所有的應力腐蝕開裂實驗的最終目的都是測定合金在特定應用環境中的抗應力腐蝕開裂性能。應力腐蝕實驗是根據應力腐蝕的特征和實驗目的而設計的。鑒于材料、介質、應力狀態和實驗目的的多樣性,現已發展了多種應力腐蝕實驗方法。概括起來,按照實驗地點和環境性質可將實驗方法分為現場實驗、實驗室實驗和實驗室加速實驗;按照加載方式不同,可將其分為恒負荷實驗、恒變形實驗、斷裂力學實驗和慢應變速率拉伸實驗。不同的試樣類型、加載系統及環境系統的組合,構成了眾多的實驗方法。
一、應力(li)腐蝕實驗的試樣
應力腐蝕(shi)實驗的試(shi)(shi)樣(yang)一般(ban)可(ke)分為三類:光滑試(shi)(shi)樣(yang)、缺口試(shi)(shi)樣(yang)和預制裂紋試(shi)(shi)樣(yang)。
1. 光滑試樣
光(guang)滑試樣(yang)是在傳統(tong)力(li)學實驗中常用的試樣(yang),也是應(ying)力(li)腐(fu)蝕實驗中用得(de)最多(duo)的試樣(yang)類(lei)型。應(ying)力(li)腐(fu)蝕實驗中靜(jing)止加載的光(guang)滑試樣(yang)可(ke)以分(fen)為三大類(lei):彈性應(ying)變(bian)試樣(yang)、塑性應(ying)變(bian)試樣(yang)和(he)殘余應(ying)力(li)試樣(yang)。彈性應(ying)變(bian)試樣(yang)包(bao)括彎梁試樣(yang)、C形環試樣(yang)、O形環試樣(yang)、拉(la)伸(shen)試樣(yang)和(he)音叉試樣(yang)。
2. 缺(que)口(kou)試(shi)樣
缺口試樣是(shi)模擬金屬(shu)材(cai)料中宏觀裂紋(wen)和各(ge)種(zhong)加工缺口效應以考察材(cai)料應力腐蝕敏感(gan)性的專門試樣。使(shi)用缺口效應有以下優(you)點(dian):①. 縮短孕育期,加速應力腐蝕進(jin)程;②. 使(shi)應力腐蝕限定于(yu)缺口區域;③. 改善測(ce)量(liang)數據的重現性;④. 便(bian)于(yu)測(ce)量(liang)某些參(can)數,如(ru)裂紋(wen)擴展速率。
3. 預制(zhi)裂紋試樣
預制裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)試(shi)樣(yang)(yang)是預開(kai)機械缺口并經疲(pi)勞法處理產生(sheng)裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)的試(shi)樣(yang)(yang),通(tong)過(guo)應(ying)力(li)腐(fu)蝕實(shi)驗和(he)斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)力(li)學(xue)(xue)分析,測試(shi)結果可用于(yu)(yu)工程設(she)計、安(an)全評定和(he)壽命設(she)計。這種基于(yu)(yu)斷(duan)裂(lie)(lie)(lie)力(li)學(xue)(xue)的預制裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)試(shi)樣(yang)(yang),由(you)于(yu)(yu)顯著地(di)縮短了孕育期而加速應(ying)力(li)腐(fu)蝕破壞,測試(shi)時間短,數據(ju)比(bi)較集中(zhong),便于(yu)(yu)研(yan)究裂(lie)(lie)(lie)紋(wen)(wen)擴展動(dong)力(li)學(xue)(xue)過(guo)程。
二、應(ying)力腐蝕實驗(yan)的加載方(fang)式
在應(ying)力(li)腐蝕實驗中,應(ying)根據實驗目(mu)的選擇合適(shi)的試樣類型和加載方(fang)式。加載方(fang)式通常可以分為恒(heng)(heng)載荷、恒(heng)(heng)變(bian)形和慢(man)應(ying)變(bian)速(su)率(lv)拉伸加載三(san)種方(fang)式。
1. 恒(heng)載荷加(jia)載方式
利用(yong)砝碼、力(li)(li)(li)(li)矩、彈簧(huang)等對試(shi)(shi)樣(yang)施加(jia)(jia)(jia)一定(ding)的(de)(de)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)進(jin)行應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕實(shi)驗(yan)。這(zhe)種(zhong)加(jia)(jia)(jia)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)的(de)(de)方式(shi)往往用(yong)于(yu)模(mo)擬工(gong)程構件可能受到的(de)(de)工(gong)作應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)和加(jia)(jia)(jia)工(gong)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)。