存在拉應力的情況(kuang)下，香蕉視頻app連接:應力腐蝕裂(lie)(lie)紋優先在(zai)點蝕坑(keng)(keng)(keng)處萌(meng)生并擴展。在(zai)本(ben)章中，基于對點蝕坑(keng)(keng)(keng)內裂(lie)(lie)紋萌(meng)生位置的(de)觀察，計算點蝕坑(keng)(keng)(keng)內的(de)應(ying)力集中系數，分(fen)析點蝕坑(keng)(keng)(keng)形貌對裂(lie)(lie)紋萌(meng)生的(de)影響以及點蝕坑(keng)(keng)(keng)內裂(lie)(lie)紋萌(meng)生機理(li)。對高溫低(di)CI-濃度(du)環境中裂(lie)紋的擴(kuo)展(zhan)速(su)率進行(xing)研究，并(bing)分析裂(lie)紋擴(kuo)展(zhan)的隨機性。
一、應力腐蝕裂紋的萌生
1. 點蝕坑(keng)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。
由圖5-1和(he)圖5-2可看(kan)出(chu)，裂紋在點蝕(shi)坑處的(de)萌(meng)生和(he)擴展方式主(zhu)要有以(yi)下四種情況：
①. 裂紋(wen)萌(meng)生于坑底，在垂直于拉應力方向沿蝕坑表面(mian)一直擴展到坑外表面(mian)；
②. 裂紋萌生于坑(keng)底，只(zhi)沿材料厚度方向擴展，不向坑(keng)外表面擴展；
③. 裂(lie)紋(wen)萌生于坑口或(huo)坑肩，只向坑外(wai)表面(mian)擴(kuo)展；
④. 裂紋(wen)在底部和(he)坑口(kou)處(chu)同時萌(meng)生，沿表面向兩(liang)側同時擴展，最終(zhong)匯(hui)合成主裂紋(wen)。
裂(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)受力(li)學(xue)作(zuo)用和電化學(xue)作(zuo)用共(gong)同(tong)作(zuo)用，而力(li)學(xue)作(zuo)用占(zhan)重要地(di)位。因此，由點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑引起的(de)局部應(ying)力(li)集中在很大程度上(shang)決定(ding)了裂(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)位置(zhi)。為了明確點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑形貌與裂(lie)紋(wen)(wen)萌生(sheng)的(de)關系，對點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑尺寸進(jin)行(xing)了測量。點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑深度采用顯微法(fa)測量，放大倍數為200時的(de)標(biao)尺如圖5-3(a)所示，觀察到的(de)點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑底部和表面的(de)圖像(xiang)如圖5-3(b)所示。
根(gen)據測得的(de)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸(cun)，采(cai)用(yong)ABAQUS軟件對不同形(xing)貌(mao)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)建立三維模型(xing)(xing)(xing)(xing)，分析點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)內應力(li)(li)集中(zhong)情況。點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)形(xing)貌(mao)簡(jian)化為半橢(tuo)球形(xing)：b為蝕(shi)坑(keng)(keng)半長，沿(yan)拉伸方(fang)(fang)向；c為蝕(shi)坑(keng)(keng)半寬，垂直于拉伸方(fang)(fang)向；a為蝕(shi)坑(keng)(keng)深(shen)度(du)。幾何模型(xing)(xing)(xing)(xing)和有限元(yuan)網(wang)格模型(xing)(xing)(xing)(xing)如圖5-4所示(shi)，模型(xing)(xing)(xing)(xing)中(zhong)部分點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸(cun)來源于應力(li)(li)腐蝕(shi)試(shi)驗(yan)后(hou)試(shi)樣中(zhong)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)的(de)實際(ji)尺寸(cun)。材料模型(xing)(xing)(xing)(xing)采(cai)用(yong)彈塑性(xing)模型(xing)(xing)(xing)(xing)，彈性(xing)模量E=210GPa,泊松比v=0.3.XY面(mian)施加Z方(fang)(fang)向的(de)約束，即UY=0,XZ面(mian)采(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。
首先對(dui)深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，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(mo)擬結果可知：應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)區(qu)垂直(zhi)于拉伸方向(xiang)，且(qie)(qie)呈(cheng)帶(dai)狀(zhuang)分布(bu)(bu)，當深(shen)寬(kuan)比(bi)較大(da)時(shi)，應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)帶(dai)從口(kou)(kou)部(bu)到底部(bu)逐漸變窄；深(shen)坑中(zhong)(zhong)最大(da)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)出現在點