下的擴展速率不盡相同。到(dao)目前為止，裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)擴展速率的預(yu)測(ce)(ce)仍是(shi)應力(li)(li)腐蝕研究(jiu)的重點和(he)難(nan)點。目前，大(da)多數裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)擴展模(mo)型(xing)針對核電設備在高溫水環境(jing)中(zhong)(zhong)的開(kai)裂(lie)(lie)(lie)，Shoji模(mo)型(xing)和(he)Clark模(mo)型(xing)是(shi)兩個最具代表(biao)性的定量(liang)預(yu)測(ce)(ce)模(mo)型(xing)。Shoji模(mo)型(xing)完(wan)全基于理論推導而獲得，模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)涉及(ji)的變量(liang)較多，雖(sui)然(ran)能夠(gou)分析各種環境(jing)、材(cai)(cai)料和(he)力(li)(li)學因(yin)素對裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)擴展速率的影響，但公(gong)式(shi)非(fei)常復雜，解析和(he)計(ji)算(suan)困難(nan)，且公(gong)式(shi)中(zhong)(zhong)包含很多材(cai)(cai)料參(can)數和(he)電化學參(can)數，組合(he)后所代表(biao)的物理意(yi)義不夠(gou)清晰，定量(liang)化后的精度(du)難(nan)以保證(zheng)，因(yin)此(ci)與工程應用距離(li)較遠。
Clark模(mo)型(xing)(xing)是針對不同材(cai)料，根據實驗數據得到的一種經(jing)驗模(mo)型(xing)(xing)，模(mo)型(xing)(xing)中考慮了溫度和材(cai)料的屈(qu)服(fu)強度對裂紋擴展速率的影響(xiang)。Clark模(mo)型(xing)(xing)通用表達式為：
由于Clark模型(xing)中參數(shu)較(jiao)少，且溫(wen)度和屈服(fu)強度較(jiao)容(rong)易(yi)測得，因此(ci)該模型(xing)在實(shi)際工程中得到了廣泛采用。本(ben)節(jie)便(bian)采用Clark模型(xing)研究奧氏體不(bu)銹鋼的(de)裂紋(wen)擴展速率問(wen)題(ti)。
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不銹鋼和304L不銹(xiu)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(san)、總結
本(ben)次主要討論了點蝕坑內裂紋(wen)的(de)萌生以及擴展。
①. 觀察了點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)形貌，測(ce)量了點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)尺寸(cun)(cun)。采用有(you)限元方法計算了點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內(nei)的(de)應(ying)力(li)集(ji)中系數，得到了點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)不(bu)同尺寸(cun)(cun)對力(li)集(ji)中系數的(de)影響規律。從應(ying)力(li)角度(du)出發(fa)，分析了應(ying)力(li)集(ji)中與裂(lie)紋萌(meng)生之(zhi)間的(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(dao)了材(cai)料屈(qu)服強度的(de)分(fen)(fen)布函數(shu)，對應(ying)力腐蝕(shi)裂紋(wen)擴展(zhan)的(de)隨機性(xing)進行了分(fen)(fen)析。
