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相關(guān)資訊:常見應(yīng)力腐蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法對(duì)比及應(yīng)用

    船舶設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步對(duì)艦船材料提出了更高要求

 

    隨著船舶設(shè)計(jì)從靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)到動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、壽命設(shè)計(jì)、損傷容限設(shè)計(jì)的不斷進(jìn)步，加之輕量化發(fā)展的要求，對(duì)艦船材料的強(qiáng)度提出了越來越高的要求。此外，惡劣的海洋服役環(huán)境，極大增加了材料應(yīng)力腐蝕開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

    應(yīng)力腐蝕

 

    簡(jiǎn)介：

    由拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)協(xié)同作用導(dǎo)致材料或構(gòu)件過早開裂的現(xiàn)象。

    擴(kuò)展速率：

    一般為10－9~10－6m·s－1，比一般均勻腐蝕的速率要快106倍。

    特點(diǎn)：

    引發(fā)構(gòu)件失效的主要原因，且無明顯征兆，往往給工程帶來災(zāi)難性損失。

    現(xiàn)有應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

 

    國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)是BS EN ISO 7539 Corrosion of metals and Alloys－Stress Corrosion Testing合訂本，我國(guó)GB/T 15970《金屬和合金的腐蝕-應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)》等同采用ISO標(biāo)準(zhǔn)。

    標(biāo)準(zhǔn)中給出了多種應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)方法，歸納起來：有3種試樣類型，即光滑試樣、帶缺口試樣和預(yù)制裂紋試樣；加載形式也有3種，即恒位移、恒載荷和慢應(yīng)變速率。

    評(píng)價(jià)方法和試驗(yàn)參數(shù)的選擇問題多多

 

    試樣類型和加載形式的不同組合就產(chǎn)生了各種應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)方法，各種評(píng)價(jià)方法均有其側(cè)重點(diǎn)和應(yīng)用范圍，對(duì)同一種材料，采用不同的評(píng)價(jià)方法有時(shí)結(jié)果并不完全相同，甚至?xí)玫较喾吹慕Y(jié)果，這就給工程設(shè)計(jì)、使用、選材帶來一定困難。

    另外，評(píng)定的目的是在較短時(shí)間內(nèi)獲取材料的性能數(shù)據(jù)。因此，試驗(yàn)通常會(huì)在較高應(yīng)力、持續(xù)應(yīng)變、預(yù)制裂紋、高濃度腐蝕介質(zhì)、升高溫度等條件下進(jìn)行加速試驗(yàn)。那么，如何科學(xué)、合理地選擇評(píng)價(jià)方法和試驗(yàn)參數(shù)，就是一個(gè)值得思考的問題。

    恒位移法

 

    簡(jiǎn)介：

    恒位移法又稱恒總應(yīng)變法，首先通過拉伸或彎曲使試樣產(chǎn)生變形，然后借助具有足夠剛性的框架或螺栓以維持這種變形，即在整個(gè)試驗(yàn)過程中試樣變形的總位移量是恒定的。其中，試樣的變形包括彈性變形和塑性變形兩種。

    應(yīng)用領(lǐng)域：

    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)，屬于應(yīng)力腐蝕常用的一種評(píng)價(jià)手段。

    優(yōu)點(diǎn)：

    裝置簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，可在不同高壓環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，亦可對(duì)多個(gè)試樣同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。

    試樣形式：

    通常有光滑試樣和預(yù)制裂紋試樣兩種。

    光滑試樣

 

    1評(píng)價(jià)方法

 

    主要包括各種彎曲（2點(diǎn)、3點(diǎn)和4點(diǎn)）試樣、U型、C型環(huán)等。

    2評(píng)價(jià)指標(biāo)

 

    試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)為指定暴露周期[通常為30d（天）]內(nèi)是否發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，屬于通過/失敗判斷方法。

    3應(yīng)用領(lǐng)域

 

    ① U型試樣：由于其苛刻的力學(xué)條件，常用于應(yīng)力腐蝕敏感性排序和篩選。此外，也可用于評(píng)價(jià)材料在服役環(huán)境下的適用性，是恒位移法光滑試樣中使用較多的一種評(píng)價(jià)方法。

    ② 彎曲試樣：通常用于石油化工行業(yè)的管線鋼產(chǎn)品，尤其適合評(píng)價(jià)焊接產(chǎn)品。

    ③ C型環(huán)試樣：對(duì)于管件產(chǎn)品，可能會(huì)在服役環(huán)境中發(fā)生沿長(zhǎng)度方向的裂紋萌生或擴(kuò)展時(shí)，尤其在環(huán)向應(yīng)力條件下存在長(zhǎng)度方向焊縫時(shí)，C型環(huán)試樣就非常合適了。