(dian)蝕坑口(kou)(kou)下(xia)(xia)邊(bian)緣，淺坑中(zhong)(zhong)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)最大(da)值(zhi)(zhi)位于點(dian)蝕坑口(kou)(kou)或坑口(kou)(kou)下(xia)(xia)邊(bian)緣；相同的(de)(de)長(chang)(chang)寬(kuan)比(bi)下(xia)(xia)，隨著(zhu)a/2c值(zhi)(zhi)的(de)(de)減小(xiao)，應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)程度(du)降低，應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)分布(bu)(bu)帶(dai)變寬(kuan)且(qie)(qie)上下(xia)(xia)寬(kuan)度(du)趨(qu)于均勻；而深(shen)度(du)相同時(shi)，b/c值(zhi)(zhi)減小(xiao)，應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)系(xi)數增大(da)。因(yin)此(ci)，點(dian)蝕坑應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)集中(zhong)(zhong)系(xi)數的(de)(de)大(da)小(xiao)不僅與深(shen)寬(kuan)比(bi)有(you)關(guan)，還與長(chang)(chang)寬(kuan)比(bi)有(you)關(guan)，三者之間的(de)(de)關(guan)系(xi)如圖5-7所示(shi)。
不(bu)論是(shi)深坑(keng)還(huan)是(shi)淺坑(keng)，點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)口或下邊緣的(de)(de)(de)(de)應力集中程(cheng)度最大，大部分裂(lie)(lie)紋(wen)會優先(xian)在(zai)此萌(meng)生(sheng)(sheng)，這與(yu)在(zai)試驗和實際失效案例中觀察(cha)到的(de)(de)(de)(de)現(xian)象是(shi)一(yi)致的(de)(de)(de)(de)。然而，也發現(xian)了一(yi)些起(qi)源于坑(keng)底的(de)(de)(de)(de)裂(lie)(lie)紋(wen)，這主要有兩方面(mian)的(de)(de)(de)(de)原因：一(yi)是(shi)淺蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)坑(keng)口、坑(keng)肩(jian)和坑(keng)底的(de)(de)(de)(de)應力集中程(cheng)度相差很(hen)小(xiao)，微(wei)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)力學變(bian)化和電化學溶解(jie)變(bian)化都可(ke)能(neng)引起(qi)裂(lie)(lie)紋(wen)萌(meng)生(sheng)(sheng)位(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)(de)改(gai)變(bian)；二是(shi)實際點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)形貌并(bing)不(bu)是(shi)標(biao)準的(de)(de)(de)(de)半橢球形，受材料內部夾(jia)雜及晶(jing)體結構的(de)(de)(de)(de)影響，點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)內部可(ke)能(neng)產生(sheng)(sheng)次(ci)級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)，如圖5-8所示(shi)，次(ci)級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)的(de)(de)(de)(de)存在(zai)引起(qi)最大應力集中位(wei)置(zhi)的(de)(de)(de)(de)改(gai)變(bian)。為了研(yan)究次(ci)級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)對應力集中的(de)(de)(de)(de)影響，在(zai)初(chu)級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)的(de)(de)(de)(de)基礎上(shang)建立次(ci)級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)模(mo)型，并(bing)進行有限元模(mo)擬。點蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)尺寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次(ci)級(ji)坑(keng)的(de)(de)(de)(de)尺寸：a=b=c=0.01mm,幾何模(mo)型如圖5-9所示(shi)，施加10MPa的(de)(de)(de)(de)單向拉力，模(mo)擬結果如圖5-10所示(shi)。
由圖(tu)5-10可見，坑內最大應(ying)(ying)力(li)出現在次級點(dian)蝕(shi)坑的坑口(kou)處，應(ying)(ying)力(li)集(ji)中系數為3.2,坑底(di)的應(ying)(ying)力(li)為外加應(ying)(ying)力(li)的2.5倍；與圖(tu)5-6(b)相比，原(yuan)點(dian)蝕(shi)坑坑肩和坑口(kou)位置(zhi)的應(ying)(ying)力(li)集(ji)中程度基本沒變。
2. 裂紋萌生機(ji)理
