存在拉應力的情況下(xia)，香蕉視頻app破解碼:應力腐蝕裂(lie)紋(wen)(wen)優先在點蝕(shi)坑處萌(meng)生(sheng)(sheng)并擴展。在本章中，基于對點蝕(shi)坑內(nei)裂(lie)紋(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)(sheng)位(wei)置的(de)觀察，計(ji)算點蝕(shi)坑內(nei)的(de)應力集中系數，分析點蝕(shi)坑形貌對裂(lie)紋(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)(sheng)的(de)影響以及點蝕(shi)坑內(nei)裂(lie)紋(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)(sheng)機(ji)理。對高溫低CI-濃度環境中(zhong)裂紋(wen)(wen)的(de)(de)擴展(zhan)速率進行研究，并分析裂紋(wen)(wen)擴展(zhan)的(de)(de)隨機性。
一、應(ying)力腐(fu)蝕裂紋的(de)萌生
1. 點蝕坑形貌對裂紋(wen)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(you)圖(tu)5-1和圖(tu)5-2可看出，裂紋在(zai)點(dian)蝕坑處的萌生和擴展方(fang)式主要有(you)以下(xia)四(si)種情況：
①. 裂紋萌(meng)生于(yu)(yu)坑底，在垂直(zhi)(zhi)于(yu)(yu)拉(la)應(ying)力方向(xiang)沿(yan)蝕坑表面(mian)(mian)一直(zhi)(zhi)擴展(zhan)到坑外表面(mian)(mian)；
②. 裂紋萌生于坑(keng)底，只沿材(cai)料(liao)厚度方向(xiang)擴(kuo)展，不向(xiang)坑(keng)外表面擴(kuo)展；
③. 裂紋(wen)萌(meng)生于坑口或坑肩，只向坑外表面(mian)擴展；
④. 裂紋(wen)在底部和坑口處同時(shi)(shi)萌生，沿表面向兩側同時(shi)(shi)擴展，最終(zhong)匯合成主裂紋(wen)。
裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)受力學作用(yong)(yong)和電化(hua)學作用(yong)(yong)共同作用(yong)(yong)，而力學作用(yong)(yong)占重要(yao)地位(wei)。因此，由(you)點蝕(shi)坑(keng)引(yin)起的局部(bu)應力集中在很(hen)大(da)(da)程度上決(jue)定(ding)了裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)位(wei)置(zhi)。為了明確點蝕(shi)坑(keng)形(xing)貌與裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)(wen)萌(meng)生(sheng)的關系，對(dui)點蝕(shi)坑(keng)尺(chi)寸進行了測量。點蝕(shi)坑(keng)深度采用(yong)(yong)顯微(wei)法測量，放大(da)(da)倍數為200時的標尺(chi)如圖5-3(a)所示，觀察到的點蝕(shi)坑(keng)底(di)部(bu)和表(biao)面(mian)的圖像(xiang)如圖5-3(b)所示。
根(gen)據測(ce)得的點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑尺(chi)寸，采用(yong)ABAQUS軟件對不同形貌點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑建立三維模(mo)(mo)型(xing)，分析點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑內應力集中(zhong)情(qing)況。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑形貌簡(jian)化為半橢球形：b為蝕(shi)(shi)(shi)坑半長(chang)，沿拉(la)伸(shen)方向(xiang)；c為蝕(shi)(shi)(shi)坑半寬，垂直(zhi)于拉(la)伸(shen)方向(xiang)；a為蝕(shi)(shi)(shi)坑深度。幾何模(mo)(mo)型(xing)和有限(xian)元網格模(mo)(mo)型(xing)如圖5-4所示，模(mo)(mo)型(xing)中(zhong)部分點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑尺(chi)寸來(lai)源于應力腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)試驗后(hou)試樣中(zhong)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑的實際尺(chi)寸。材料模(mo)(mo)型(xing)采用(yong)彈塑(su)性(xing)模(mo)(mo)型(xing)，彈性(xing)模(mo)(mo)量E=210GPa,泊松比v=0.3.XY面施加Z方向(xiang)的約束(shu)，即UY=0,XZ面采用(yong)對稱(cheng)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(shen)坑(keng)內應力分布進(jin)行(xing)了模擬，結果如圖5-5所示(shi)。
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)以上(shang)模擬結果可知：應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)區垂直于拉(la)伸方向(xiang)，且(qie)呈帶狀(zhuang)分布(bu)，當深(shen)(shen)寬(kuan)比(bi)較大(da)(da)(da)時，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)帶從口(kou)(kou)部到底部逐漸變窄；深(shen)(shen)坑(keng)(keng)(keng)中(zhong)(zhong)(zhong)最(zui)大(da)(da)(da)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)出(chu)現在(zai)點(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