可采用(yong)直接拉伸加(jia)(jia)(jia)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai),如在一端固(gu)定(ding)的(de)(de)試(shi)(shi)樣(yang)上直接懸掛(gua)砝碼;也(ye)可采用(yong)杠桿系統加(jia)(jia)(jia)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai),這(zhe)種(zhong)方式(shi)始終(zhong)具有(you)(you)恒(heng)(heng)定(ding)的(de)(de)外(wai)加(jia)(jia)(jia)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)。恒(heng)(heng)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕實(shi)驗(yan)雖(sui)然外(wai)加(jia)(jia)(jia)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)是恒(heng)(heng)定(ding)的(de)(de),但(dan)試(shi)(shi)樣(yang)在暴露(lu)過程中由于(yu)腐(fu)(fu)蝕和產生裂紋使(shi)其橫截面(mian)積不(bu)斷(duan)減小(xiao),從而使(shi)斷(duan)裂面(mian)上的(de)(de)有(you)(you)效應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)不(bu)斷(duan)增加(jia)(jia)(jia)。與(yu)恒(heng)(heng)變形實(shi)驗(yan)相比,必然導致試(shi)(shi)樣(yang)過早斷(duan)裂。恒(heng)(heng)載(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)荷(he)(he)實(shi)驗(yan)條(tiao)件更(geng)為嚴(yan)苛,試(shi)(shi)樣(yang)壽命更(geng)短,應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)腐(fu)(fu)蝕的(de)(de)臨界應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)(li)(li)(li)更(geng)低。
2. 恒變形加載方式
通過直(zhi)接拉伸(shen)或彎(wan)曲使試樣(yang)變(bian)(bian)形而產生拉應力(li),利(li)用具有(you)足夠剛性的框架維持這(zhe)種變(bian)(bian)形或者直(zhi)接采(cai)用加力(li)框架,以(yi)保證(zheng)試樣(yang)變(bian)(bian)形恒(heng)定,此為(wei)恒(heng)變(bian)(bian)形加載(zai)方式(shi)。這(zhe)種加載(zai)應力(li)方式(shi)的試樣(yang)類型及恒(heng)變(bian)(bian)形加載(zai)的預制裂(lie)(lie)紋(wen)試樣(yang)等(deng)均屬于(yu)恒(heng)變(bian)(bian)形加載(zai)方式(shi)。恒(heng)變(bian)(bian)形應力(li)腐蝕實(shi)驗(yan)過程中,當裂(lie)(lie)紋(wen)產生后還會引起應力(li)下降,這(zhe)是因(yin)為(wei)應力(li)在裂(lie)(lie)尖(jian)高度集中,使裂(lie)(lie)紋(wen)張開,而且有(you)一部分(fen)外(wai)加彈(dan)性應變(bian)(bian)轉變(bian)(bian)成為(wei)塑性應變(bian)(bian),應力(li)下降使裂(lie)(lie)紋(wen)的發(fa)展放慢或終止(zhi),因(yin)此可能(neng)(neng)觀(guan)(guan)察不到試樣(yang)完全(quan)斷裂(lie)(lie)的現象,只能(neng)(neng)借助微觀(guan)(guan)金相檢查(cha)分(fen)析裂(lie)(lie)紋(wen)的生成。此外(wai),為(wei)確定裂(lie)(lie)紋(wen)最初出(chu)現的時間(jian),經(jing)常需要(yao)中斷實(shi)驗(yan),取出(chu)試樣(yang)觀(guan)(guan)察。
3. 慢應變(bian)速率(lv)加載方式
慢(man)應(ying)(ying)(ying)(ying)變速率(lv)實(shi)(shi)(shi)驗(Slow Strain Rate Test,SSRT)方(fang)(fang)法是由P.N.Parkins 和(he) Honthorne等(deng)(deng)人提出,并作(zuo)為實(shi)(shi)(shi)驗室(shi)(shi)實(shi)(shi)(shi)驗方(fang)(fang)法而建立起來的,1977年(nian)(nian)統一命名為SSRT.