存在拉應力的情(qing)況下，在線亞洲日產一區二區:應力腐蝕裂(lie)紋優先(xian)在(zai)(zai)點蝕(shi)坑(keng)處萌生(sheng)(sheng)并擴(kuo)展。在(zai)(zai)本章(zhang)中，基(ji)于對(dui)點蝕(shi)坑(keng)內(nei)裂(lie)紋萌生(sheng)(sheng)位置(zhi)的觀察，計(ji)算點蝕(shi)坑(keng)內(nei)的應力集中系數，分析點蝕(shi)坑(keng)形貌對(dui)裂(lie)紋萌生(sheng)(sheng)的影響以(yi)及點蝕(shi)坑(keng)內(nei)裂(lie)紋萌生(sheng)(sheng)機理(li)。對(dui)高(gao)溫低CI-濃(nong)度(du)環境中裂紋(wen)的擴展(zhan)速率進(jin)行(xing)研究，并分析裂紋(wen)擴展(zhan)的隨(sui)機(ji)性(xing)。
一、應(ying)力腐蝕裂紋的(de)萌生
1. 點蝕(shi)坑形貌對(dui)裂紋萌生的影響(xiang)
從電化學角度來說，由于金屬離子的水解，點(dian)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(tu)5-1和圖(tu)5-2可看出，裂紋在點(dian)蝕坑處的萌(meng)生(sheng)和擴展方式主(zhu)要有以下四種情況(kuang)：
①. 裂(lie)紋萌生于坑底，在垂直于拉應力(li)方向沿蝕坑表面一直擴展到坑外表面；
②. 裂紋萌生于(yu)坑底，只沿(yan)材料厚(hou)度方向(xiang)(xiang)擴展，不向(xiang)(xiang)坑外表面擴展；
③. 裂紋萌生(sheng)于坑(keng)口(kou)或坑(keng)肩，只向坑(keng)外(wai)表面擴展；
④. 裂紋(wen)在底部和坑(keng)口處同時萌生(sheng)，沿表(biao)面向兩(liang)側同時擴展(zhan)，最終(zhong)匯(hui)合成主裂紋(wen)。
裂紋(wen)萌生受力學(xue)作(zuo)用和電化學(xue)作(zuo)用共同作(zuo)用，而力學(xue)作(zuo)用占重(zhong)要地位(wei)。因此(ci)，由點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)引起的(de)(de)局部應力集中在(zai)很大程度(du)上決定了(le)裂紋(wen)萌生位(wei)置。為了(le)明確點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)形貌與(yu)裂紋(wen)萌生的(de)(de)關系，對(dui)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸進行了(le)測量。點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)深(shen)度(du)采用顯微法測量，放(fang)大倍數為200時(shi)的(de)(de)標尺如(ru)圖(tu)5-3(a)所(suo)示，觀察到的(de)(de)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)底部和表面的(de)(de)圖(tu)像如(ru)圖(tu)5-3(b)所(suo)示。
根據測得的點(dian)(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑尺寸(cun)，采用ABAQUS軟件對(dui)不同形貌點(dian)(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑建(jian)立三維模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)，分析點(dian)(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑內應(ying)力集中(zhong)情況。點(dian)(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑形貌簡化為(wei)(wei)半(ban)(ban)橢球形：b為(wei)(wei)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑半(ban)(ban)長，沿拉(la)伸方(fang)向(xiang)；c為(wei)(wei)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑半(ban)(ban)寬(kuan)，垂(chui)直于(yu)拉(la)伸方(fang)向(xiang)；a為(wei)(wei)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑深度。幾何模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)和有限元網格模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)如(ru)圖5-4所(suo)示，模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)中(zhong)部分點(dian)(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑尺寸(cun)來源(yuan)于(yu)應(ying)力腐蝕(shi)(shi)(shi)(shi)試(shi)驗后試(shi)樣(yang)中(zhong)點(dian)(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)坑的實際(ji)尺寸(cun)。材料模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)采用彈塑(su)性(xing)模(mo)型(xing)(xing)(xing)(xing)，彈性(xing)模(mo)量E=210GPa,泊松比(bi)v=0.3.XY面(mian)施加Z方(fang)向(xiang)的約束，即UY=0,XZ面(mian)采用對(dui)稱邊(bian)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。
