存在拉(la)應(ying)力的(de)情況(kuang)下，香蕉視頻app連接:應力腐蝕裂(lie)紋優先在點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)處萌生(sheng)并擴(kuo)展。在本章中，基于對點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)內裂(lie)紋萌生(sheng)位置的觀察(cha)，計(ji)算點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)內的應力集中系數，分(fen)析點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)形貌對裂(lie)紋萌生(sheng)的影響以及(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕坑(keng)內裂(lie)紋萌生(sheng)機理(li)。對高溫低(di)CI-濃度(du)環境中裂紋的擴(kuo)展(zhan)速(su)率進(jin)行研究，并分析裂紋擴(kuo)展(zhan)的隨機(ji)性(xing)。
一、應力腐蝕裂紋的萌生
1. 點蝕(shi)坑形貌對裂(lie)紋萌(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和圖5-2可看出，裂紋在點蝕坑處的萌生和擴展方式主要有以下四種情況：
①. 裂(lie)紋萌(meng)生于(yu)坑底，在垂直于(yu)拉應力方向沿(yan)蝕坑表(biao)(biao)面(mian)一直擴展(zhan)到坑外表(biao)(biao)面(mian)；
②. 裂紋萌生于坑(keng)底，只沿材料厚度方向擴展，不向坑(keng)外表(biao)面擴展；
③. 裂(lie)紋(wen)萌生于坑(keng)口或(huo)坑(keng)肩，只(zhi)向坑(keng)外表(biao)面擴展(zhan)；
④. 裂紋在底(di)部(bu)和坑口處同時(shi)萌生，沿表面(mian)向兩側同時(shi)擴(kuo)展(zhan)，最(zui)終(zhong)匯合成主裂紋。
裂紋(wen)萌生受力(li)學(xue)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)和電化學(xue)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)共(gong)同(tong)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)，而力(li)學(xue)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)占重要地位。因(yin)此，由點蝕(shi)坑(keng)引起的(de)(de)(de)局部應力(li)集中在很大程(cheng)度上決定了裂紋(wen)萌生位置。為了明(ming)確點蝕(shi)坑(keng)形貌與裂紋(wen)萌生的(de)(de)(de)關系，對點蝕(shi)坑(keng)尺寸進行(xing)了測量。點蝕(shi)坑(keng)深度采(cai)用(yong)(yong)顯(xian)微法測量，放大倍數為200時的(de)(de)(de)標尺如圖(tu)5-3(a)所(suo)示(shi)，觀察到(dao)的(de)(de)(de)點蝕(shi)坑(keng)底部和表面的(de)(de)(de)圖(tu)像如圖(tu)5-3(b)所(suo)示(shi)。
根(gen)據測(ce)得的(de)點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)尺(chi)(chi)寸(cun)，采用(yong)ABAQUS軟件對(dui)不同形貌點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)建立三維模(mo)型(xing)，分析點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)內應(ying)力集(ji)中情況。點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)形貌簡化(hua)為半橢球形：b為蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)半長，沿拉(la)伸方(fang)(fang)向；c為蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)半寬(kuan)，垂直于拉(la)伸方(fang)(fang)向；a為蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)深度(du)。幾何模(mo)型(xing)和(he)有(you)限元(yuan)網格模(mo)型(xing)如圖5-4所示，模(mo)型(xing)中部分點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)尺(chi)(chi)寸(cun)來源于應(ying)力腐蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)驗后試(shi)樣中點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)的(de)實際尺(chi)(chi)寸(cun)。材料模(mo)型(xing)采用(yong)彈(dan)(dan)塑性模(mo)型(xing)，彈(dan)(dan)性模(mo)量E=210GPa,泊松比v=0.3.XY面(mian)施加(jia)Z方(fang)(fang)向的(de)約束(shu)，即UY=0,XZ面(mian)采用(yong)對(dui)稱邊界(jie)。
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(ying)力(li)分布(bu)進行了(le)模擬，結果如(ru)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。