    4優(yōu)點(diǎn)

 

    試驗(yàn)簡(jiǎn)單、操作方便、費(fèi)用較低。

    5缺點(diǎn)

 

    ① 應(yīng)力狀態(tài)不明確，僅能定性反映材料的應(yīng)力腐蝕敏感性，而不能反映裂紋擴(kuò)展速率；②  試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散性較大，數(shù)據(jù)分析比較困難；③  應(yīng)力松弛，試驗(yàn)過程中一旦裂紋萌生，試樣加載時(shí)所儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能會(huì)部分或全部轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃蔚靡葬尫牛瑢?dǎo)致已有裂紋擴(kuò)展緩慢或者停止，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響。

    缺口和預(yù)制裂紋試樣

 

    為了避免光滑試樣裂紋萌生多源性、隨機(jī)性的問題，開發(fā)了缺口和預(yù)制裂紋試樣。預(yù)制裂紋試樣是在人工缺口試樣的基礎(chǔ)上，經(jīng)疲勞處理使其產(chǎn)生裂紋。典型的有改進(jìn)后的楔型張開加載（WOL）和雙懸臂梁（DCB）兩種試樣。

    1應(yīng)用領(lǐng)域

 

    缺口試樣：主要用于模擬材料宏觀裂紋以及各種機(jī)加工缺口對(duì)SCC的敏感性；預(yù)制裂紋試樣：與缺口試樣相比，預(yù)制裂紋試樣的裂紋前沿更加尖銳，可用于斷裂力學(xué)中臨界應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC和裂紋擴(kuò)展速率da/dt等動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究，在工程設(shè)計(jì)、安全評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)等方面都有極為重要的應(yīng)用。

    2優(yōu)點(diǎn)

 

    ① 試驗(yàn)周期短、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，便于結(jié)果比較和分析；② 缺口和預(yù)制裂紋能真實(shí)反映實(shí)際工程構(gòu)件的損傷狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合；③ 可以定量研究應(yīng)力腐蝕門檻值KISCC以及裂紋擴(kuò)展速率da/dt等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

    3局限性

 

    ① 該試驗(yàn)基于線彈性斷裂力學(xué)理論，要求試樣處于平面應(yīng)變狀態(tài)，即滿足小范圍屈服的條件，對(duì)于大多數(shù)中低強(qiáng)度金屬材料而言，無法在現(xiàn)有設(shè)備能力范圍內(nèi)滿足試樣尺寸要求。

    ② 試驗(yàn)過程中，裂紋容易分叉，且會(huì)因蠕變而使得裂紋應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度下降，所測(cè)得的KISCC明顯偏高，導(dǎo)致對(duì)材料性能的過高評(píng)估。

    恒載荷法

 

    簡(jiǎn)介：

    恒載荷法是試驗(yàn)過程中試樣加載載荷保持不變的一種評(píng)價(jià)方法與光滑試樣相同，亦屬于通過/失敗類評(píng)價(jià)方法，可用于材料的合格性驗(yàn)收。將試樣的一端固定，另一端加上恒定的拉伸靜載荷，然后將試樣浸泡在腐蝕介質(zhì)中，記錄SCC發(fā)生的時(shí)間。

    應(yīng)用領(lǐng)域：

    由于其初始應(yīng)力明確，試驗(yàn)結(jié)果可定量描述材料應(yīng)力腐蝕敏感性。與恒位移法相比，恒載荷法特別適用于初始應(yīng)力明確，試驗(yàn)過程中應(yīng)力保持恒定的情況。

    例如，在實(shí)際工程中，大型構(gòu)件在加工、制造或隨后的使用過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種缺陷，即所謂的“帶缺陷服役”。在這種情況下，構(gòu)件承受的外部載荷不會(huì)隨各種缺陷程度的加深而改變。

    另外，依據(jù)斷裂力學(xué)理論，構(gòu)件發(fā)生斷裂失效是由裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、裂紋失穩(wěn)撕裂幾個(gè)過程組成。其中，裂紋萌生過程用時(shí)長(zhǎng)，約占全過程的90％左右。從這點(diǎn)上講，恒載荷試驗(yàn)所得結(jié)果比恒位移試驗(yàn)所得結(jié)果更能代表裂紋萌生時(shí)間。因此，恒載荷試驗(yàn)有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