首先對深坑內應(ying)力分布進(jin)行了模擬，結果如圖(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(ni)結果可知：應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)區垂直于(yu)拉伸(shen)方向，且呈帶狀分布，當深(shen)寬(kuan)比較(jiao)大時，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)帶從口部(bu)到(dao)底部(bu)逐漸變窄(zhai)；深(shen)坑中(zhong)(zhong)最(zui)(zui)大應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)出(chu)現在點(dian)蝕(shi)坑口下(xia)(xia)邊(bian)緣，淺坑中(zhong)(zhong)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)最(zui)(zui)大值位于(yu)點(dian)蝕(shi)坑口或坑口下(xia)(xia)邊(bian)緣；相(xiang)同(tong)的長寬(kuan)比下(xia)(xia)，隨著(zhu)a/2c值的減小，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)程度(du)降低，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)分布帶變寬(kuan)且上(shang)下(xia)(xia)寬(kuan)度(du)趨于(yu)均勻；而深(shen)度(du)相(xiang)同(tong)時，b/c值減小，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)系(xi)數增大。因此，點(dian)蝕(shi)坑應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)系(xi)數的大小不僅(jin)與深(shen)寬(kuan)比有關，還與長寬(kuan)比有關，三者之間的關系(xi)如圖5-7所示(shi)。
不(bu)論是(shi)深坑(keng)(keng)(keng)(keng)還是(shi)淺坑(keng)(keng)(keng)(keng)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)口(kou)或(huo)下邊緣的(de)(de)應(ying)力(li)(li)集(ji)中程度(du)最(zui)大(da)(da)，大(da)(da)部(bu)分裂紋會優(you)先在此萌生(sheng)，這(zhe)與在試驗和(he)實(shi)際失效案例中觀察到的(de)(de)現象是(shi)一(yi)致的(de)(de)。然(ran)而，也發現了(le)一(yi)些起(qi)(qi)源于坑(keng)(keng)(keng)(keng)底(di)的(de)(de)裂紋，這(zhe)主要有兩方面的(de)(de)原(yuan)因：一(yi)是(shi)淺蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)坑(keng)(keng)(keng)(keng)口(kou)、坑(keng)(keng)(keng)(keng)肩和(he)坑(keng)(keng)(keng)(keng)底(di)的(de)(de)應(ying)力(li)(li)集(ji)中程度(du)相差(cha)很小(xiao)，微(wei)小(xiao)的(de)(de)力(li)(li)學(xue)變化(hua)和(he)電化(hua)學(xue)溶解變化(hua)都可(ke)能引起(qi)(qi)裂紋萌生(sheng)位置的(de)(de)改(gai)變；二(er)是(shi)實(shi)際點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)的(de)(de)形貌并不(bu)是(shi)標準(zhun)的(de)(de)半橢球形，受材料內部(bu)夾雜(za)及晶體結構的(de)(de)影響(xiang)(xiang)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)內部(bu)可(ke)能產生(sheng)次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)，如圖(tu)(tu)5-8所示(shi)，次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)存(cun)在引起(qi)(qi)最(zui)大(da)(da)應(ying)力(li)(li)集(ji)中位置的(de)(de)改(gai)變。為了(le)研究(jiu)次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)對應(ying)力(li)(li)集(ji)中的(de)(de)影響(xiang)(xiang)，在初級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)基礎上(shang)建立次(ci)級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)模(mo)(mo)型，并進行有限(xian)元模(mo)(mo)擬(ni)。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)尺(chi)寸(cun)：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次(ci)級(ji)坑(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)尺(chi)寸(cun)：a=b=c=0.01mm,幾何模(mo)(mo)型如圖(tu)(tu)5-9所示(shi)，施(shi)加10MPa的(de)(de)單向(xiang)拉力(li)(li)，模(mo)(mo)擬(ni)結果如圖(tu)(tu)5-10所示(shi)。
由(you)圖5-10可(ke)見(jian)，坑(keng)(keng)內最大應(ying)力出(chu)現在次級點蝕坑(keng)(keng)的(de)坑(keng)(keng)口處，應(ying)力集中系數為(wei)3.2,坑(keng)(keng)底的(de)應(ying)力為(wei)外加應(ying)力的(de)2.5倍；與圖5-6(b)相比(bi)，原點蝕坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)肩和(he)坑(keng)(keng)口位(wei)置的(de)應(ying)力集中程度基本沒(mei)變。
2. 裂(lie)紋萌生(sheng)機理(li)
