鉭精礦化驗機構-廣東檢測中心

    船舶設計的不斷進步對艦船材料提出了更高要求

    隨著船舶設計從靜強度設計到動強度設計、壽命設計、損傷容限設計的不斷進步，加之輕量化發(fā)展的要求，對艦船材料的強度提出了越來越高的要求。此外，惡劣的海洋服役環(huán)境，極大增加了材料應力腐蝕開裂的風險。

    應力腐蝕

    簡介：

    由拉伸應力和腐蝕介質協同作用導致材料或構件過早開裂的現象。

    擴展速率：

    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：

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

    現有應力腐蝕評價標準

    國際公認標準是BS EN ISO 7539 Corrosion of metals and Alloys－Stress Corrosion Testing合訂本，我國GB/T 15970《金屬和合金的腐蝕-應力腐蝕試驗》等同采用ISO標準。

    標準中給出了多種應力腐蝕評價方法，歸納起來：有3種試樣類型，即光滑試樣、帶缺口試樣和預制裂紋試樣；加載形式也有3種，即恒位移、恒載荷和慢應變速率。

    評價方法和試驗參數的選擇問題多多

    試樣類型和加載形式的不同組合就產生了各種應力腐蝕評價方法，各種評價方法均有其側重點和應用范圍，對同一種材料，采用不同的評價方法有時結果并不完全相同，甚至會得到相反的結果，這就給工程設計、使用、選材帶來一定困難。

    另外，評定的目的是在較短時間內獲取材料的性能數據。因此，試驗通常會在較高應力、持續(xù)應變、預制裂紋、高濃度腐蝕介質、升高溫度等條件下進行加速試驗。那么，如何科學、合理地選擇評價方法和試驗參數，就是一個值得思考的問題。

    恒位移法

    簡介：

    恒位移法又稱恒總應變法，首先通過拉伸或彎曲使試樣產生變形，然后借助具有足夠剛性的框架或螺栓以維持這種變形，即在整個試驗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。

    應用領域：

    這種加載方式往往用于模擬工程構件中的加工制造應力狀態(tài)，屬于應力腐蝕常用的一種評價手段。

    優(yōu)點：

    裝置簡單且易于實現，可在不同高壓環(huán)境下進行試驗，亦可對多個試樣同時進行試驗。

    試樣形式：

    通常有光滑試樣和預制裂紋試樣兩種。

    光滑試樣

    1評價方法

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

    2評價指標

    試驗結果評價指標為指定暴露周期[通常為30d（天）]內是否發(fā)生應力腐蝕開裂，屬于通過/失敗判斷方法。

    3應用領域

    ① U型試樣：由于其苛刻的力學條件，常用于應力腐蝕敏感性排序和篩選。此外，也可用于評價材料在服役環(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價方法。

    ② 彎曲試樣：通常用于石油化工行業(yè)的管線鋼產品，尤其適合評價焊接產品。

    ③ C型環(huán)試樣：對于管件產品，可能會在服役環(huán)境中發(fā)生沿長度方向的裂紋萌生或擴展時，尤其在環(huán)向應力條件下存在長度方向焊縫時，C型環(huán)試樣就非常合適了。

    4優(yōu)點

    試驗簡單、操作方便、費用較低。

    5缺點

    ① 應力狀態(tài)不明確，僅能定性反映材料的應力腐蝕敏感性，而不能反映裂紋擴展速率；②  試驗數據分散性較大，數據分析比較困難；③  應力松弛，試驗過程中一旦裂紋萌生，試樣加載時所儲存的彈性應變能會部分或全部轉變?yōu)樗苄宰冃蔚靡葬尫牛瑢е乱延辛鸭y擴展緩慢或者停止，對試驗結果有顯著影響。

    缺口和預制裂紋試樣

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

    1應用領域

    缺口試樣：主要用于模擬材料宏觀裂紋以及各種機加工缺口對SCC的敏感性；預制裂紋試樣：與缺口試樣相比，預制裂紋試樣的裂紋前沿更加尖銳，可用于斷裂力學中臨界應力腐蝕門檻值KISCC和裂紋擴展速率da/dt等動力學參數研究，在工程設計、安全評估和壽命預測等方面都有極為重要的應用。

