存(cun)在拉(la)應力的情況下(xia)，在線亞洲日產一區二區:應力腐蝕裂紋優(you)先在點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)處萌(meng)生(sheng)并擴展。在本章(zhang)中(zhong)，基于對(dui)(dui)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)內裂紋萌(meng)生(sheng)位置的觀察，計算點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)內的應力集(ji)中(zhong)系數，分析點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)形貌(mao)對(dui)(dui)裂紋萌(meng)生(sheng)的影響(xiang)以及點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)內裂紋萌(meng)生(sheng)機(ji)理(li)。對(dui)(dui)高(gao)溫低CI-濃度環(huan)境(jing)中裂紋的擴展速率進行研究，并(bing)分析(xi)裂紋擴展的隨(sui)機(ji)性。
一、應力腐蝕(shi)裂(lie)紋的萌生
1. 點蝕坑形貌對(dui)裂(lie)紋萌生的影響
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5-1和圖5-2可看出(chu)，裂紋(wen)在點蝕坑處的萌生和擴(kuo)展方(fang)式主要有(you)以下四種情況：
①. 裂紋萌生(sheng)于坑(keng)(keng)底，在(zai)垂直于拉應力(li)方向沿蝕坑(keng)(keng)表面一直擴展到(dao)坑(keng)(keng)外(wai)表面；
②. 裂紋(wen)萌生于(yu)坑(keng)底，只沿材料(liao)厚度方(fang)向擴(kuo)展，不(bu)向坑(keng)外表面擴(kuo)展；
③. 裂(lie)紋萌生于坑口或坑肩，只向坑外(wai)表面擴展；
④. 裂(lie)紋(wen)在底部和坑(keng)口處(chu)同時萌(meng)生，沿表面(mian)向兩側(ce)同時擴展，最終(zhong)匯(hui)合成主(zhu)裂(lie)紋(wen)。
裂紋萌(meng)生(sheng)(sheng)受力(li)學(xue)作(zuo)用和電(dian)化學(xue)作(zuo)用共(gong)同作(zuo)用，而(er)力(li)學(xue)作(zuo)用占(zhan)重要地位(wei)。因此，由(you)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)引起(qi)的(de)局部應力(li)集中在很大(da)程(cheng)度上(shang)決定(ding)了(le)裂紋萌(meng)生(sheng)(sheng)位(wei)置(zhi)。為了(le)明確點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)形貌與裂紋萌(meng)生(sheng)(sheng)的(de)關系，對點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)尺寸進行了(le)測量。點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)深度采用顯微法測量，放大(da)倍數為200時(shi)的(de)標尺如圖5-3(a)所示，觀察到的(de)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)(keng)底部和表面的(de)圖像如圖5-3(b)所示。
根據測得(de)的點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸(cun)，采(cai)用ABAQUS軟件對不(bu)同形(xing)(xing)貌(mao)點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)建立三維模(mo)(mo)型(xing)，分析點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)內應力集中情(qing)況。點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)形(xing)(xing)貌(mao)簡(jian)化為(wei)(wei)半橢球形(xing)(xing)：b為(wei)(wei)蝕(shi)坑(keng)(keng)半長，沿拉伸方向(xiang)(xiang)；c為(wei)(wei)蝕(shi)坑(keng)(keng)半寬，垂直于(yu)拉伸方向(xiang)(xiang)；a為(wei)(wei)蝕(shi)坑(keng)(keng)深度。幾何模(mo)(mo)型(xing)和有限元網格模(mo)(mo)型(xing)如圖5-4所示，模(mo)(mo)型(xing)中部分點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸(cun)來源于(yu)應力腐蝕(shi)試(shi)驗后試(shi)樣中點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)的實際尺寸(cun)。