作(zuo)為實(shi)(shi)(shi)驗室(shi)(shi)實(shi)(shi)(shi)驗方(fang)(fang)法,最初應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)快速選(xuan)材(cai)、判斷(duan)不(bu)同合(he)金成分和(he)不(bu)同結構等(deng)(deng)對(dui)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)的敏(min)(min)感性(xing)或對(dui)各(ge)類(lei)電化學(xue)參數的影響(xiang)等(deng)(deng),近年(nian)(nian)來已用(yong)(yong)于(yu)理(li)論研(yan)(yan)(yan)究,并逐漸成為研(yan)(yan)(yan)究應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)行為的經典方(fang)(fang)法,已被ISO和(he)ASTM定(ding)為判斷(duan)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)開裂(lie)的一種標準方(fang)(fang)法。SSRT方(fang)(fang)法提供了在(zai)傳統應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)實(shi)(shi)(shi)驗不(bu)能迅(xun)速激發應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)的環(huan)境里確(que)定(ding)延性(xing)材(cai)料(liao)應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)敏(min)(min)感性(xing)的快速實(shi)(shi)(shi)驗方(fang)(fang)法,由于(yu)它具有(you)可(ke)大(da)大(da)縮短應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)實(shi)(shi)(shi)驗周期,并且可(ke)以采用(yong)(yong)光滑小試樣等(deng)(deng)一系列優(you)點,因而被廣泛應(ying)(ying)(ying)(ying)用(yong)(yong)于(yu)各(ge)種材(cai)料(liao)一介質的應(ying)(ying)(ying)(ying)力(li)腐(fu)(fu)蝕(shi)研(yan)(yan)(yan)究。
一(yi)些研究者認為(wei):在(zai)發(fa)(fa)生(sheng)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)的體系中,應(ying)力(li)的作用(yong)是(shi)(shi)(shi)為(wei)了(le)促進(jin)應(ying)變(bian)速(su)率(lv),真(zhen)正控制(zhi)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)裂紋發(fa)(fa)生(sheng)和擴(kuo)展的參數是(shi)(shi)(shi)應(ying)變(bian)速(su)率(lv)而不是(shi)(shi)(shi)應(ying)力(li)本(ben)身。事實(shi)(shi)(shi)上(shang),在(zai)恒載(zai)荷(he)和恒應(ying)變(bian)實(shi)(shi)(shi)驗中以及在(zai)實(shi)(shi)(shi)際發(fa)(fa)生(sheng)應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)的設備部件中,裂紋擴(kuo)展的同時(shi)也或多(duo)或少地伴有緩慢(man)的動(dong)態應(ying)變(bian),應(ying)變(bian)速(su)率(lv)取決(jue)于(yu)初始應(ying)力(li)值和控制(zhi)蠕變(bian)的各(ge)冶金參量(liang)。電子金相研究表明(ming),應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)是(shi)(shi)(shi)通過外(wai)加(jia)應(ying)力(li)所產(chan)生(sheng)的滑(hua)移臺階上(shang)的腐(fu)蝕(shi)產(chan)生(sheng)的,某一(yi)體系的應(ying)力(li)腐(fu)蝕(shi)只在(zai)某一(yi)應(ying)變(bian)速(su)率(lv)范(fan)圍內才顯(xian)示出來。
慢應變速率實驗中,最重要的變量是應變速率的大小。一般發生應力腐蝕的應變速率為10-7~10-4s-1,在這一應變速率范圍內,將使裂紋尖端的變形、溶解、成膜和擴展處于產生應力腐蝕破裂的臨界平衡狀態。除了進行專門的研究,通常推薦使用標準的拉伸試樣(ASTME8),其標距長度、半徑等都做了具體的規定。由于SSRT方法本身就具有加速作用,因此對實驗介質一般要求不是特別苛刻,可以采用實際應用的介質。
SSRT最常用的加載方式是采用單軸拉伸方法。這種加載方法是在拉伸機上將試樣的卡頭以一定唯一速度移動,使試樣發生慢應變,其應變速率在10-7~10-3s-1變化,直至把試樣拉斷。圖中即為一種單軸拉伸SSRT試驗機。對一臺SSRT所用的單軸向拉伸試驗機的要求是:①. 在試樣所承受的載荷下,設備有足夠的剛性,不致變形;②. 能提供可重現的恒應變速率,范圍為10-8~10-4S-1; ③. 備有能維持實驗條件的實驗容器及其他控制和記錄的儀器、儀表。慢應變速率實驗結果通常與在不發生應力腐蝕的惰性介質(如油或空氣)中的實驗結果進行比較,以兩者在相同溫度和應變速率下的實驗結果的相對值表征應力腐蝕的敏感性。主要有以下幾個評定指標。研究應力腐蝕行為、規律和機理時,還經常輔以金相觀察、斷口分析和掃描電鏡等多種現代研究分析手段。