由以上模擬結(jie)果可知：應力(li)集中(zhong)(zhong)區(qu)垂直于拉伸(shen)方(fang)向(xiang)，且呈(cheng)帶(dai)狀分(fen)布，當深(shen)寬比較大(da)(da)時，應力(li)集中(zhong)(zhong)帶(dai)從口部到(dao)底部逐漸變窄；深(shen)坑(keng)中(zhong)(zhong)最大(da)(da)應力(li)出現在點蝕(shi)坑(keng)口下(xia)(xia)邊(bian)緣(yuan)，淺坑(keng)中(zhong)(zhong)應力(li)最大(da)(da)值位于點蝕(shi)坑(keng)口或(huo)坑(keng)口下(xia)(xia)邊(bian)緣(yuan)；相同(tong)的(de)(de)長寬比下(xia)(xia)，隨著a/2c值的(de)(de)減(jian)小，應力(li)集中(zhong)(zhong)程度(du)降(jiang)低(di)，應力(li)集中(zhong)(zhong)分(fen)布帶(dai)變寬且上下(xia)(xia)寬度(du)趨于均勻；而深(shen)度(du)相同(tong)時，b/c值減(jian)小，應力(li)集中(zhong)(zhong)系(xi)數(shu)增大(da)(da)。因此，點蝕(shi)坑(keng)應力(li)集中(zhong)(zhong)系(xi)數(shu)的(de)(de)大(da)(da)小不(bu)僅(jin)與深(shen)寬比有關，還與長寬比有關，三者之(zhi)間的(de)(de)關系(xi)如圖5-7所示。
不(bu)論是(shi)(shi)深坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)還是(shi)(shi)淺坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)，點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)口或下邊緣的應(ying)力(li)集中程度(du)最(zui)大(da)(da)，大(da)(da)部分裂紋(wen)會(hui)優先在(zai)(zai)此(ci)萌生，這與在(zai)(zai)試(shi)驗和實(shi)際失效案例中觀(guan)察到(dao)的現象是(shi)(shi)一(yi)致(zhi)的。然而，也發現了一(yi)些(xie)起源(yuan)于(yu)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)底的裂紋(wen)，這主要有兩方(fang)面的原因：一(yi)是(shi)(shi)淺蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)底的應(ying)力(li)集中程度(du)相差很小，微小的力(li)學(xue)變(bian)(bian)化(hua)和電化(hua)學(xue)溶解變(bian)(bian)化(hua)都可能引(yin)(yin)起裂紋(wen)萌生位置的改變(bian)(bian)；二是(shi)(shi)實(shi)際點蝕(shi)(shi)(shi)的形貌并不(bu)是(shi)(shi)標準的半橢球形，受材料內(nei)部夾雜(za)及晶體結(jie)構的影(ying)(ying)響(xiang)，點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)內(nei)部可能產生次級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)，如(ru)(ru)圖(tu)5-8所示，次級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的存在(zai)(zai)引(yin)(yin)起最(zui)大(da)(da)應(ying)力(li)集中位置的改變(bian)(bian)。為了研(yan)究次級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)對應(ying)力(li)集中的影(ying)(ying)響(xiang)，在(zai)(zai)初級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的基礎上建立次級(ji)點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)模(mo)型(xing)，并進行(xing)有限元(yuan)模(mo)擬。點蝕(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)尺寸(cun)：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次級(ji)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的尺寸(cun)：a=b=c=0.01mm,幾(ji)何模(mo)型(xing)如(ru)(ru)圖(tu)5-9所示，施(shi)加(jia)10MPa的單(dan)向拉力(li)，模(mo)擬結(jie)果(guo)如(ru)(ru)圖(tu)5-10所示。
由圖5-10可見，坑(keng)(keng)內最(zui)大(da)應(ying)力(li)出(chu)現在次級點(dian)蝕坑(keng)(keng)的(de)坑(keng)(keng)口(kou)處，應(ying)力(li)集中系數為(wei)3.2,坑(keng)(keng)底(di)的(de)應(ying)力(li)為(wei)外加應(ying)力(li)的(de)2.5倍(bei)；與(yu)圖5-6(b)相(xiang)比(bi)，原點(dian)蝕坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)肩(jian)和坑(keng)(keng)口(kou)位置的(de)應(ying)力(li)集中程度基本沒變。
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
σmax ≥ σth(pH,T,acl-,材料微觀結構）（5-2)
從(cong)5.1.1節(jie)的(de)(de)(de)分析(xi)發現，點(dian)蝕(shi)坑(keng)口(kou)和(he)(he)(he)坑(keng)肩(jian)部(bu)位應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度最大(da)(da)，裂(lie)紋會(hui)優先在(zai)此萌(meng)生。材料(liao)的(de)(de)(de)不均勻性(xing)和(he)(he)(he)局部(bu)的(de)(de)(de)電化(hua)學反應(ying)對應(ying)力(li)(li)腐蝕(shi)裂(lie)紋的(de)(de)(de)萌(meng)生也有一定的(de)(de)(de)影響，雖然坑(keng)內裂(lie)紋萌(meng)生概率會(hui)隨(sui)著應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度的(de)(de)(de)增大(da)(da)而增大(da)(da)，但實(shi)際材料(liao)中(zhong)夾雜和(he)(he)(he)缺陷的(de)(de)(de)存在(zai)會(hui)改變(bian)局部(bu)的(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)分布情(qing)況，由此造(zao)成理論分析(xi)和(he)(he)(he)實(shi)際的(de)(de)(de)差距。特別是較淺的(de)(de)(de)點(dian)蝕(shi)坑(keng)，坑(keng)口(kou)、坑(keng)肩(jian)和(he)(he)(he)坑(keng)底的(de)(de)(de)應(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度相差不大(da)(da)，裂(lie)紋可能(neng)會(hui)在(zai)多(duo)個位置萌(meng)生。