)口(kou)(kou)下邊(bian)緣，淺坑(keng)(keng)(keng)中(zhong)(zhong)(zhong)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)最(zui)大(da)(da)(da)值(zhi)位于點(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)口(kou)(kou)或(huo)坑(keng)(keng)(keng)口(kou)(kou)下邊(bian)緣；相(xiang)(xiang)同的長(chang)寬(kuan)比(bi)下，隨著a/2c值(zhi)的減小，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)程度(du)降(jiang)低，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)分布(bu)帶變寬(kuan)且(qie)上(shang)下寬(kuan)度(du)趨于均勻；而深(shen)(shen)度(du)相(xiang)(xiang)同時，b/c值(zhi)減小，應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)系數增大(da)(da)(da)。因此，點(dian)蝕坑(keng)(keng)(keng)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集(ji)中(zhong)(zhong)(zhong)系數的大(da)(da)(da)小不僅與(yu)(yu)深(shen)(shen)寬(kuan)比(bi)有(you)關(guan)，還與(yu)(yu)長(chang)寬(kuan)比(bi)有(you)關(guan)，三者之間的關(guan)系如圖5-7所(suo)示。
不(bu)論是(shi)深坑(keng)(keng)還是(shi)淺(qian)坑(keng)(keng)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)口或(huo)下邊緣的應力(li)集中程度最大(da)，大(da)部分裂(lie)紋會優先在(zai)(zai)此萌(meng)生(sheng)，這(zhe)與在(zai)(zai)試驗(yan)和(he)實(shi)際失(shi)效案例中觀察到的現(xian)象(xiang)是(shi)一(yi)致的。然而，也發現(xian)了(le)一(yi)些(xie)起(qi)源于坑(keng)(keng)底的裂(lie)紋，這(zhe)主要有兩方面的原因：一(yi)是(shi)淺(qian)蝕(shi)坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)肩和(he)坑(keng)(keng)底的應力(li)集中程度相差(cha)很小(xiao)，微(wei)小(xiao)的力(li)學變(bian)(bian)化(hua)和(he)電化(hua)學溶解變(bian)(bian)化(hua)都可(ke)能引(yin)起(qi)裂(lie)紋萌(meng)生(sheng)位置的改變(bian)(bian)；二是(shi)實(shi)際點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)的形貌并不(bu)是(shi)標準的半橢(tuo)球形，受材料內部夾雜及晶體結構的影響，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)內部可(ke)能產(chan)生(sheng)次級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)，如(ru)圖5-8所(suo)示，次級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)的存在(zai)(zai)引(yin)起(qi)最大(da)應力(li)集中位置的改變(bian)(bian)。為了(le)研究次級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)對應力(li)集中的影響，在(zai)(zai)初級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)的基礎上建立次級(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)模型，并進行有限(xian)元模擬(ni)(ni)。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次級(ji)坑(keng)(keng)的尺寸：a=b=c=0.01mm,幾何模型如(ru)圖5-9所(suo)示，施加10MPa的單向拉力(li)，模擬(ni)(ni)結果如(ru)圖5-10所(suo)示。
由圖(tu)5-10可見，坑(keng)內最(zui)大應(ying)力(li)(li)出現在次(ci)級(ji)點蝕(shi)坑(keng)的(de)坑(keng)口(kou)處，應(ying)力(li)(li)集中系數為3.2,坑(keng)底的(de)應(ying)力(li)(li)為外加應(ying)力(li)(li)的(de)2.5倍；與(yu)圖(tu)5-6(b)相比，原點蝕(shi)坑(keng)坑(keng)肩和坑(keng)口(kou)位置的(de)應(ying)力(li)(li)集中程度基(ji)本沒變。
2. 裂(lie)紋萌生機理
對于奧氏體不銹(xiu)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)(de)分析(xi)發現，點蝕(shi)坑(keng)口(kou)和(he)坑(keng)肩部(bu)(bu)位(wei)應(ying)力集(ji)(ji)中(zhong)程度(du)最大(da)，裂紋(wen)會(hui)優(you)先(xian)在(zai)此萌(meng)生(sheng)。材料的(de)(de)(de)不均(jun)勻性和(he)局部(bu)(bu)的(de)(de)(de)電化(hua)學反應(ying)對應(ying)力腐蝕(shi)裂紋(wen)的(de)(de)(de)萌(meng)生(sheng)也有一定的(de)(de)(de)影響，雖(sui)然坑(keng)內裂紋(wen)萌(meng)生(sheng)概率會(hui)隨著(zhu)應(ying)力集(ji)(ji)中(zhong)程度(du)的(de)(de)(de)增大(da)而增大(da)，但實際材料中(zhong)夾(jia)雜(za)和(he)缺陷(xian)的(de)(de)(de)存在(zai)會(hui)改變局部(bu)(bu)的(de)(de)(de)應(ying)力集(ji)(ji)中(zhong)分布情況(kuang)，由此造成理論分析(xi)和(he)實際的(de)(de)(de)差(cha)距(ju)。特(te)別是較淺的(de)(de)(de)點蝕(shi)坑(keng)，坑(keng)口(kou)、坑(keng)肩和(he)坑(keng)底的(de)(de)(de)應(ying)力集(ji)(ji)中(zhong)程度(du)相差(cha)不大(da)，裂紋(wen)可能會(hui)在(zai)多個位(wei)置萌(meng)生(sheng)。