對于奧氏體(ti)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(cong)5.1.1節的(de)(de)分(fen)析發現，點蝕(shi)(shi)坑(keng)口和(he)(he)坑(keng)肩部(bu)位應(ying)力(li)(li)集(ji)(ji)中程度最(zui)大，裂(lie)紋(wen)會(hui)優先在此萌生(sheng)(sheng)。材(cai)料(liao)的(de)(de)不均勻性和(he)(he)局(ju)部(bu)的(de)(de)電(dian)化學反應(ying)對應(ying)力(li)(li)腐蝕(shi)(shi)裂(lie)紋(wen)的(de)(de)萌生(sheng)(sheng)也有一定的(de)(de)影響(xiang)，雖然坑(keng)內(nei)裂(lie)紋(wen)萌生(sheng)(sheng)概率會(hui)隨(sui)著應(ying)力(li)(li)集(ji)(ji)中程度的(de)(de)增(zeng)大而增(zeng)大，但實(shi)際材(cai)料(liao)中夾雜和(he)(he)缺陷的(de)(de)存(cun)在會(hui)改變局(ju)部(bu)的(de)(de)應(ying)力(li)(li)集(ji)(ji)中分(fen)布(bu)情況，由此造成理論分(fen)析和(he)(he)實(shi)際的(de)(de)差(cha)距。特別是較淺的(de)(de)點蝕(shi)(shi)坑(keng)，坑(keng)口、坑(keng)肩和(he)(he)坑(keng)底的(de)(de)應(ying)力(li)(li)集(ji)(ji)中程度相差(cha)不大，裂(lie)紋(wen)可能會(hui)在多個位置萌生(sheng)(sheng)。
把圖5-1(c)放大，發現(xian)點(dian)蝕坑底(di)部存在很多長度(du)為(wei)(wei)6~8μm的(de)微裂紋(wen)(wen)，這些微裂紋(wen)(wen)都垂直于(yu)拉伸(shen)方向，如圖5-11所示。產(chan)(chan)生(sheng)多條裂紋(wen)(wen)的(de)原因是：點(dian)蝕坑底(di)部較(jiao)(jiao)平(ping)坦，應(ying)力集中程度(du)幾(ji)乎相同，只要在比(bi)較(jiao)(jiao)薄弱的(de)位置就(jiu)產(chan)(chan)生(sheng)位錯滑移，進而產(chan)(chan)生(sheng)微裂紋(wen)(wen)。最(zui)終，同一面(mian)的(de)微裂紋(wen)(wen)匯聚成(cheng)一條裂紋(wen)(wen)，成(cheng)為(wei)(wei)主裂紋(wen)(wen)的(de)起源。
二、應(ying)力腐蝕裂紋擴展概率分析
應力腐蝕裂紋(wen)擴(kuo)展(zhan)過(guo)程具有“三段”式特點，裂紋(wen)擴(kuo)展(zhan)速率(lv)與應力強度因子之(zhi)間的(de)關(guan)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(wen)擴展速(su)率估算
應力腐蝕(shi)裂(lie)紋擴(kuo)展受環境(jing)、應力狀態以(yi)及材料(liao)微(wei)觀結構和(he)性(xing)能等眾多(duo)因(yin)素(su)影響(xiang)，不(bu)同情況下的(de)(de)擴(kuo)展速(su)率(lv)不(bu)盡(jin)相同。到目前為止(zhi)，裂(lie)紋擴(kuo)展速(su)率(lv)的(de)(de)預(yu)測仍是應力腐蝕(shi)研究的(de)(de)重點(dian)和(he)難點(dian)。目前，大多(duo)數裂(lie)紋擴(kuo)展模(mo)型(xing)針對(dui)核電設備(bei)在高溫(wen)水環境(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)開裂(lie)，Shoji模(mo)型(xing)和(he)Clark模(mo)型(xing)是兩(liang)個最具代表性(xing)的(de)(de)定(ding)量預(yu)測模(mo)型(xing)。Shoji模(mo)型(xing)完全(quan)基于理論推(tui)導而獲得，模(mo)型(xing)中(zhong)(zhong)(zhong)涉及的(de)(de)變量較多(duo)，雖然能夠分析各種環境(jing)、材料(liao)和(he)力學因(yin)素(su)對(dui)裂(lie)紋擴(kuo)展速(su)率(lv)的(de)(de)影響(xiang)，但公式(shi)(shi)非常(chang)復雜，解析和(he)計(ji)算困難，且公式(shi)(shi)中(zhong)(zhong)(zhong)包含很多(duo)材料(liao)參(can)數和(he)電化(hua)學參(can)數，組(zu)合后所代表的(de)(de)物理意(yi)義不(bu)夠清晰，定(ding)量化(hua)后的(de)(de)精度難以(yi)保證，因(yin)此(ci)與工(gong)程應用距離較遠。
Clark模(mo)(mo)型(xing)(xing)是針對不同材料，根(gen)據實(shi)驗(yan)數(shu)據得到的(de)一種經驗(yan)模(mo)(mo)型(xing)(xing)，模(mo)(mo)型(xing)(xing)中考慮(lv)了溫度和材料的(de)屈服強度對裂(lie)紋擴展速率的(de)影(ying)響。Clark模(mo)(mo)型(xing)(xing)通用表達式為：
由于Clark模型中參數較少，且(qie)溫度和屈服強度較容易測得，因此該模型在實際工程中得到了廣泛采用。本節便采用Clark模型研究(jiu)奧氏體不銹(xiu)鋼(gang)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(gai)率(lv)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(jie)
本次(ci)主要討(tao)論了(le)點蝕(shi)坑內裂紋的萌生(sheng)以及擴展(zhan)。
①. 觀察了點(dian)(dian)蝕坑的(de)形(xing)貌，測量了點(dian)(dian)蝕坑的(de)尺寸(cun)。采用有(you)限(xian)元方法計算(suan)了點(dian)(dian)蝕坑內的(de)應力(li)集中(zhong)(zhong)系(xi)數(shu)，得到了點(dian)(dian)蝕坑不(bu)同尺寸(cun)對(dui)力(li)集中(zhong)(zhong)系(xi)數(shu)的(de)影響規律。從應力(li)角度出發，分析了應力(li)集中(zhong)(zhong)與裂(lie)紋萌生之間的(de)關系(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(le)材料(liao)屈服強度的分(fen)布函數，對應力腐蝕裂(lie)紋擴展(zhan)的隨機性進行了(le)分(fen)析。