    優(yōu)點(diǎn)：

    應(yīng)力狀態(tài)明確、試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、試驗(yàn)周期相對(duì)較短，試驗(yàn)沒有試樣類型和尺寸限制。

    缺點(diǎn)：

    由于裂紋萌生后，應(yīng)力水平不斷增加，裂紋加速擴(kuò)展，因此無法獲得裂紋擴(kuò)展速率等信息；此外，如果在高壓環(huán)境下進(jìn)行多種材料或研究多種變量對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性試驗(yàn)時(shí)，費(fèi)用會(huì)比較高。

    慢應(yīng)變速率法

 

    簡(jiǎn)介：

    慢應(yīng)變速率（SSRT）法是以相當(dāng)緩慢的應(yīng)變速率給處于腐蝕介質(zhì)中的試樣施加載荷，以考察材料應(yīng)力腐蝕敏感性大小。緩慢加載的目的是讓腐蝕介質(zhì)與金屬表面有充分的反應(yīng)時(shí)間。因此，應(yīng)變速率是試驗(yàn)過程中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，太快或太慢均不合適。對(duì)于大多數(shù)材料-環(huán)境體系，為敏感的應(yīng)變速率為10-6~10-7s-1。

    試驗(yàn)注意點(diǎn)：

    需要注意的是，如果一次試驗(yàn)沒有應(yīng)力腐蝕敏感性，并不能說明該材料沒有應(yīng)力腐蝕敏感性，試驗(yàn)還應(yīng)該在更寬泛的應(yīng)變速率下進(jìn)行試驗(yàn)，包括更低的應(yīng)變速率，如10-8s-1。

    評(píng)價(jià)指標(biāo)：

    試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)是與在惰性環(huán)境中所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，評(píng)價(jià)指標(biāo)包含：塑性損傷、斷裂強(qiáng)度、吸收能量、斷裂時(shí)間等，并結(jié)合斷口形貌和二次裂紋等信息綜合評(píng)估材料應(yīng)力腐蝕敏感性大小。

    優(yōu)點(diǎn)：

    試驗(yàn)周期短，效率高；評(píng)價(jià)結(jié)果具有多維度、多指標(biāo)性，不局限于斷裂時(shí)間一種。

    缺點(diǎn)：

    設(shè)備相對(duì)復(fù)雜，不便于進(jìn)行高溫高壓環(huán)境試驗(yàn)，且費(fèi)用較高；不能從試驗(yàn)曲線中區(qū)分裂紋萌生期和擴(kuò)展期相關(guān)信息。

    應(yīng)用領(lǐng)域：

    如果僅用于材料篩選的目的，慢應(yīng)變速率試驗(yàn)無疑是選擇。然而，由于沒有可接受的驗(yàn)收準(zhǔn)則，慢應(yīng)變速率試驗(yàn)并不能用于材料驗(yàn)收評(píng)價(jià)，即僅用做選材，這與前兩種評(píng)價(jià)方法有本質(zhì)區(qū)別。

    鑒于各種應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)方法具有不同的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，為便于在實(shí)際工作中選擇科學(xué)合理的評(píng)價(jià)方法，筆者對(duì)上述3類評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了對(duì)比，詳見表1。

 

    表1 應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)方法對(duì)比

    結(jié)束語(yǔ)

 

    金屬材料的應(yīng)力腐蝕性能與應(yīng)力狀態(tài)、腐蝕介質(zhì)以及材料組織特性密切關(guān)系，對(duì)于金屬材料應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)，多數(shù)還是遵照ISO標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，不同應(yīng)力腐蝕評(píng)價(jià)方法均有其獨(dú)特的應(yīng)用和特點(diǎn)。

    對(duì)于某一特定材料-介質(zhì)體系，恒位移法、恒載荷法、慢應(yīng)變速率法所得結(jié)果并不一定完全相同。

    從應(yīng)力腐蝕機(jī)理來講，對(duì)于以陽(yáng)極溶解為主的應(yīng)力腐蝕敏感性評(píng)價(jià)，3種方法均適用；而當(dāng)以氫脆為主時(shí)，慢應(yīng)變速率法較為適用，原因在于動(dòng)態(tài)應(yīng)力過程更有利于氫的擴(kuò)散和聚集。在具體選取時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的目的、應(yīng)用、費(fèi)用及預(yù)期結(jié)果等因素進(jìn)行綜合考慮。

    總之，如何科學(xué)、合理地評(píng)價(jià)材料應(yīng)力腐蝕敏感性，既保證工程構(gòu)件的安全運(yùn)行，又充分發(fā)揮材料性能，仍然需要廣大科研工作者不斷努力探索。

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