把圖(tu)5-1(c)放大，發現點蝕坑底部(bu)存在很多長(chang)度為6~8μm的(de)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋，這些(xie)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋都垂直(zhi)于拉伸方向，如圖(tu)5-11所示(shi)。產生多條裂(lie)(lie)(lie)紋的(de)原因是(shi)：點蝕坑底部(bu)較平(ping)坦，應力集中程度幾乎相(xiang)同，只要在比(bi)較薄弱的(de)位置就產生位錯(cuo)滑移，進而產生微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋。最終，同一(yi)面的(de)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋匯聚成一(yi)條裂(lie)(lie)(lie)紋，成為主裂(lie)(lie)(lie)紋的(de)起(qi)源(yuan)。
二、應力腐蝕裂紋(wen)擴展(zhan)概(gai)率分析
應力腐蝕裂(lie)紋(wen)擴展(zhan)過程(cheng)具(ju)有“三段”式特點，裂(lie)紋(wen)擴展(zhan)速率與應力強(qiang)度因子(zi)之間(jian)的(de)關系(xi)如圖(tu)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(li)腐(fu)蝕裂(lie)紋擴展(zhan)受(shou)環境、應力(li)狀態以及材料微(wei)觀結構和(he)性能等眾多(duo)因(yin)素(su)影響(xiang)，不(bu)同情況下的(de)擴展(zhan)速(su)率不(bu)盡相同。到目前為止(zhi)，裂(lie)紋擴展(zhan)速(su)率的(de)預(yu)(yu)測仍(reng)是(shi)應力(li)腐(fu)蝕研究的(de)重(zhong)點和(he)難點。目前，大多(duo)數裂(lie)紋擴展(zhan)模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)針(zhen)對核電設備在(zai)高溫水環境中的(de)開(kai)裂(lie)，Shoji模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)和(he)Clark模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)是(shi)兩(liang)個(ge)最具代表(biao)性的(de)定量預(yu)(yu)測模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)。Shoji模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)完全基于(yu)理論推導而獲得，模(mo)(mo)(mo)型(xing)(xing)中涉(she)及的(de)變(bian)量較多(duo)，雖(sui)然能夠(gou)分(fen)析各種環境、材料和(he)力(li)學因(yin)素(su)對裂(lie)紋擴展(zhan)速(su)率的(de)影響(xiang)，但公(gong)式非常復雜(za)，解析和(he)計算困(kun)難，且(qie)公(gong)式中包(bao)含(han)很多(duo)材料參數和(he)電化學參數，組合后所代表(biao)的(de)物理意義不(bu)夠(gou)清晰，定量化后的(de)精度(du)難以保證(zheng)，因(yin)此與工程應用距離較遠。
Clark模型(xing)(xing)是針(zhen)對(dui)不同材料(liao)，根據實驗(yan)數據得到(dao)的一種(zhong)經驗(yan)模型(xing)(xing)，模型(xing)(xing)中考慮了溫度和材料(liao)的屈服強度對(dui)裂(lie)紋擴展速率的影(ying)響。Clark模型(xing)(xing)通用表達式為：
由于Clark模型(xing)中參數(shu)較(jiao)少(shao)，且溫(wen)度(du)和(he)屈服強度(du)較(jiao)容易測得(de)，因此該(gai)模型(xing)在實際(ji)工程(cheng)中得(de)到了廣(guang)泛采用。本節便采用Clark模型(xing)研究(jiu)奧氏體不銹(xiu)鋼(gang)的裂紋(wen)擴(kuo)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(wen)擴展概率(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不銹鋼(gang)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、總結
本次主要討(tao)論(lun)了點(dian)蝕坑內裂紋的萌生以及擴展(zhan)。
①. 觀察(cha)了(le)點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)的(de)(de)形(xing)貌，測量了(le)點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)的(de)(de)尺寸。采用有限元方(fang)法計(ji)算了(le)點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)內的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)集(ji)中(zhong)系數，得(de)到了(le)點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)不同尺寸對力(li)集(ji)中(zhong)系數的(de)(de)影響規律。從應(ying)(ying)力(li)角度出發，分析(xi)了(le)應(ying)(ying)力(li)集(ji)中(zhong)與裂紋萌生之間的(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. 得到了材料屈服強度(du)的(de)分布函數，對應力(li)腐蝕裂紋擴展(zhan)的(de)隨(sui)機性進(jin)行(xing)了分析(xi)。
