幾種應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法的比較

董月香

(荊楚理工學(xué)院，湖北444800)

應(yīng)力腐蝕是指由應(yīng)力和腐蝕聯(lián)合作用所產(chǎn)生的材料破壞過程。應(yīng)力腐蝕破壞發(fā)生之前沒有大的塑性變形，是一種滯后的低應(yīng)力脆性破壞，在裂紋擴(kuò)展階段，其擴(kuò)展速率比均勻腐蝕要快106倍。因此，應(yīng)力腐蝕極易導(dǎo)致無先兆的災(zāi)難性事故。許多調(diào)查也表明，在各種事故中，應(yīng)力腐蝕引發(fā)的事故占有很高的比例[1]。因此，研究應(yīng)力腐蝕開裂對確保安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率具有重要意義，國內(nèi)外科研及工程人員對應(yīng)力腐蝕進(jìn)行了大量的研究。

應(yīng)力腐蝕最初的研究工作主要是從金屬學(xué)的角度來解釋應(yīng)力腐蝕的原因，后來則發(fā)展成從電化學(xué)角度來研究應(yīng)力腐蝕的機(jī)理。隨著力學(xué)特別是斷裂力學(xué)的發(fā)展，用力學(xué)的方法來研究應(yīng)力腐蝕越來越廣泛了。本文主要探討幾種常用的力學(xué)方法在研究應(yīng)力腐蝕問題時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用。

在用力學(xué)方法研究應(yīng)力腐蝕時(shí)，根據(jù)試樣的形式可分為：光滑試樣、缺口試樣和預(yù)裂紋試樣。光滑試樣是在傳統(tǒng)力學(xué)試驗(yàn)中常用的試樣，也是SCC試驗(yàn)中用得最多的試樣類型。缺口試樣是模擬金屬材料中的宏觀裂紋和各種加工缺口效應(yīng)以考察材料的應(yīng)力腐蝕敏感性的試樣。預(yù)裂紋試樣是預(yù)開機(jī)械缺口并經(jīng)疲勞處理產(chǎn)生裂紋的試樣。根據(jù)加載方式的不同，力學(xué)方法研究應(yīng)力腐蝕可分為恒變形(恒位移)法、恒載荷法和慢應(yīng)變速率法[2]。

1 恒變形(恒位移)法

1.1 恒變形光滑試樣試驗(yàn)法[3,4]

恒變形法是通過拉伸或彎曲使試樣變形而產(chǎn)生拉應(yīng)力，利用具有足夠剛性的框架維持這種變形或者直接采用加力框架，保證試樣變形恒定的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法。這種加載方式往往用于模擬工程構(gòu)件中的加工制造應(yīng)力狀態(tài)。采用的試樣形狀有彎曲試樣(U形彎曲試樣、二點(diǎn)彎曲、三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲試樣等)、C形試樣以及模擬縫隙存在的人工縫隙試樣等。U形試樣既有彈性變形又有塑性變形，常用來確定一種金屬在給定環(huán)境下對應(yīng)力腐蝕破裂是否敏感，在實(shí)驗(yàn)室中常用來篩選材料特殊應(yīng)用的敏感性，在使用環(huán)境中則用來評價(jià)破壞的危險(xiǎn)性，是光滑試樣恒變形試驗(yàn)法中用得較多的試樣。