把圖5-1(c)放大，發(fa)現點蝕(shi)(shi)坑底部(bu)存(cun)在很多(duo)長(chang)度為(wei)6~8μm的微裂(lie)紋(wen)，這(zhe)些(xie)微裂(lie)紋(wen)都(dou)垂直于拉伸(shen)方向，如圖5-11所示。產生(sheng)多(duo)條(tiao)裂(lie)紋(wen)的原因是(shi)：點蝕(shi)(shi)坑底部(bu)較平(ping)坦，應力(li)集中(zhong)程(cheng)度幾(ji)乎相同，只要(yao)在比較薄弱的位(wei)(wei)置就(jiu)產生(sheng)位(wei)(wei)錯滑(hua)移，進而產生(sheng)微裂(lie)紋(wen)。最終，同一面的微裂(lie)紋(wen)匯聚成一條(tiao)裂(lie)紋(wen)，成為(wei)主裂(lie)紋(wen)的起源。
二、應(ying)力腐蝕裂紋擴展概(gai)率(lv)分析
應(ying)力腐(fu)蝕裂紋(wen)擴展過(guo)程具有“三段”式特點，裂紋(wen)擴展速率與應(ying)力強度因子(zi)之(zhi)間的關系(xi)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. 裂紋擴(kuo)展速率(lv)估算(suan)
應力腐蝕裂紋(wen)(wen)(wen)擴(kuo)展受(shou)環境、應力狀態以及材(cai)料(liao)微觀(guan)結構(gou)和性(xing)能等眾多(duo)(duo)因素影(ying)響，不同情況下的(de)擴(kuo)展速率不盡相同。到(dao)目(mu)前為止，裂紋(wen)(wen)(wen)擴(kuo)展速率的(de)預測仍是應力腐蝕研究的(de)重(zhong)點(dian)和難點(dian)。目(mu)前，大(da)多(duo)(duo)數(shu)(shu)裂紋(wen)(wen)(wen)擴(kuo)展模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)針對核電(dian)(dian)設備在高溫水環境中的(de)開裂，Shoji模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)和Clark模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)是兩(liang)個最(zui)具代表性(xing)的(de)定量預測模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)。Shoji模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)完(wan)全基于理(li)論推導(dao)而獲(huo)得，模(mo)(mo)型(xing)(xing)(xing)中涉及的(de)變量較(jiao)多(duo)(duo)，雖然能夠分(fen)析各種環境、材(cai)料(liao)和力學因素對裂紋(wen)(wen)(wen)擴(kuo)展速率的(de)影(ying)響，但公式(shi)(shi)非常復雜，解析和計算困難，且公式(shi)(shi)中包含很多(duo)(duo)材(cai)料(liao)參數(shu)(shu)和電(dian)(dian)化學參數(shu)(shu)，組合后所(suo)代表的(de)物理(li)意義(yi)不夠清晰(xi)，定量化后的(de)精度難以保證(zheng)，因此與工程應用距離較(jiao)遠(yuan)。
Clark模(mo)型(xing)是針(zhen)對不(bu)同材料，根據實(shi)驗數據得到的一種經驗模(mo)型(xing)，模(mo)型(xing)中考慮了(le)溫度和材料的屈服強度對裂紋擴展速率的影響。Clark模(mo)型(xing)通用(yong)表達式為：
由于Clark模(mo)型中參數較(jiao)(jiao)少，且溫度和(he)屈(qu)服強度較(jiao)(jiao)容易測得，因此該模(mo)型在實際工程中得到了廣泛(fan)采(cai)用。本(ben)節便采(cai)用Clark模(mo)型研究奧(ao)氏體不銹鋼的裂紋擴展速率(lv)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(kuo)展(zhan)概率分(fen)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(bu)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(xiu)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(zong)結
本次主要討論了點(dian)蝕坑內裂(lie)紋的萌(meng)生以及擴展。
①. 觀(guan)察了點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)的(de)(de)形貌(mao)，測量了點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)的(de)(de)尺寸(cun)。采用有限(xian)元方法(fa)計算了點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)內的(de)(de)應力(li)集(ji)中(zhong)系數，得(de)到了點(dian)(dian)蝕(shi)坑(keng)不(bu)同尺寸(cun)對力(li)集(ji)中(zhong)系數的(de)(de)影(ying)響規(gui)律(lv)。從應力(li)角度(du)出發，分析(xi)了應力(li)集(ji)中(zhong)與裂(lie)紋(wen)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(le)(le)材料(liao)屈服強度的(de)分布函(han)數，對應力腐蝕裂紋擴展的(de)隨機(ji)性進行(xing)了(le)(le)分析。
