存(cun)在(zai)拉應(ying)力的(de)情況下(xia)，高清下載香蕉視頻app蘋果:應力腐蝕裂(lie)紋優先在點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑處萌(meng)生(sheng)并擴展。在本章中，基于對點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑內(nei)(nei)裂(lie)紋萌(meng)生(sheng)位置(zhi)的(de)觀(guan)察，計算點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑內(nei)(nei)的(de)應力集中系數，分析(xi)點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑形貌對裂(lie)紋萌(meng)生(sheng)的(de)影響(xiang)以及點(dian)(dian)蝕(shi)(shi)坑內(nei)(nei)裂(lie)紋萌(meng)生(sheng)機理。對高(gao)溫(wen)低(di)CI-濃(nong)度環境中裂紋的擴展速率進行(xing)研(yan)究(jiu)，并分析裂紋擴展的隨機性。
一、應力腐蝕裂紋(wen)的萌生
1. 點蝕坑形貌對裂(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，裂紋在點蝕坑處的萌生和擴展方式主要有(you)以下四種情況：
①. 裂紋萌(meng)生(sheng)于坑(keng)底，在垂直(zhi)于拉(la)應力方(fang)向沿蝕坑(keng)表面一直(zhi)擴展到坑(keng)外表面；
②. 裂紋(wen)萌生于坑底，只沿(yan)材料厚度方向擴(kuo)展，不向坑外(wai)表面擴(kuo)展；
③. 裂(lie)紋萌生于坑(keng)口或(huo)坑(keng)肩，只向坑(keng)外表面擴展；
④. 裂紋在底部和坑口處同時萌生，沿表面向兩側同時擴展(zhan)，最終匯合成主(zhu)裂紋。
裂紋(wen)萌生(sheng)受力(li)學作(zuo)(zuo)用(yong)和電化學作(zuo)(zuo)用(yong)共同作(zuo)(zuo)用(yong)，而(er)力(li)學作(zuo)(zuo)用(yong)占(zhan)重要地位(wei)。因此，由點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑引起的局部(bu)應力(li)集中(zhong)在很(hen)大(da)程度上決定了(le)裂紋(wen)萌生(sheng)位(wei)置。為(wei)了(le)明(ming)確點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑形(xing)貌與裂紋(wen)萌生(sheng)的關系，對點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑尺寸(cun)進行了(le)測(ce)量。點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑深(shen)度采用(yong)顯(xian)微法測(ce)量，放大(da)倍數為(wei)200時的標尺如(ru)(ru)圖5-3(a)所(suo)(suo)示，觀(guan)察到(dao)的點(dian)蝕(shi)(shi)(shi)坑底部(bu)和表面的圖像如(ru)(ru)圖5-3(b)所(suo)(suo)示。
根據測得的(de)點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺(chi)寸，采用ABAQUS軟件對不同形(xing)(xing)貌點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)建(jian)立三維模(mo)(mo)型(xing)，分析點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)內應力集中情況。點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)形(xing)(xing)貌簡化為半(ban)橢球形(xing)(xing)：b為蝕(shi)坑(keng)(keng)半(ban)長，沿拉伸方(fang)向；c為蝕(shi)坑(keng)(keng)半(ban)寬，垂直于拉伸方(fang)向；a為蝕(shi)坑(keng)(keng)深度。幾(ji)何模(mo)(mo)型(xing)和有(you)限(xian)元(yuan)網(wang)格模(mo)(mo)型(xing)如(ru)圖(tu)5-4所示，模(mo)(mo)型(xing)中部分點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)尺(chi)寸來源于應力腐蝕(shi)試(shi)驗后試(shi)樣中點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)的(de)實(shi)際尺(chi)寸。材料模(mo)(mo)型(xing)采用彈塑(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(fang)向的(de)約束，即UY=0,XZ面采用對稱邊界。
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。
首先(xian)對深坑(keng)內(nei)應力(li)分布進行(xing)了模擬，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。
由以上(shang)模擬結果(guo)可知：應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)區垂(chui)直于拉(la)伸方向，且呈帶狀(zhuang)分布，當深寬比(bi)(bi)較(jiao)大(da)時，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)帶從口(kou)(kou)部到底部逐(zhu)漸變窄；深坑(keng)中(zhong)最(zui)(zui)大(da)應(ying)力(li)出現在(zai)點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)口(kou)(kou)下邊(bian)緣，淺坑(keng)中(zhong)應(ying)力(li)最(zui)(zui)大(da)值位于點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)口(kou)(kou)或(huo)坑(keng)口(kou)(kou)下邊(bian)緣；相(xiang)同(tong)的長寬比(bi)(bi)下，隨(sui)著a/2c值的減小(xiao)，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)程度(du)(du)降低，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)分布帶變寬且上(shang)下寬度(du)(du)趨于均勻；而深度(du)(du)相(xiang)同(tong)時，b/c值減小(xiao)，應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)系數增(zeng)大(da)。