    2優(yōu)點

    ① 試驗周期短、數據穩(wěn)定性好，便于結果比較和分析；② 缺口和預制裂紋能真實反映實際工程構件的損傷狀態(tài)，試驗結果與實際情況較為吻合；③ 可以定量研究應力腐蝕門檻值KISCC以及裂紋擴展速率da/dt等動力學參數。

    3局限性

    ① 該試驗基于線彈性斷裂力學理論，要求試樣處于平面應變狀態(tài)，即滿足小范圍屈服的條件，對于大多數中低強度金屬材料而言，無法在現有設備能力范圍內滿足試樣尺寸要求。

    ② 試驗過程中，裂紋容易分叉，且會因蠕變而使得裂紋應力場強度下降，所測得的KISCC明顯偏高，導致對材料性能的過高評估。

    恒載荷法

    簡介：

    恒載荷法是試驗過程中試樣加載載荷保持不變的一種評價方法與光滑試樣相同，亦屬于通過/失敗類評價方法，可用于材料的合格性驗收。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中，記錄SCC發(fā)生的時間。

    應用領域：

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

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

    另外，依據斷裂力學理論，構件發(fā)生斷裂失效是由裂紋萌生、裂紋擴展、裂紋失穩(wěn)撕裂幾個過程組成。其中，裂紋萌生過程用時長，約占全過程的90％左右。從這點上講，恒載荷試驗所得結果比恒位移試驗所得結果更能代表裂紋萌生時間。因此，恒載荷試驗有很強的工程應用價值。

    優(yōu)點：

    應力狀態(tài)明確、試驗方法簡單、試驗周期相對較短，試驗沒有試樣類型和尺寸限制。

    缺點：

    由于裂紋萌生后，應力水平不斷增加，裂紋加速擴展，因此無法獲得裂紋擴展速率等信息；此外，如果在高壓環(huán)境下進行多種材料或研究多種變量對應力腐蝕敏感性試驗時，費用會比較高。

    慢應變速率法

    簡介：

    慢應變速率（SSRT）法是以相當緩慢的應變速率給處于腐蝕介質中的試樣施加載荷，以考察材料應力腐蝕敏感性大小。緩慢加載的目的是讓腐蝕介質與金屬表面有充分的反應時間。因此，應變速率是試驗過程中的一個關鍵參數，太快或太慢均不合適。對于大多數材料-環(huán)境體系，為敏感的應變速率為10-6~10-7s-1。

    試驗注意點：

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

    評價指標：

    試驗結果評價是與在惰性環(huán)境中所得數據進行比較，評價指標包含：塑性損傷、斷裂強度、吸收能量、斷裂時間等，并結合斷口形貌和二次裂紋等信息綜合評估材料應力腐蝕敏感性大小。

    優(yōu)點：

    試驗周期短，效率高；評價結果具有多維度、多指標性，不局限于斷裂時間一種。

    缺點：

    設備相對復雜，不便于進行高溫高壓環(huán)境試驗，且費用較高；不能從試驗曲線中區(qū)分裂紋萌生期和擴展期相關信息。

    應用領域：

    如果僅用于材料篩選的目的，慢應變速率試驗無疑是選擇。然而，由于沒有可接受的驗收準則，慢應變速率試驗并不能用于材料驗收評價，即僅用做選材，這與前兩種評價方法有本質區(qū)別。

    鑒于各種應力腐蝕評價方法具有不同的特點及應用范圍，為便于在實際工作中選擇科學合理的評價方法，筆者對上述3類評價方法進行了對比，詳見表1。

    表1 應力腐蝕評價方法對比

    結束語

    金屬材料的應力腐蝕性能與應力狀態(tài)、腐蝕介質以及材料組織特性密切關系，對于金屬材料應力腐蝕評價，多數還是遵照ISO標準執(zhí)行，不同應力腐蝕評價方法均有其獨特的應用和特點。

    對于某一特定材料-介質體系，恒位移法、恒載荷法、慢應變速率法所得結果并不一定完全相同。

    從應力腐蝕機理來講，對于以陽極溶解為主的應力腐蝕敏感性評價，3種方法均適用；而當以氫脆為主時，慢應變速率法較為適用，原因在于動態(tài)應力過程更有利于氫的擴散和聚集。在具體選取時，應對試驗的目的、應用、費用及預期結果等因素進行綜合考慮。

    總之，如何科學、合理地評價材料應力腐蝕敏感性，既保證工程構件的安全運行，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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