環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)在應(yīng)力腐蝕斷裂中的應(yīng)用

封先河，曹學(xué)軍

（1.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所，浙江 寧波 315103）

環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)在應(yīng)力腐蝕斷裂中的應(yīng)用

封先河1，曹學(xué)軍2

（1.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第五二研究所，浙江 寧波 315103）

目的 研究材料的應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間。方法 應(yīng)用環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論，求解材料的應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間函數(shù)。結(jié)果 從環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論得到了材料的應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間函數(shù)，并對(duì)AZ61和AZ80鎂合金進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)論 環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論可以描述鎂合金材料應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間；AZ61鎂合金抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于AZ80鎂合金。

應(yīng)力腐蝕；斷裂力學(xué)；環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)；應(yīng)力腐蝕斷裂

零件斷裂一般不是單純的金屬與外部介質(zhì)化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，常有應(yīng)力存在，在工作應(yīng)力或殘余應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)的共同作用下，所發(fā)生的破壞屬于應(yīng)力腐蝕破壞。

應(yīng)力腐蝕引起的破壞有以下特點(diǎn)[1—6]：

1）應(yīng)力腐蝕破壞的應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料或零件的屈服強(qiáng)度，一般是拉伸應(yīng)力(也發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力引起)。這個(gè)應(yīng)力可以是焊接、冷加工或熱處理產(chǎn)生的殘留拉應(yīng)力，也可以是外加應(yīng)力。冷加工黃銅材料的子彈殼在潮濕的氨氣中的破壞，就是由于加工殘留應(yīng)力引起的。

應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的破壞，一般是脆性斷裂，沒有顯著的塑性應(yīng)變。

3）只有在特定的金屬成分與相應(yīng)的介質(zhì)組合在一起時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。例如α黃銅在氨溶液中才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，而β黃銅在水中就能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而破裂。

4）應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的裂紋的擴(kuò)展速率一般在10-9～10-6m/s，這種緩慢的擴(kuò)展?fàn)顩r一直到某一臨界大小，使余下的材料或零件橫截面不能承受外力時(shí)，就快速發(fā)生斷裂。

對(duì)材料應(yīng)力腐蝕特征的研究，一般采用人工預(yù)制裂紋試樣。將人工預(yù)制裂紋試樣放在腐蝕介質(zhì)中，在恒定拉應(yīng)力下，測(cè)定裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度因子 K的變化關(guān)系，得到材料的應(yīng)力腐蝕特性[7—10]。

當(dāng)KK1C時(shí)，加上應(yīng)力后即可斷裂。

高強(qiáng)度鋼和鈦合金都有確定的門檻值 K1SCC，但鋁合金沒有確定的門檻值，只能根據(jù)試驗(yàn)時(shí)間的長(zhǎng)短而定。材料或零件應(yīng)力腐蝕的試驗(yàn)方法有恒定載荷法和恒定位移法兩種[11—13]。恒定載荷法使K1不斷增大，恒定位移法使 K1不斷減少。恒定載荷法可得到完整的 K1時(shí)間曲線，能夠準(zhǔn)確地測(cè)定K1SCC，但所需試樣較多。恒定位移法便于現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，可以用一個(gè)試樣測(cè)定K1SCC值，但在計(jì)算K1SCC時(shí)存在一定誤差?，F(xiàn)行應(yīng)力腐蝕的研究已經(jīng)比較成熟，能夠?qū)Ω鞣N材料的抗應(yīng)力腐蝕特性作出較準(zhǔn)確的判定，廣泛應(yīng)用于武器裝備、工業(yè)生產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域，但是也存在應(yīng)用上的一些問題。材料K1SCC的確定，只能判斷材料或零件是否可以長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生破壞，對(duì)于發(fā)生破壞的時(shí)間難以確定，而工程上最為關(guān)心的恰恰是應(yīng)力腐蝕的破壞時(shí)間。特別是鋁合金、鎂合金等新型材料的廣泛使用，沒有明顯的門檻值，傳統(tǒng)的應(yīng)力腐蝕研究方法更加困難。

文中從環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)[14—16]，以材料斷裂時(shí)間來研究材料或零件的應(yīng)力腐蝕問題，直接給出材料或零件的應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間，供大家參考。