因此，點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)應(ying)力(li)集(ji)中(zhong)系數的大(da)小(xiao)不僅(jin)與深寬比(bi)(bi)有(you)關(guan)，還與長寬比(bi)(bi)有(you)關(guan)，三者之間的關(guan)系如(ru)圖5-7所示。
不論是(shi)(shi)深坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)還(huan)是(shi)(shi)淺坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)口或下邊緣的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中程度(du)最(zui)大，大部(bu)分裂(lie)紋(wen)(wen)會優(you)先(xian)在(zai)此萌生，這(zhe)與在(zai)試(shi)驗和實際(ji)失效案例中觀察到的(de)(de)(de)(de)(de)現(xian)象是(shi)(shi)一致的(de)(de)(de)(de)(de)。然而，也發(fa)現(xian)了一些起(qi)源于坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)底的(de)(de)(de)(de)(de)裂(lie)紋(wen)(wen)，這(zhe)主要有(you)兩方面的(de)(de)(de)(de)(de)原因：一是(shi)(shi)淺蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)底的(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中程度(du)相差很小(xiao)，微小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)(li)學變化和電化學溶解變化都可能(neng)引起(qi)裂(lie)紋(wen)(wen)萌生位置(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)改變；二是(shi)(shi)實際(ji)點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)貌并不是(shi)(shi)標準的(de)(de)(de)(de)(de)半橢球形(xing)，受材(cai)料內部(bu)夾雜(za)及晶(jing)體結構的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)內部(bu)可能(neng)產(chan)生次級點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)，如圖(tu)5-8所(suo)(suo)示，次級點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)(de)(de)(de)存在(zai)引起(qi)最(zui)大應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中位置(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)改變。為(wei)了研究次級點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)對應(ying)(ying)(ying)力(li)(li)集中的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響(xiang)，在(zai)初級點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎上建(jian)立次級點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)模型(xing)(xing)，并進行有(you)限元(yuan)模擬(ni)。點(dian)(dian)(dian)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)(shi)坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)尺寸：a=0.075mm,b=0.2mm,c=0.15mm;次級坑(keng)(keng)(keng)(keng)(keng)的(de)(de)(de)(de)(de)尺寸：a=b=c=0.01mm,幾何模型(xing)(xing)如圖(tu)5-9所(suo)(suo)示，施加10MPa的(de)(de)(de)(de)(de)單向(xiang)拉(la)力(li)(li)，模擬(ni)結果如圖(tu)5-10所(suo)(suo)示。
由圖5-10可(ke)見，坑(keng)(keng)內最大(da)應力(li)(li)出現在次級點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)的坑(keng)(keng)口處，應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)系數為(wei)(wei)3.2,坑(keng)(keng)底的應力(li)(li)為(wei)(wei)外加應力(li)(li)的2.5倍；與圖5-6(b)相比，原點(dian)蝕(shi)坑(keng)(keng)坑(keng)(keng)肩和坑(keng)(keng)口位置的應力(li)(li)集(ji)(ji)中(zhong)程度(du)基(ji)本沒變(bian)。
