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材料在環境條件下的力學性能

前幾節主要介紹材料在外力作用下所表現的力學行為規律，實際工程結構或零件，都是在一定環境或介質下工作，材料在環境介質中的力學行為是介質和應力共同作用的結果。本節主要介紹應力腐蝕的試驗方法。

 

5.1 概述

應力腐蝕是指材料、機械零件或構件在靜應力（主要是拉應力）和腐蝕的共同作用下產生的失效現象。應力腐蝕是危害最大的腐蝕形態之一。

 

應力腐蝕斷裂（stress corrosion cracking, SCC） 是一種“災難性的腐蝕”，如橋梁坍塌，飛機失事，油罐爆炸，管道泄漏都造成了巨大的生命和財產損失。

 

5.2 應力腐蝕條件和特征

應力腐蝕產生的條件：敏感的金屬材料、特定的腐蝕介質、足夠大的應力。

敏感材料：一般情況純金屬不會發生SCC，含雜質的或者合金才能發生SCC；高強度合金鋼腐蝕開裂抗力受化學成分和顯微組織控制；

特定介質：特定組織環境（包括腐蝕介質性質、濃度、溫度），特定材料對于特定的溶液介質，才能發生應力腐蝕。 例如，奧氏體不銹鋼—Cl離子溶液、低合金高強度鋼—潮濕大氣中。

應力來源：機件所承受的應力包括工作應力和殘余應力。工作狀態下構件所承受的外加載荷形成的抗力；加工，制造，熱處理引起的內應力；裝配，安裝形成的內應力；溫差引起的熱應力；裂紋內因腐蝕產物的體積效應造成的楔入作用也能產生裂紋擴展所需要的應力。

不同合金腐蝕介質表

 

應力腐蝕特征：典型的滯后破壞；裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型；裂紋擴散速度比均勻腐蝕快約10⁶倍；低應力的脆性斷裂。

滯后破壞

孕育期：裂紋萌生階段，即裂紋源成核所需時間，約占整個時間的90％左右；
 

裂紋擴展期：裂紋成核→臨界尺寸；

快速斷裂期：裂紋達到臨界尺寸后，由純力學作用裂紋失穩瞬間斷裂。

 

整個斷裂時間與材料、介質、應力有關（短則幾分鐘，長可達若干年，應力降低，斷裂時間延長。

臨界應力σ_th（臨界應力強度因子K_ISCC），在此臨界值以下，不發生SCC。

裂紋形態

SCC裂紋分為三種：晶間型、穿晶型、混合型。晶間型：裂紋沿晶界擴展，如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金；穿晶型：裂紋穿越晶粒擴展，如奧氏體不銹鋼、鎂合金；混合型：鈦合金。

 

裂紋的途徑取決于材料與介質。同一材料因介質變化，裂紋途徑也可能改變。

應力腐蝕裂紋的主要特點是：裂紋起源于表面；裂紋的長寬不成比例，相差幾個數量級；裂紋擴展方向一般垂直于主拉伸應力的方向；裂紋一般呈樹枝狀。

裂紋擴展方向與應力方向（垂直）

 

裂紋擴展速度

應力腐蝕裂紋擴展速率的特點：擴展速度較快；10^-6~10^-3mm/min；比均勻腐蝕快約10⁶倍；僅為純機械斷裂速度的10^-10。

 

應力腐蝕裂紋的da/dt-K₁

當裂紋尖端的K_I＞K_ISCC時，裂紋就會不斷擴展。單位時間內裂紋的擴展量叫做應力腐蝕裂紋擴展速率，用da/dt表示。裂紋的擴展速率da/dt隨著應力強度因子K₁而變化。

I區：當K₁稍大于K_1SCC時，裂紋經過一段孕育突然加速發展，即在I區內，裂紋生長速率對K₁較敏感；

II區：da/dt與K₁無關，通常說的裂紋擴展速率就是指該區速率，因為它主要由電化學過程控制，較強烈地依賴于溶液的pH值，粘度和溫度；

Ⅲ區：失穩斷裂區，裂紋深度已接近臨界尺寸a_cr , 當超過這個值時，應力強度因子達到K_1c時，裂紋生長率迅速增加直至發生失穩斷裂。

低應力的脆性斷裂

應力腐蝕破壞的斷口，斷口表面顏色暗淡，腐蝕坑和二次裂紋；應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。

沿晶斷裂圖

穿晶斷裂圖

 

5.3 應力腐蝕影響因素

應力腐蝕影響因素——環境、電化學、力學、冶金。

 

應力腐蝕影響因素示意圖

5.4 應力腐蝕防治措施

 

方面	措施
選材	根據材料的具體使用環境，盡量避免使用對SCC敏感的材料；
消除應力	改進結構設計，減小應力集中和避免腐蝕介質的積存； 在部件的加工、制造和裝配過程中盡量避免產生較大的殘余應力； 可通過熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應力；
涂層	使用有機涂層可將材料表面與環境分開； 使用對環境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層；
改善介質環境	控制或降低有害的成分； 在腐蝕介質中加入緩蝕劑； 通過改變電位、促進成膜、阻止氫或有害物質的吸附等，影響電化學反應動力學而起到緩蝕作用，改變環境的敏感； 性質；
電化學保護	金屬發生SCC與電位有關。有些體系存在一個臨界斷裂電位值，通過電化學保護使金屬離開SCC敏感區，從而抑制SCC

來源：材易通