存在拉應力(li)的情(qing)況下(xia)，香蕉視頻app在線觀看:應力腐蝕裂紋(wen)(wen)優先在(zai)(zai)點(dian)蝕(shi)坑處萌(meng)(meng)生(sheng)(sheng)并擴展。在(zai)(zai)本(ben)章中(zhong)，基(ji)于對點(dian)蝕(shi)坑內(nei)(nei)裂紋(wen)(wen)萌(meng)(meng)生(sheng)(sheng)位(wei)置的觀察，計算點(dian)蝕(shi)坑內(nei)(nei)的應力集中(zhong)系數，分(fen)析點(dian)蝕(shi)坑形貌對裂紋(wen)(wen)萌(meng)(meng)生(sheng)(sheng)的影響(xiang)以及點(dian)蝕(shi)坑內(nei)(nei)裂紋(wen)(wen)萌(meng)(meng)生(sheng)(sheng)機理(li)。對高溫低CI-濃度環境中裂紋(wen)的(de)擴展速率進行研究，并分析裂紋(wen)擴展的(de)隨機性。
一、應力腐蝕(shi)裂紋(wen)的萌(meng)生
1. 點蝕坑(keng)形(xing)貌對裂紋萌生的影響
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5-1和(he)圖5-2可(ke)看出，裂紋在點蝕坑處的(de)萌生和(he)擴展方式主要有以下四種情況(kuang)：
①. 裂紋萌生于坑底，在垂直于拉(la)應(ying)力方(fang)向沿蝕坑表面(mian)一直擴展到坑外表面(mian)；
②. 裂紋萌生于坑底，只沿材料厚度方向擴展(zhan)，不向坑外表面(mian)擴展(zhan)；
③. 裂紋萌生于坑口或坑肩，只(zhi)向坑外表面(mian)擴(kuo)展；
④. 裂(lie)紋(wen)在底部和坑(keng)口(kou)處同(tong)時(shi)萌生，沿表(biao)面向兩側同(tong)時(shi)擴展，最(zui)終匯(hui)合成主裂(lie)紋(wen)。
裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)受力學作用(yong)和電(dian)化學作用(yong)共同作用(yong)，而力學作用(yong)占重要地(di)位。因此，由(you)點(dian)(dian)蝕坑引起的局部(bu)(bu)應(ying)力集中(zhong)在(zai)很大程度(du)上決定了裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)位置。為(wei)了明確點(dian)(dian)蝕坑形貌(mao)與裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)的關(guan)系(xi)，對點(dian)(dian)蝕坑尺(chi)寸進行了測量(liang)。點(dian)(dian)蝕坑深度(du)采(cai)用(yong)顯微法測量(liang)，放(fang)大倍(bei)數為(wei)200時(shi)的標尺(chi)如圖5-3(a)所示，觀察到的點(dian)(dian)蝕坑底部(bu)(bu)和表面的圖像(xiang)如圖5-3(b)所示。
根據測得的點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑尺(chi)寸，采(cai)用ABAQUS軟件對不同形貌點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑建立(li)三維模(mo)型(xing)，分(fen)析點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑內應(ying)力集(ji)中(zhong)情況。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑形貌簡化為半橢球形：b為蝕(shi)(shi)(shi)坑半長(chang)，沿(yan)拉伸(shen)方向(xiang)；c為蝕(shi)(shi)(shi)坑半寬(kuan)，垂直于拉伸(shen)方向(xiang)；a為蝕(shi)(shi)(shi)坑深(shen)度(du)。幾何模(mo)型(xing)和(he)有限元網格模(mo)型(xing)如圖5-4所示，模(mo)型(xing)中(zhong)部(bu)分(fen)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑尺(chi)寸來(lai)源于應(ying)力腐蝕(shi)(shi)(shi)試(shi)驗后試(shi)樣(yang)中(zhong)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑的實際(ji)尺(chi)寸。材(cai)料模(mo)型(xing)采(cai)用彈(dan)(dan)塑(su)性(xing)模(mo)型(xing)，彈(dan)(dan)性(xing)模(mo)量E=210GPa,泊松(song)比v=0.3.XY面(mian)施加Z方向(xiang)的約束(shu)，即UY=0,XZ面(mian)采(cai)用對稱邊界。
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(xian)對深坑(keng)內應力(li)分布進行(xing)了模擬，結果如(ru)圖(tu)5-5所(suo)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)模擬結(jie)果可(ke)知：應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)區垂直于(yu)拉伸方(fang)向，且呈帶狀(zhuang)分布(bu)，當(dang)深(shen)(shen)寬(kuan)(kuan)比(bi)較大(da)時，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)帶從口(kou)部到底部逐漸(jian)變(bian)窄；深(shen)(shen)坑中(zhong)最大(da)應(ying)力(li)出(chu)現在點蝕(shi)(shi)坑口(kou)下(xia)邊緣，淺坑中(zhong)應(ying)力(li)最大(da)值位于(yu)點蝕(shi)(shi)坑口(kou)或坑口(kou)下(xia)邊緣；相同(tong)的長寬(kuan)(kuan)比(bi)下(xia)，隨著a/2c值的減(jian)小(xiao)，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)程度降(jiang)低，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)分布(bu)帶變(bian)寬(kuan)(kuan)且上(shang)下(xia)寬(kuan)(kuan)度趨于(yu)均勻(yun)；而深(shen)(shen)度相同(tong)時，b/c值減(jian)小(xiao)，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)系(xi)數增大(da)。因此，點蝕(shi)(shi)坑應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)系(xi)數的大(da)小(xiao)不僅與(yu)(yu)深(shen)(shen)寬(kuan)(kuan)比(bi)有關，還與(yu)(yu)長寬(kuan)(kuan)比(bi)有關，三者之間的關系(xi)如圖(tu)5-7所示。