1　環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)在應(yīng)力腐蝕中的應(yīng)用

按照環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)[17]，組成鎂合金材料的大量微觀粒子（鎂原子等）中，只有及其少量的微觀粒子（由鎂合金材料的環(huán)境響應(yīng)性決定），具有很高能量，能夠脫離其他微觀粒子的束縛，離開平衡位置，在應(yīng)力作用下移動(dòng)到新的位置，或者在腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)鎂合金材料微裂紋尖端附近的微觀粒子獲得很高能量時(shí)，無論是內(nèi)部微裂紋尖端附近的微觀粒子在應(yīng)力作用下移動(dòng)到新的位置，還是表面微裂紋尖端附近的微觀粒子在腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，都會(huì)造成微裂紋的擴(kuò)展，直到鎂合金材料斷裂。

環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)在鎂合金材料環(huán)境應(yīng)力腐蝕中的應(yīng)用，首先應(yīng)該確定應(yīng)力腐蝕過程中，鎂合金材料的環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)境響應(yīng)性、變化重復(fù)性特征。

1）鎂合金材料自身特征沒有發(fā)生變化，不存在環(huán)境適應(yīng)性，于是S=1。

2）應(yīng)力腐蝕過程中，鎂合金材料只有及其少量的微觀粒子具有很高能量，響應(yīng)靜態(tài)應(yīng)力和腐蝕環(huán)境，因此物體的環(huán)境響應(yīng)性 U等于活化粒子濃度W(T)。

3）應(yīng)力腐蝕過程中，鎂合金材料存在兩個(gè)變化過程：內(nèi)部微裂紋尖端附近的微觀粒子的移動(dòng)；表面微裂紋尖端附近的微觀粒子在腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)。由于環(huán)境腐蝕較為微弱，組成鎂合金材料的大量微觀粒子的變化，主要是內(nèi)部微裂紋尖端附近的微觀粒子的移動(dòng)，可以無限次產(chǎn)生變化，變化重復(fù)性Q恒等于1。

選擇描述鎂合金材料應(yīng)力腐蝕過程中的變化度量值，并確定環(huán)境作用σ（此處的σ是環(huán)境作用，不是彈性力學(xué)中的應(yīng)力）的具體函數(shù)。根據(jù)鎂合金試樣從完好到最終斷裂的變化過程，取鎂合金試樣標(biāo)距的有效截面積 S為描述鎂合金材料應(yīng)力腐蝕程中的變化度量值。

環(huán)境作用σ取鎂合金試樣所承受的實(shí)際應(yīng)力，即：

帶入環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)方程，得：

求解得到變化度量值S(t,T)：

考慮到：t=0時(shí)，S(t,T)=S0；t=t0時(shí)，S(t,T)=Sb。有：

式中：S0為初始狀態(tài)的鎂合金試樣標(biāo)距處的原始截面積；t0為斷裂時(shí)間；Sb為斷裂極限時(shí)的鎂合金試樣標(biāo)距處的截面積。即：

如果溫度取試樣時(shí)間段的平均溫度，或者全年平均溫度，那么2×j×W(T)可以看作常數(shù)η。于是式(4)簡(jiǎn)化為：

2　應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品材料為AZ80和AZ61鎂合金，樣品形狀為如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)樣品Fig.1 Experiment sample

試驗(yàn)地點(diǎn)為重慶江津自然環(huán)境試驗(yàn)站，試驗(yàn)設(shè)備為戶外應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)，如圖2所示。

圖2 戶外應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)Fig.2 The outdoor stress corrosion experiments machine

AZ61鎂合金試驗(yàn)結(jié)果見表1。

AZ80鎂合金試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 AZ61試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The experiments result of AZ61

表2 AZ80鎂合金試驗(yàn)結(jié)果Table 2 The experiments result of AZ80

3　應(yīng)力腐蝕數(shù)據(jù)處理

以試樣截面積和力為自變量，斷裂時(shí)間為因變量，式(6)變化為：

式(7)的函數(shù)圖形如圖3所示。

AZ61和AZ80鎂合金的σb分別為151 MPa和182 MPa，由AZ61鎂合金和AZ80鎂合金的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)式(7)分別求得 η的平均值為：ηAZ80=0.0257 m2/(h·kg)，ηAZ61=0.0204 m2/(h·kg)。