2. 裂紋萌(meng)生機理(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節的分析發現，點(dian)蝕坑(keng)(keng)口和(he)坑(keng)(keng)肩部(bu)位(wei)應(ying)(ying)力(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度(du)(du)最大(da)，裂紋(wen)會(hui)優先在此萌(meng)生。材料的不均勻(yun)性和(he)局(ju)部(bu)的電(dian)化學反應(ying)(ying)對(dui)應(ying)(ying)力(li)腐蝕裂紋(wen)的萌(meng)生也有一(yi)定的影響，雖然坑(keng)(keng)內(nei)裂紋(wen)萌(meng)生概率會(hui)隨著應(ying)(ying)力(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度(du)(du)的增大(da)而增大(da)，但實際材料中(zhong)夾雜和(he)缺陷的存在會(hui)改變局(ju)部(bu)的應(ying)(ying)力(li)集(ji)中(zhong)分布情況，由此造成理論分析和(he)實際的差(cha)距。特別是較(jiao)淺(qian)的點(dian)蝕坑(keng)(keng)，坑(keng)(keng)口、坑(keng)(keng)肩和(he)坑(keng)(keng)底的應(ying)(ying)力(li)集(ji)中(zhong)程(cheng)度(du)(du)相(xiang)差(cha)不大(da)，裂紋(wen)可能會(hui)在多個(ge)位(wei)置萌(meng)生。
把(ba)圖5-1(c)放大，發現點(dian)(dian)蝕坑底(di)部存在很多長度為6~8μm的微裂(lie)(lie)紋(wen)，這(zhe)些微裂(lie)(lie)紋(wen)都垂直于拉(la)伸方向，如圖5-11所(suo)示。產生(sheng)多條裂(lie)(lie)紋(wen)的原(yuan)因是(shi)：點(dian)(dian)蝕坑底(di)部較(jiao)平坦，應力(li)集中程度幾乎相同(tong)，只要在比(bi)較(jiao)薄弱的位置就產生(sheng)位錯滑移，進而產生(sheng)微裂(lie)(lie)紋(wen)。最終(zhong)，同(tong)一面的微裂(lie)(lie)紋(wen)匯(hui)聚成(cheng)一條裂(lie)(lie)紋(wen)，成(cheng)為主裂(lie)(lie)紋(wen)的起源。
二、應力腐(fu)蝕裂紋(wen)擴展概率(lv)分析
應力腐蝕裂(lie)紋擴(kuo)展過(guo)程具有“三段”式特點，裂(lie)紋擴(kuo)展速率與應力強度(du)因子之間的關系如圖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. 裂紋擴展速率(lv)估算
應力腐蝕裂紋擴(kuo)展(zhan)受(shou)環境(jing)、應力狀態(tai)以及材料微觀結(jie)構和(he)性能等眾多(duo)(duo)因(yin)素(su)影(ying)響，不(bu)同(tong)情況下(xia)的(de)(de)擴(kuo)展(zhan)速(su)率(lv)不(bu)盡相同(tong)。到(dao)目前(qian)為止，裂紋擴(kuo)展(zhan)速(su)率(lv)的(de)(de)預測仍是應力腐蝕研究的(de)(de)重點(dian)和(he)難(nan)點(dian)。目前(qian)，大多(duo)(duo)數裂紋擴(kuo)展(zhan)模(mo)(mo)型針對(dui)核電設備在(zai)高溫水環境(jing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)開裂，Shoji模(mo)(mo)型和(he)Clark模(mo)(mo)型是兩個最具代(dai)表性的(de)(de)定量預測模(mo)(mo)型。Shoji模(mo)(mo)型完全(quan)基(ji)于理論(lun)推導而獲得，模(mo)(mo)型中(zhong)(zhong)涉(she)及的(de)(de)變量較多(duo)(duo)，雖(sui)然(ran)能夠分析各種環境(jing)、材料和(he)力學因(yin)素(su)對(dui)裂紋擴(kuo)展(zhan)速(su)率(lv)的(de)(de)影(ying)響，但公式(shi)非常復雜，解析和(he)計算困難(nan)，且公式(shi)中(zhong)(zhong)包(bao)含很多(duo)(duo)材料參(can)數和(he)電化(hua)學參(can)數，組合后所代(dai)表的(de)(de)物(wu)理意(yi)義不(bu)夠清晰，定量化(hua)后的(de)(de)精度難(nan)以保證，因(yin)此(ci)與工程應用距(ju)離較遠。
Clark模型是(shi)針對不同材料，根據(ju)實驗數(shu)據(ju)得到的一(yi)種(zhong)經驗模型，模型中考慮了溫度(du)和(he)材料的屈服強度(du)對裂紋(wen)擴展速率的影響。Clark模型通用表達式為：
由于Clark模型中(zhong)參數較(jiao)少，且溫度和屈服強(qiang)度較(jiao)容易測得(de)，因此(ci)該模型在實際工程中(zhong)得(de)到了廣泛采(cai)用。本節(jie)便采(cai)用Clark模型研究奧氏(shi)體不銹鋼的(de)裂紋擴展速率問題。
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(kuo)展概率分析
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(ben)次主要討論(lun)了(le)點蝕坑內(nei)裂(lie)紋的萌(meng)生以及(ji)擴(kuo)展。
①. 觀(guan)察了點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)形貌，測量了點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)的(de)尺(chi)寸。采用有限(xian)元方(fang)法計算了點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)內的(de)應力(li)集中系數，得到了點(dian)蝕(shi)(shi)坑(keng)(keng)不同(tong)尺(chi)寸對力(li)集中系數的(de)影(ying)響規(gui)律。從應力(li)角度出發，分析(xi)了應力(li)集中與裂紋萌生(sheng)之間的(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. 得到了材料屈服強(qiang)度的(de)(de)分(fen)布函數，對(dui)應(ying)力腐蝕裂紋擴展的(de)(de)隨機性進行(xing)了分(fen)析。