不(bu)(bu)論是(shi)深坑(keng)(keng)還是(shi)淺坑(keng)(keng)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)口或下邊(bian)緣的(de)應力(li)集中(zhong)(zhong)程(cheng)度最大(da)(da)，大(da)(da)部分裂(lie)紋會(hui)優先在此萌生(sheng)，這與(yu)在試驗和實際(ji)失(shi)效案例(li)中(zhong)(zhong)觀察到的(de)現象是(shi)一(yi)致的(de)。然而，也發現了一(yi)些起(qi)源于坑(keng)(keng)底(di)的(de)裂(lie)紋，這主要有兩(liang)方面的(de)原因：一(yi)是(shi)淺蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)底(di)的(de)應力(li)集中(zhong)(zhong)程(cheng)度相差很小，微小的(de)力(li)學變(bian)(bian)化和電化學溶解變(bian)(bian)化都可能(neng)引(yin)起(qi)裂(lie)紋萌生(sheng)位置(zhi)的(de)改(gai)變(bian)(bian)；二是(shi)實際(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)的(de)形貌并(bing)不(bu)(bu)是(shi)標(biao)準的(de)半(ban)橢球形，受(shou)材料內(nei)部夾雜及晶(jing)體結構的(de)影響(xiang)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內(nei)部可能(neng)產生(sheng)次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)，如(ru)圖5-8所(suo)示(shi)(shi)，次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)存在引(yin)起(qi)最大(da)(da)應力(li)集中(zhong)(zhong)位置(zhi)的(de)改(gai)變(bian)(bian)。為了研究次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)對應力(li)集中(zhong)(zhong)的(de)影響(xiang)，在初級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)基(ji)礎(chu)上建立(li)次級(ji)(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)模(mo)型，并(bing)進行(xing)有限元模(mo)擬(ni)。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)尺(chi)寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次級(ji)(ji)坑(keng)(keng)的(de)尺(chi)寸：a=b=c=0.01mm,幾(ji)何(he)模(mo)型如(ru)圖5-9所(suo)示(shi)(shi)，施加10MPa的(de)單向拉力(li)，模(mo)擬(ni)結果如(ru)圖5-10所(suo)示(shi)(shi)。
由圖5-10可見，坑(keng)(keng)內最大應(ying)(ying)力(li)(li)出現在(zai)次級點(dian)蝕坑(keng)(keng)的(de)(de)坑(keng)(keng)口處(chu)，應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)系(xi)數為3.2,坑(keng)(keng)底的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)為外加(jia)應(ying)(ying)力(li)(li)的(de)(de)2.5倍；與圖5-6(b)相比，原點(dian)蝕坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)肩和(he)坑(keng)(keng)口位(wei)置的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)程度基本(ben)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5.1.1節的(de)分析發(fa)現，點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)口和(he)坑(keng)(keng)肩部位(wei)應力(li)集中(zhong)(zhong)程度(du)(du)最(zui)大，裂(lie)紋會(hui)優先在此(ci)萌(meng)(meng)(meng)(meng)生(sheng)。材料的(de)不均勻性和(he)局(ju)部的(de)電化學反應對應力(li)腐蝕(shi)裂(lie)紋的(de)萌(meng)(meng)(meng)(meng)生(sheng)也有(you)一(yi)定的(de)影響，雖然(ran)坑(keng)(keng)內裂(lie)紋萌(meng)(meng)(meng)(meng)生(sheng)概(gai)率(lv)會(hui)隨(sui)著應力(li)集中(zhong)(zhong)程度(du)(du)的(de)增大而增大，但實際材料中(zhong)(zhong)夾雜和(he)缺陷的(de)存在會(hui)改變局(ju)部的(de)應力(li)集中(zhong)(zhong)分布情(qing)況(kuang)，由此(ci)造成理(li)論分析和(he)實際的(de)差距。特別(bie)是較淺的(de)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)，坑(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)肩和(he)坑(keng)(keng)底的(de)應力(li)集中(zhong)(zhong)程度(du)(du)相差不大，裂(lie)紋可(ke)能會(hui)在多(duo)個(ge)位(wei)置(zhi)萌(meng)(meng)(meng)(meng)生(sheng)。