圖3 式(7)函數(shù)圖(z軸代表t0，x軸代表S0，y軸代表F)Fig.3 (7)Type function diagram (z—axis represents t0, x—axis represents S0, y—axis represents F)

將AZ61和AZ80鎂合金的σb和η值帶入式(7)，得到AZ61和AZ80鎂合金的應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間函數(shù)：

應(yīng)用式(8)和式(9)，可以求得給定截面積和受力大小的AZ61和AZ80鎂合金構(gòu)件，在江津戶外的應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間。

4　結(jié)論

1）從環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)，以鎂合金試樣標(biāo)距的有效截面積S，作為描述鎂合金材料應(yīng)力腐蝕斷裂過程中的變化度量值，可以描述鎂合金材料應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間。

2）得到的式(7)，主要考慮的是鎂合金材料內(nèi)部微裂紋尖端附近的微觀粒子的移動(dòng)，未考慮鎂合金材料表面微裂紋尖端附近的微觀粒子在腐蝕環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)，因此只適用于微弱腐蝕環(huán)境的應(yīng)力腐蝕。

3）AZ61和 AZ80鎂合金的 η值存在差異，AZ61鎂合金抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于AZ80鎂合金。

[1] 曹公望, 王振堯, 劉雨薇, 等. 碳鋼在三種大氣環(huán)境中的應(yīng)力腐蝕[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(4): 6—10. CAO Gong-wang, WANG Zhen-yao, LIU Yu-wei, et al. Stress Corrosion of Carbon Steel in Three Different Atmo-spheric Environments[J]. Equipment Environment Engineering, 2015, 12(4): 6—l0.

[2] 孫敏, 肖葵, 董超芳, 等. 300M超高強(qiáng)度鋼電化學(xué)性能及應(yīng)力腐蝕開裂[J]. 北京科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 34(10): 1159—1165. SUN Min, XIAO Kui, DONG Chao-fang, et al. Electrochemi-cal Behavior and Stress Corrosion Cracking of 300M Uhrahigh Strength Steel[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2012, 34(10): 1159—1165.

[3] 吳國(guó)宏. 300M(40CrNi2Si2MOVA)鋼制起落架[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2001, 16(2): 224. WU Guo-hong. 300M Steel Gear[J]. Journal of Naval Aer0-nautical Engineering Institute, 2001, 16(2): 224.

[4] FIGUEROA D, ROBINSON M J. Hydrogen Transport and Embrittlement in 300M and Aermetl00 Ultra Hi Strength Steels[J]. Corrosion Science, 2010, 52(5): 1593—1602.

[5] 劉道新, 金石. 300M 超高強(qiáng)度鋼應(yīng)力腐蝕敏感性及斷口的分維特征[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù), 1994, 6(1): 77—81. LIU Dao-xin, JIN Shi. Ystress Corrosion Cracking Suscepti-bility and Fraetal Characterization of Faactured Surfaces of Ultra-high Strength Steel 300M[J]. Corrosion Science and Protection Technology, 1994, 6(1): 77—81.

[6] 隆小慶. 飛機(jī)的應(yīng)力腐蝕與防護(hù)[J]. 中國(guó)民航學(xué)院學(xué)報(bào), 1995, 13(1): 62—74. LONG Xiao-qing. The Stress Corosion of Airplane and Prevention[J]. Journal of Civil Aviation University of China, 1995, 13(1): 62—74.

[7] 杜愛華, 龍晉明, 裴和中. 高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2008, 28(4): 250—256. DU Ai-hua, LONG Jin-ming, PEI He-zhong. Advances in Stress Corosion Cracking of High Strength Aluminum Alloy[J]. Journal of Chinese Society for Corosion and Protection, 2008, 28(4): 25—256.

[8] 陳小會(huì), 揭小平, 閆洪, 等. 高強(qiáng)鋁合金的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2009(S1): 489—492. CHEN Xiao-hui, JIE Xiao-ping, YAN Hong, et al. Research Status and Advances of High Sength Aluminum Alloy[J]. Materials Review, 2009(S1): 489—492.

[9] 羅來正, 肖勇, 蘇艷, 等. 7050高強(qiáng)鋁合金在我國(guó)四種典型大氣環(huán)境下腐蝕行為研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(4): 49—53. LUO Lai-zheng, XIAO Yong, SU Yan, et al. Corrosion Behavi0rof 7050 High Strength Aluminum Alloy in Four Typical Atmospheric Environments in China[J]. Equipment Environment Engineering, 2015, 12(4): 49—53.