光滑試樣恒變形試驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)是：裝置簡單、試樣緊湊、操作方便、可以定性地獲得材料應(yīng)力腐蝕敏感性。缺點(diǎn)是：(1)由光滑試樣所得到的總壽命，等于裂紋源生核的壽命和裂紋源擴(kuò)展直到斷裂的壽命總和，但由于該試驗(yàn)法的應(yīng)力一般偏大，所以裂紋源一旦生核，裂紋體實(shí)際上接近于失穩(wěn)狀態(tài)，加上腐蝕介質(zhì)的作用，裂紋將加速擴(kuò)展。因此裂紋擴(kuò)展速率da/dt很大，因而，在這種情況下，總壽命中90%是裂紋源的生核壽命。這種壽命總的說來較好的反映了材料對裂紋萌生的敏感性，而不大反映裂紋擴(kuò)展的性能。因此，在材料的實(shí)際使用中，有時(shí)會發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)應(yīng)力腐蝕性能好的材料，卻未必在實(shí)際使用條件下也具有好的抗SCC性能。(2)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有較大的分散度，使結(jié)果分析比較困難。造成上述缺點(diǎn)的根源，在于傳統(tǒng)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的出發(fā)點(diǎn)，把材料看成是理想完整無缺的，但實(shí)際上這種情況存在的可能性不大。因?yàn)椴粌H由于冶煉、冷加工、熱加工不可避免地會在材料中引入裂紋源或類似裂紋的缺陷，而且構(gòu)件在工作過程中，由于靜載荷、疲勞載荷或腐蝕介質(zhì)都可能形成新的裂紋源，所以，材料的不完整性是絕對的，而完整性是相對的。(3)試驗(yàn)過程中，伴隨裂紋發(fā)展，試樣中部分彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃?，往往會出現(xiàn)某種弛豫作用，從而導(dǎo)致試樣承受的應(yīng)力下降，使得裂紋的發(fā)展減緩或停止，顯著影響試樣的斷裂時(shí)間，甚至可能觀察不到試樣斷裂。

1.2 恒位移預(yù)裂紋試樣試驗(yàn)法[5]

恒位移預(yù)裂紋試樣最常用的是改進(jìn)后的楔形張開加載(改進(jìn)的WOL)試樣和雙懸臂梁(DCB)試樣，這兩種試樣都是通過裂紋張開到一定位移實(shí)現(xiàn)加載目的。這種預(yù)裂紋試樣可模擬由于冶煉、機(jī)加工、熱加工等操作在材料中造成的裂紋源或類似裂紋的缺陷。預(yù)裂紋試樣由于顯著地縮短了孕育期而加速了應(yīng)力腐蝕破壞，測試時(shí)間短、數(shù)據(jù)比較集中、便于研究裂紋擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)過程。試樣可采用砝碼加載，也可采用螺栓或楔自加載。

恒位移預(yù)裂紋試樣試驗(yàn)是建立在線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上的。通過試驗(yàn)，可以確定金屬材料在特定介質(zhì)中的臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC和裂紋擴(kuò)展速率da/dt。結(jié)合斷裂力學(xué)理論進(jìn)行分析，測試結(jié)果可用于工程設(shè)計(jì)、安全評定和壽命估計(jì)。

相對于恒變形光滑試樣試驗(yàn)法，恒位移預(yù)裂紋試樣試驗(yàn)是斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕斷裂中的應(yīng)用，是對傳統(tǒng)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)研究的一個(gè)重要補(bǔ)充和發(fā)展，具有較多的優(yōu)點(diǎn)：(1)當(dāng)實(shí)際構(gòu)件存在裂紋或其它缺陷時(shí)，用預(yù)裂紋試樣得到的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況比較符合。(2)獲得的應(yīng)力腐蝕強(qiáng)度因子KISCC以及裂紋在腐蝕介質(zhì)中的擴(kuò)展速率da/dt等參量，可直接應(yīng)用于構(gòu)件的選材和設(shè)計(jì)。(3)光滑試樣在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中，往往同時(shí)存在若干個(gè)分叉裂紋，故難以用該法研究應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)。而預(yù)裂紋試樣在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中，只有一個(gè)裂紋擴(kuò)展著，便于研究裂紋擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)。

恒位移預(yù)裂紋試樣試驗(yàn)最主要的局限性在于該試驗(yàn)是基于線彈性斷裂力學(xué)，因此，該方法比較適合于高強(qiáng)鋼在低應(yīng)力水平(σ/σs≤0.5)下的裂紋擴(kuò)展，而對中低強(qiáng)度鋼在應(yīng)用上則受到限制。其次，該方法要求試樣處于平面應(yīng)變狀態(tài)，試樣所需的尺寸很大，而對于多數(shù)試樣來說，尺寸上很難滿足嚴(yán)格的平面應(yīng)變條件，在裂紋尖端難以形成所需的三向拉應(yīng)力狀態(tài)。

2 恒載荷試驗(yàn)法[6]