把(ba)圖5-1(c)放大，發現(xian)點(dian)蝕坑底(di)部(bu)存(cun)在很多長度為(wei)6~8μm的微(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)，這些微(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)都垂直于(yu)拉伸方向(xiang)，如圖5-11所示。產生多條裂(lie)(lie)紋(wen)的原(yuan)因(yin)是(shi)：點(dian)蝕坑底(di)部(bu)較平(ping)坦(tan)，應(ying)力集中程(cheng)度幾乎相同，只要在比(bi)較薄弱(ruo)的位置就產生位錯滑移，進而產生微(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)。最終，同一(yi)面的微(wei)裂(lie)(lie)紋(wen)匯聚(ju)成一(yi)條裂(lie)(lie)紋(wen)，成為(wei)主裂(lie)(lie)紋(wen)的起源。
二、應力腐蝕裂(lie)紋(wen)擴展概率分析
應力腐蝕裂紋擴(kuo)展過(guo)程具有“三段(duan)”式特點，裂紋擴(kuo)展速率與(yu)應力強度(du)因子之間的關(guan)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(wen)擴(kuo)展速(su)率估算
應力(li)(li)腐蝕(shi)裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)受環境、應力(li)(li)狀態(tai)以及材料微觀結構和(he)(he)性(xing)能(neng)等(deng)眾多因素影響(xiang)，不(bu)同情況下的(de)(de)擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)速率不(bu)盡(jin)相同。到目前(qian)為止(zhi)，裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)速率的(de)(de)預測仍是應力(li)(li)腐蝕(shi)研究的(de)(de)重點和(he)(he)難(nan)點。目前(qian)，大多數裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)模(mo)型(xing)(xing)針對核電設(she)備(bei)在高溫水環境中(zhong)的(de)(de)開(kai)裂(lie)，Shoji模(mo)型(xing)(xing)和(he)(he)Clark模(mo)型(xing)(xing)是兩個最具代(dai)表性(xing)的(de)(de)定(ding)(ding)量預測模(mo)型(xing)(xing)。Shoji模(mo)型(xing)(xing)完全基于理(li)論推導而獲得，模(mo)型(xing)(xing)中(zhong)涉及的(de)(de)變量較多，雖(sui)然(ran)能(neng)夠(gou)分析(xi)各種環境、材料和(he)(he)力(li)(li)學(xue)因素對裂(lie)紋(wen)(wen)擴(kuo)展(zhan)(zhan)(zhan)速率的(de)(de)影響(xiang)，但(dan)公(gong)式非(fei)常(chang)復雜(za)，解析(xi)和(he)(he)計算困(kun)難(nan)，且公(gong)式中(zhong)包含很多材料參數和(he)(he)電化(hua)學(xue)參數，組合后(hou)所代(dai)表的(de)(de)物(wu)理(li)意義不(bu)夠(gou)清晰，定(ding)(ding)量化(hua)后(hou)的(de)(de)精度難(nan)以保證，因此(ci)與工程應用(yong)距離較遠。
Clark模型是(shi)針對不(bu)同(tong)材料(liao)(liao)，根據(ju)實驗數據(ju)得到的一種經驗模型，模型中考慮了溫度(du)和材料(liao)(liao)的屈(qu)服(fu)強度(du)對裂(lie)紋擴展速率的影響。Clark模型通用表達式為：
由于(yu)Clark模(mo)型中(zhong)參數(shu)較少，且溫度(du)和屈服(fu)強度(du)較容易測得，因(yin)此(ci)該(gai)模(mo)型在實際工程中(zhong)得到了廣(guang)泛(fan)采(cai)用。本節便采(cai)用Clark模(mo)型研(yan)究奧氏體(ti)不銹鋼的裂(lie)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.裂紋擴展概率分析(xi)
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(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(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(jie)
本次主要討(tao)論了點蝕坑內裂紋的萌(meng)生以及擴展。
①. 觀察(cha)了(le)點蝕坑(keng)(keng)的形貌，測量了(le)點蝕坑(keng)(keng)的尺(chi)寸(cun)。采用有限(xian)元方法計(ji)算了(le)點蝕坑(keng)(keng)內的應力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)系(xi)(xi)數(shu)，得到了(le)點蝕坑(keng)(keng)不同(tong)尺(chi)寸(cun)對力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)系(xi)(xi)數(shu)的影響(xiang)規律。從應力(li)(li)(li)角度出發(fa)，分(fen)析了(le)應力(li)(li)(li)集(ji)中(zhong)與裂紋(wen)萌生之間(jian)的關(guan)系(xi)(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(qiang)度的(de)分布函數，對應(ying)力腐(fu)蝕裂紋擴展的(de)隨(sui)機性進行了(le)分析(xi)。