材料(liao)模(mo)(mo)型(xing)采(cai)用彈(dan)塑性模(mo)(mo)型(xing)，彈(dan)性模(mo)(mo)量E=210GPa,泊(bo)松比(bi)v=0.3.XY面施(shi)加Z方向(xiang)(xiang)的約(yue)束(shu)，即UY=0,XZ面采(cai)用對稱邊(bian)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(xian)對深(shen)坑(keng)內應力分布進行了模(mo)擬，結果如圖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(you)以(yi)上(shang)模擬結(jie)果可知：應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)區垂直于(yu)拉伸方向，且呈帶狀分布(bu)，當(dang)深(shen)寬(kuan)比較大(da)(da)時，應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)帶從口(kou)(kou)部到(dao)底部逐漸變窄；深(shen)坑(keng)(keng)中(zhong)(zhong)(zhong)最(zui)大(da)(da)應力(li)(li)出現在點蝕(shi)坑(keng)(keng)口(kou)(kou)下(xia)邊緣(yuan)(yuan)，淺坑(keng)(keng)中(zhong)(zhong)(zhong)應力(li)(li)最(zui)大(da)(da)值(zhi)(zhi)(zhi)位于(yu)點蝕(shi)坑(keng)(keng)口(kou)(kou)或坑(keng)(keng)口(kou)(kou)下(xia)邊緣(yuan)(yuan)；相(xiang)同的長(chang)寬(kuan)比下(xia)，隨著(zhu)a/2c值(zhi)(zhi)(zhi)的減(jian)小(xiao)，應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)程(cheng)度(du)降低，應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)分布(bu)帶變寬(kuan)且上(shang)下(xia)寬(kuan)度(du)趨于(yu)均(jun)勻；而深(shen)度(du)相(xiang)同時，b/c值(zhi)(zhi)(zhi)減(jian)小(xiao)，應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)系(xi)數增大(da)(da)。因此，點蝕(shi)坑(keng)(keng)應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)系(xi)數的大(da)(da)小(xiao)不僅與(yu)深(shen)寬(kuan)比有(you)關(guan)，還與(yu)長(chang)寬(kuan)比有(you)關(guan)，三者之間(jian)的關(guan)系(xi)如圖5-7所示。
不(bu)論是(shi)深坑(keng)(keng)還是(shi)淺(qian)坑(keng)(keng)，點(dian)蝕坑(keng)(keng)口或下邊(bian)緣的(de)應力集(ji)中(zhong)(zhong)程度最大(da)，大(da)部(bu)分裂紋(wen)會優先在此萌(meng)生，這與在試驗和實際(ji)失效案(an)例(li)中(zhong)(zhong)觀察到的(de)現(xian)象是(shi)一致(zhi)的(de)。然而，也(ye)發現(xian)了一些起源于坑(keng)(keng)底的(de)裂紋(wen)，這主要有(you)兩方面的(de)原因：一是(shi)淺(qian)蝕坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)底的(de)應力集(ji)中(zhong)(zhong)程度相(xiang)差很小(xiao)，微小(xiao)的(de)力學變(bian)(bian)化和電化學溶解(jie)變(bian)(bian)化都可能(neng)引(yin)起裂紋(wen)萌(meng)生位置的(de)改(gai)變(bian)(bian)；二是(shi)實際(ji)點(dian)蝕的(de)形(xing)貌并(bing)不(bu)是(shi)標(biao)準(zhun)的(de)半橢球形(xing)，受材料內部(bu)夾雜(za)及晶(jing)體結構的(de)影響(xiang)，點(dian)蝕坑(keng)(keng)內部(bu)可能(neng)產生次級(ji)點(dian)蝕坑(keng)(keng)，如圖(tu)(tu)5-8所示(shi)，次級(ji)點(dian)蝕坑(keng)(keng)的(de)存在引(yin)起最大(da)應力集(ji)中(zhong)(zhong)位置的(de)改(gai)變(bian)(bian)。為了研(yan)究(jiu)次級(ji)點(dian)蝕坑(keng)(keng)對應力集(ji)中(zhong)(zhong)的(de)影響(xiang)，在初(chu)級(ji)點(dian)蝕坑(keng)(keng)的(de)基礎上建立次級(ji)點(dian)蝕坑(keng)(keng)模(mo)(mo)型，并(bing)進行有(you)限元模(mo)(mo)擬。點(dian)蝕坑(keng)(keng)尺寸(cun)：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次級(ji)坑(keng)(keng)的(de)尺寸(cun)：a=b=c=0.01mm,幾何模(mo)(mo)型如圖(tu)(tu)5-9所示(shi)，施加10MPa的(de)單(dan)向拉力，模(mo)(mo)擬結果如圖(tu)(tu)5-10所示(shi)。
由圖(tu)5-10可(ke)見，坑(keng)內最大應(ying)力(li)(li)出現在次級點蝕坑(keng)的坑(keng)口處(chu)，應(ying)力(li)(li)集中系數為(wei)3.2,坑(keng)底(di)的應(ying)力(li)(li)為(wei)外加應(ying)力(li)(li)的2.5倍；與圖(tu)5-6(b)相比，原(yuan)點蝕坑(keng)坑(keng)肩和坑(keng)口位置的應(ying)力(li)(li)集中程度基本沒變。
2. 裂紋萌生(sheng)機理(li)
對于奧(ao)氏體不(bu)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)(de)分析發(fa)現，點蝕(shi)坑口和(he)坑肩部(bu)位應(ying)(ying)力(li)集中程(cheng)度最大，裂(lie)紋會(hui)(hui)優先在此萌(meng)生。材料的(de)(de)不(bu)均勻(yun)性和(he)局部(bu)的(de)(de)電化學反應(ying)(ying)對應(ying)(ying)力(li)腐蝕(shi)裂(lie)紋的(de)(de)萌(meng)生也有一定的(de)(de)影響，雖(sui)然坑內裂(lie)紋萌(meng)生概率(lv)會(hui)(hui)隨著應(ying)(ying)力(li)集中程(cheng)度的(de)(de)增大而增大，但(dan)實際材料中夾雜(za)和(he)缺陷(xian)的(de)(de)存(cun)在會(hui)(hui)改變局部(bu)的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)集中分布(bu)情況(kuang)，由此造成理論(lun)分析和(he)實際的(de)(de)差(cha)距。特別是較(jiao)淺的(de)(de)點蝕(shi)坑，坑口、坑肩和(he)坑底的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)集中程(cheng)度相差(cha)不(bu)大，裂(lie)紋可能會(hui)(hui)在多個位置萌(meng)生。