恒載荷法是利用砝碼、力矩、彈簧等對試樣施加一定載荷以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)，這種加載方式往往用于模擬工程構(gòu)件可能受到的工作應(yīng)力或加工應(yīng)力。恒載荷法雖然載荷是恒定的，但試樣在暴露過程中由于腐蝕和產(chǎn)生裂紋使其截面積不斷減小，從而使斷裂面上的有效應(yīng)力不斷增加。與恒變形及恒位移應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)相比，會導(dǎo)致試樣過早斷裂。恒載荷試驗(yàn)更為嚴(yán)格，試樣壽命更短，應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力更低。

恒載荷應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)在于能定量地對比應(yīng)力腐蝕敏感性，還可比較不同材料在該介質(zhì)中抗應(yīng)力腐蝕性能的優(yōu)劣，可精確測量應(yīng)力值，可適用不同類型和尺寸的試樣，可采用不同的受力方法；缺點(diǎn)是只能求出起始應(yīng)力的影響，開裂后應(yīng)力值變大，試樣會過早斷裂。

3 慢應(yīng)變速率試驗(yàn)[7]

慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT)，是在一定環(huán)境中將拉伸試件放入特制的慢應(yīng)變速率試驗(yàn)機(jī)中，以恒定不變的相當(dāng)緩慢的應(yīng)變速度通過試驗(yàn)機(jī)十字頭位移而把載荷施加到試件，以強(qiáng)化應(yīng)變狀態(tài)來加速SCC過程的發(fā)生和發(fā)展。由于試驗(yàn)處于環(huán)境室中，可在慢拉伸過程中同時(shí)研究其它因素如溫度、電極電位和溶液pH值等對應(yīng)力腐蝕過程的影響。該試驗(yàn)可采用無裂紋試樣或缺口試樣，將試樣在特定的腐蝕介質(zhì)和惰性介質(zhì)中緩慢拉斷后，就可以根據(jù)延伸率等參數(shù)的不同和斷口形貌及二次裂紋的特征來評定特定材料——介質(zhì)體系對應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。

與前兩種方法相比，慢應(yīng)變速率法具有較大的優(yōu)越性。首先，慢應(yīng)變速率法對應(yīng)力腐蝕開裂有較高的靈敏性。其次，用慢應(yīng)變速率法可以得到很多有用的信息，可定量地判斷應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的大小。

慢應(yīng)變速率法的缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜，確定應(yīng)變速率值的影響因素很多，對材料過分苛刻。此外慢應(yīng)變速率法不能提供更多的信息，在比較腐蝕環(huán)境和空氣中的拉伸曲線時(shí)，不容易比較裂紋的潛伏期和擴(kuò)展期，很難估計(jì)裂紋擴(kuò)展速度。

4 結(jié)語

在同一體系中，應(yīng)用恒(變形)位移法、恒載荷法及慢應(yīng)變速率試驗(yàn)法測定材料的應(yīng)力腐蝕開裂性能時(shí)，結(jié)果不一定一致，這種不一致性與材料在一定條件下的開裂機(jī)理以及不同試驗(yàn)方法的靈敏度有關(guān)。通常認(rèn)為，以陽極溶解為主的應(yīng)力腐蝕，三種方法均可利用，但以慢應(yīng)變速率法最為敏感；以氫脆為主的應(yīng)力腐蝕，慢應(yīng)變速率是較為有效的方法[8]。

基于研究目的不同，應(yīng)力腐蝕研究除了力學(xué)方法外，還有很多其它方法。而對于研究應(yīng)力腐蝕的力學(xué)方法，我國目前基本上還是遵照ISO、ASTM標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。目前，國內(nèi)外已有的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也不夠完善，不一定能充分反映材料的實(shí)際性能[8]。因此，在執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，許多科研和工程人員對試驗(yàn)設(shè)備或試驗(yàn)過程進(jìn)行了改進(jìn)。比如徐文國等開發(fā)出的電動(dòng)式杠桿無級施加試驗(yàn)力裝置[9]、高進(jìn)等研制的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)[10]都是對試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)，白鐵鈞等[11]則對如何更有效地測定KISCC進(jìn)行了探討，R.Rihan[12,13]等人則從試樣和設(shè)備兩方面進(jìn)行了研究，從而能更方便、準(zhǔn)確地測定KISCC。

總之，如何更好地、更接近工程實(shí)況地來研究應(yīng)力腐蝕，仍然需要廣大科研及工程人員的不斷探索。

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