對于奧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(fen)析發(fa)現，點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)口(kou)和(he)坑(keng)(keng)肩(jian)部位(wei)應(ying)力集(ji)中(zhong)程度最大(da)，裂紋(wen)(wen)會(hui)(hui)優(you)先在此萌(meng)生(sheng)。材料的(de)不(bu)(bu)均勻性和(he)局(ju)部的(de)電化學反應(ying)對(dui)應(ying)力腐蝕(shi)(shi)裂紋(wen)(wen)的(de)萌(meng)生(sheng)也有一(yi)定的(de)影(ying)響(xiang)，雖然坑(keng)(keng)內裂紋(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)概率會(hui)(hui)隨著應(ying)力集(ji)中(zhong)程度的(de)增大(da)而(er)增大(da)，但實(shi)際(ji)(ji)材料中(zhong)夾雜(za)和(he)缺(que)陷的(de)存在會(hui)(hui)改變局(ju)部的(de)應(ying)力集(ji)中(zhong)分(fen)布(bu)情況，由(you)此造(zao)成理論(lun)分(fen)析和(he)實(shi)際(ji)(ji)的(de)差(cha)(cha)距。特別是較淺的(de)點蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)，坑(keng)(keng)口(kou)、坑(keng)(keng)肩(jian)和(he)坑(keng)(keng)底的(de)應(ying)力集(ji)中(zhong)程度相差(cha)(cha)不(bu)(bu)大(da)，裂紋(wen)(wen)可能會(hui)(hui)在多個位(wei)置萌(meng)生(sheng)。
把圖(tu)5-1(c)放(fang)大(da)，發現點蝕坑底部存(cun)在很多(duo)長度(du)為6~8μm的(de)(de)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)，這些微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)都垂直于(yu)拉(la)伸方(fang)向(xiang)，如圖(tu)5-11所示。產(chan)生(sheng)多(duo)條(tiao)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)的(de)(de)原(yuan)因(yin)是：點蝕坑底部較平坦，應力(li)集中程度(du)幾(ji)乎相同(tong)，只要在比較薄弱(ruo)的(de)(de)位置就(jiu)產(chan)生(sheng)位錯滑移，進而產(chan)生(sheng)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)。最終，同(tong)一面的(de)(de)微(wei)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)匯聚成(cheng)(cheng)一條(tiao)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)，成(cheng)(cheng)為主裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)的(de)(de)起源。
二、應力腐蝕裂紋擴(kuo)展概率(lv)分析
應力腐蝕裂紋擴展過程(cheng)具有“三段”式特點，裂紋擴展速率與應力強(qiang)度因子之(zhi)間的關(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(lie)紋擴展速率(lv)估算
應力腐蝕裂紋(wen)擴展受(shou)環(huan)境(jing)、應力狀態以及材(cai)(cai)料微觀結構和(he)性能等眾多因素影(ying)(ying)響，不(bu)同(tong)情況下的(de)擴展速率不(bu)盡相同(tong)。到目前為止，裂紋(wen)擴展速率的(de)預(yu)測仍是應力腐蝕研究的(de)重點(dian)和(he)難點(dian)。目前，大(da)多數(shu)裂紋(wen)擴展模(mo)(mo)型(xing)(xing)針(zhen)對核(he)電設(she)備(bei)在高溫水環(huan)境(jing)中的(de)開裂，Shoji模(mo)(mo)型(xing)(xing)和(he)Clark模(mo)(mo)型(xing)(xing)是兩個最具代表性的(de)定量預(yu)測模(mo)(mo)型(xing)(xing)。Shoji模(mo)(mo)型(xing)(xing)完全基于(yu)理論推導而獲得，模(mo)(mo)型(xing)(xing)中涉及的(de)變量較多，雖然能夠分析各(ge)種環(huan)境(jing)、材(cai)(cai)料和(he)力學因素對裂紋(wen)擴展速率的(de)影(ying)(ying)響，但(dan)公式非常復雜(za)，解析和(he)計算(suan)困難，且(qie)公式中包(bao)含很(hen)多材(cai)(cai)料參數(shu)和(he)電化(hua)學參數(shu)，組合后(hou)所代表的(de)物理意義(yi)不(bu)夠清(qing)晰，定量化(hua)后(hou)的(de)精度難以保證，因此與(yu)工程應用距離較遠。
Clark模型是針對不同材(cai)料(liao)，根據實驗數(shu)據得到的一種經驗模型，模型中考慮(lv)了(le)溫度(du)和材(cai)料(liao)的屈服(fu)強(qiang)度(du)對裂紋擴展(zhan)速率的影(ying)響。Clark模型通用表達(da)式為(wei)：
由于Clark模(mo)型中參(can)數較(jiao)少，且溫度(du)和屈服強度(du)較(jiao)容(rong)易測得，因(yin)此(ci)該模(mo)型在(zai)實際(ji)工程中得到了(le)廣(guang)泛采(cai)用。本節(jie)便采(cai)用Clark模(mo)型研(yan)究奧(ao)氏體不銹鋼的裂紋擴(kuo)展速率問(wen)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(zhan)概率分析
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(san)、總結
本次主要討論了(le)點(dian)蝕坑內裂紋(wen)的(de)萌生以及擴(kuo)展。
①. 觀察了點(dian)(dian)蝕坑的(de)形貌(mao)，測量了點(dian)(dian)蝕坑的(de)尺(chi)寸。采(cai)用有限元方法計算了點(dian)(dian)蝕坑內(nei)的(de)應力(li)(li)集(ji)中系數，得(de)到了點(dian)(dian)蝕坑不同尺(chi)寸對力(li)(li)集(ji)中系數的(de)影響規律。從應力(li)(li)角度出(chu)發，分(fen)析(xi)了應力(li)(li)集(ji)中與裂紋萌生之間(jian)的(de)關(guan)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(dao)了材料屈服強度的(de)分(fen)布函(han)數，對應(ying)力腐(fu)蝕裂紋(wen)擴展的(de)隨機性進行了分(fen)析。