把圖(tu)5-1(c)放大，發(fa)現點(dian)蝕坑底部(bu)存在(zai)很多長度(du)為(wei)6~8μm的(de)微(wei)裂(lie)(lie)紋，這些微(wei)裂(lie)(lie)紋都(dou)垂直于(yu)拉伸方向，如圖(tu)5-11所示。產生多條裂(lie)(lie)紋的(de)原因是：點(dian)蝕坑底部(bu)較平坦，應(ying)力集(ji)中(zhong)程(cheng)度(du)幾(ji)乎相同(tong)，只要在(zai)比較薄(bo)弱(ruo)的(de)位置(zhi)就產生位錯滑移，進而(er)產生微(wei)裂(lie)(lie)紋。最終(zhong)，同(tong)一面的(de)微(wei)裂(lie)(lie)紋匯聚成一條裂(lie)(lie)紋，成為(wei)主裂(lie)(lie)紋的(de)起源。
二(er)、應力腐蝕裂紋擴展概率分析
應力(li)腐蝕裂紋(wen)擴(kuo)展(zhan)過程具有“三段(duan)”式特點，裂紋(wen)擴(kuo)展(zhan)速率(lv)與應力(li)強度因子之間(jian)的關系如圖(tu)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. 裂紋擴展速率(lv)估算(suan)
應(ying)力(li)(li)腐蝕裂紋擴(kuo)展(zhan)受環(huan)境(jing)、應(ying)力(li)(li)狀(zhuang)態以及材料微(wei)觀結構和(he)性能(neng)等眾多因(yin)素(su)影響，不(bu)同(tong)情況下的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)展(zhan)速(su)率(lv)不(bu)盡相(xiang)同(tong)。到目(mu)前為止，裂紋擴(kuo)展(zhan)速(su)率(lv)的(de)(de)(de)(de)預測仍是應(ying)力(li)(li)腐蝕研究的(de)(de)(de)(de)重點和(he)難(nan)點。目(mu)前，大多數裂紋擴(kuo)展(zhan)模(mo)型針(zhen)對核電設備在高(gao)溫水環(huan)境(jing)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)開裂，Shoji模(mo)型和(he)Clark模(mo)型是兩個(ge)最具代表性的(de)(de)(de)(de)定量(liang)預測模(mo)型。Shoji模(mo)型完(wan)全基于(yu)理論推導(dao)而獲得，模(mo)型中(zhong)(zhong)(zhong)涉及的(de)(de)(de)(de)變量(liang)較多，雖然(ran)能(neng)夠分析各種環(huan)境(jing)、材料和(he)力(li)(li)學因(yin)素(su)對裂紋擴(kuo)展(zhan)速(su)率(lv)的(de)(de)(de)(de)影響，但公(gong)式非常復雜，解析和(he)計算(suan)困難(nan)，且公(gong)式中(zhong)(zhong)(zhong)包(bao)含(han)很多材料參(can)數和(he)電化學參(can)數，組合后(hou)所代表的(de)(de)(de)(de)物理意義不(bu)夠清晰，定量(liang)化后(hou)的(de)(de)(de)(de)精度難(nan)以保證，因(yin)此與工程應(ying)用距離較遠。
Clark模(mo)(mo)型(xing)是針(zhen)對(dui)不同材料(liao)，根據實(shi)驗數據得到的(de)(de)一種經驗模(mo)(mo)型(xing)，模(mo)(mo)型(xing)中考慮(lv)了溫度(du)和材料(liao)的(de)(de)屈(qu)服(fu)強度(du)對(dui)裂紋擴(kuo)展速率的(de)(de)影響。Clark模(mo)(mo)型(xing)通用表(biao)達(da)式(shi)為：
由(you)于Clark模型中(zhong)參數較(jiao)少，且溫(wen)度(du)和屈服強度(du)較(jiao)容易(yi)測得，因此(ci)該(gai)模型在實際工程中(zhong)得到(dao)了(le)廣泛采用(yong)。本節便采用(yong)Clark模型研究(jiu)奧(ao)氏體不(bu)銹(xiu)鋼的裂紋擴展速率問(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.裂紋擴(kuo)展(zhan)概率分(fen)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(bu)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(zong)結
本次主要討論了點蝕(shi)坑內裂(lie)紋的(de)萌生以及擴展。
①. 觀察了(le)點(dian)(dian)蝕坑的形(xing)貌，測(ce)量了(le)點(dian)(dian)蝕坑的尺(chi)寸(cun)(cun)。采用有(you)限元(yuan)方法計算了(le)點(dian)(dian)蝕坑內的應力集中系數，得(de)到了(le)點(dian)(dian)蝕坑不(bu)同(tong)尺(chi)寸(cun)(cun)對力集中系數的影響規律。從應力角度出發，分析了(le)應力集中與裂紋(wen)萌生之(zhi)間的關系。
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(cai)料屈服(fu)強度的(de)分布函數，對(dui)應力腐蝕裂(lie)紋(wen)擴展的(de)隨機性進行了分析。