[10] 李志輝, 熊柏青, 張永安, 等. 熱處理對(duì) 7B04 鋁合金厚板組織與力學(xué)性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金, 2007(6): 427—430. LI Zhi-hui, XIONG Bai-qing, ZHANG Yong-an, et al. Effect of Heat Treatment on the Microstructure and Mechanical Properties of 7B04 Aluminum Alloy Plate[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2007(6): 427—430.

[11] 劉洋. 鋁合金應(yīng)力腐蝕開裂的研究進(jìn)展[J]. 北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2006(1): 31—35. LIU Yang. Advances in Stress Corrosion Cracking of Aluminum Alloy[J]. Journal of Beijing Union University (Natural Sciences), 2006(1): 31—35.

[12] 甘衛(wèi)平, 范洪濤, 許可勤, 等. Al-Zn-Mg-Cu系高強(qiáng)鋁合金研究進(jìn)展[J]. 鋁加工, 2003(3): 6—12. GAN Wei-ping, FAN Hong-tao, XU Ke-qin, et al. Advancesin High Strength Aluminum Alloy of A1-Zn-Mg-Cu Series[J]. Aluminum Fabrication, 2003(3): 6—12.

[13] 杜愛華, 龍晉明, 裴和中. 高強(qiáng)鋁合金應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào), 2008, 28(4): 250—256. DU Ai-hua, LONG Jin-ming, PEI He-zhong. Advances in Stress Corrosion Cracking of High Strength Aluminum Alloy[J]. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection, 2008, 28(4): 25—256.

[14] 封先河. 蠕變動(dòng)力學(xué)模型及其在彈簧蠕變中的應(yīng)用[J].科學(xué)通報(bào), 2012, 57(25): 2354—2358. FENG Xian-he. Creep Dynamic Model and Its Application tothe Creep of Spring[J]. Chinese Science Bulletin, 2012, 57(25): 2354—2358.

[15] 封先河, 魏小琴. 壓縮氟硅橡膠 O形密封圈蠕變/老化行為研究[J]. 中國(guó)科學(xué)(物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)), 2014, 44(5): 486—491. FENG Xian-he, WEI Xiao-qin. Creep/Aging Behavior Study of Compressed Fluorinated Silicone Rubber O Ring [J]. Scientia Sinica (Physica Mechanica & Astronomica), 2014, 44(5): 486—491.

[16] 封先河. 環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)及其在武器裝備定壽延壽中的應(yīng)用[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(4): 23—28. FENG Xian-he. Dynamics of Environmental Effect and Its Application in Weapon Service Life Determination and Extension[J]. Equipment Environmental Engineering, 2014, 11(4): 23—28.

[17] 封先河. 環(huán)境作用動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(2): 15—18. FENG Xian-he. Basement and Application of Dynamics of Environmental Effect[J]. Equipment Environmental Engineering, 2015, 12(2): 15—18.

Application of Environmental Effect Dynamics in Stress Corrosion Cracking

FENG Xian-he1, CAO Xue-jun2
(1.No.59 Research Institute of China North Industries Group Corporation, Chongqing 400039, China; 2.No.52 Institute of China Ordnance Industry, Ningbo 315103, China)

Objective To study the material cracking time of stress corrosion. Methods Theory of environmental effect dynamics was applied to solve the function of the material cracking time of stress corrosion. Results The function of the material cracking time under stress corrosion was acquired from the theory of environmental effect dynamics. In addition, an experimental verification was carried out to AZ61 and AZ80 magnesium metal alloy. Conclusion The theory of environmental effect dynamics can be used to describe the material cracking time of magnesium metal alloy under stress corrosion; the anti- stress corrosion function of AZ61’s surpasses that of AZ80.

stress corrosion; fracture mechanics; environmental effect dynamics; stress corrosion cracking

2016-08-17；Revised：2016-09-18

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.012

TJ04；TG172

A

1672-9242(2016)05-0076-05

2016-08-17；

2016-09-18

封先河（1967—），男，重慶巴南人，研究員級(jí)高工，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)及理論。

Biography：FENG Xian-he（1967—），Male，from Banan，Chongqing，Researcher level senior engineer，Research focus：environmental test and theory research.