缺陷尖端的形狀對應力腐蝕開裂行為的影響

摘要：缺陷尖端的形狀一般分為鈍性和尖銳型，為了研究兩種缺陷尖端的類型對應力腐蝕開裂的影響，我們制備U型缺陷和V型缺陷試樣，采用懸臂梁方法做應力腐蝕開裂試驗，分別研究鈍性和尖銳型缺陷對應力腐蝕開裂行為的影響。

關鍵詞:缺陷尖端形狀；斷裂韌度；應力腐蝕開裂門檻值；懸臂梁

1.引言

工程中服役的金屬結構，一方面受到應力的作用，另一方面會受到環境中腐蝕介質的侵蝕，當應力達到一定值時，就會形成應力腐蝕，加速結構的破壞。據統計，鋼結構失效破壞的主要形式是由于應力腐蝕引起。為了更好地評價應力腐蝕斷裂，目前大部分研究方法都需要測試斷裂韌度和應力腐蝕開裂門檻值

[1-2]

。

材料的斷裂韌度影響因素有試樣厚度、試樣類型以及缺陷類型（缺陷為鈍化或銳化裂紋），這些因素通過改變缺陷尖端應力場的分布，從而導致同種材料測定出的斷裂韌度有所差異

[3]

；其次，缺陷長度也是影響材料斷裂韌度的一個重要因素，倪敏，茍小平，王啟智

[4]

采用準靜態方法，利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)沖擊加載研究了單裂紋圓孔板砂巖試樣張開型(I型)動態斷裂實驗，結果表明在相同加載氣壓下測定的斷裂韌度值隨裂紋長度增大而顯著減小。因此，如果籠統地認為材料的斷裂韌度為一常數并不科學，只有在一定的條件下，才能將某種材料的斷裂韌度視為定值。因此，研究缺陷類型和缺陷長度對斷裂韌度和應力腐蝕開裂行為的影響很有必要。2.實驗方法

2.1材料

實驗所用的材料為一種高強度鋼，其化學成分見表2-1，力學性能見表2-2。

2.2介質

實驗主要采用氯化鈉溶液作為腐蝕介質，所用藥品均系分析純，試驗期間考慮介質溶液的蒸發作用，需要定期補充溶液。

2.3試樣

試驗中制備兩種帶不同缺陷的試樣，一種試樣為預切口試樣，用線切割的方法加工試樣，制備的試樣的尺寸如圖1-1所示，試樣的寬度W、厚度B尺寸分別為4mm、3mm，試樣的長度L為120mm，切口的深度a為1.1mm左右，切口的寬度b為0.2mm左右。本文簡稱U型缺陷懸臂梁試樣；另一種試樣是在U型缺陷試樣的基礎上預制疲勞裂紋，如圖2-2所示，由于其裂紋尖端是尖銳的，所以本文稱其為V型缺陷懸臂梁試樣，簡稱V型缺陷試樣。

2.4設備

懸臂梁彎曲恒載荷應力腐蝕實驗，采用自制的鋼絲懸臂梁彎曲應力腐蝕試驗機，如圖2-3所示。

2.5實驗程序

在本文中我們用K

U

來表示我們這種U型缺陷試樣的應力強度因子；用K

UC

來表示我們這種U型缺陷試樣在空氣中的臨界斷裂應力強度因子，既斷裂韌度；用K

USCC

來表示我們這種U型裂紋試樣在腐蝕介質中的應力腐蝕開裂門檻值。用K

V

來表示我們這種預制裂紋的V型缺陷試樣的應力強度因子；用K

VC

來表示我們這種預制裂紋的V型缺陷試樣在空氣中的臨界斷裂應力強度因子，既斷裂韌度；用K

VSCC

來表示我們這種預制裂紋的V型缺陷試樣在腐蝕介質中的應力腐蝕開裂門檻值。

1）將做好的不同缺陷長度的U型試樣裝在懸臂梁彎曲應力腐蝕試驗機上，通過緩慢掛載，測出試樣斷裂的臨界載荷以及力臂長度，帶入強度因子計算公式（2-1）

[5]

，計算出試樣在不同缺陷長度a下的臨界斷裂韌度，并繪制斷裂韌度K

UC

~a曲線。

式中K—應力強度因子，Pa·m

1/2

；

M—試樣裂紋尖端處的力矩，N·m；

M=F×L，L為重物加載端離裂紋尖端的力臂，m；

a—裂紋長度，m；

W—試樣寬度，m；

B—試樣厚度，m；

?2）將做好的不同預制裂紋長度的V型試樣裝在懸臂梁彎曲應力腐蝕試驗機上，通過緩慢掛載，測出試樣斷裂的臨界載荷以及力臂長度，帶入經修正的強度因子計算公式（2-2），計算出試樣在不同有效裂紋a

eff

長度下的臨界斷裂韌度，并繪制斷裂韌度K

VC

~a

eff

曲線。

其中：

3）取相同缺陷長度（a=1.1mm）的U型和V型試樣，在中性或堿性Cl

-

腐蝕介質中，通過施加不同的載荷，分別在95%K

UC

、90%K

UC

、85%K

UC

、80%K

UC

、75%K

UC

、70%K

UC

、65%K

UC

和95%K

VC

、90%K

VC

、85%K

VC

、80%K

VC

、75%K

VC

、70%K

VC

、65%K

VC

下做懸臂梁應力腐蝕開裂實驗，記錄下每個K

U

或K

V

下試樣的斷裂時間，并繪制K

U

~t

f

或K

V

~t

f

曲線，求出在某一腐蝕介質下的應力腐蝕開裂門檻值K

USCC

或K

VSCC

。?3.結果與分析

3.1缺陷長度對U型缺陷試樣和V型缺陷試樣斷裂韌度的影響

我們將制備好的不同缺陷長度的U型缺陷試樣和V型缺陷試樣在懸臂梁彎曲試驗機上緩慢掛載，得到不同缺陷長度下的斷裂韌度如下。

表3-1和圖3-1為鋼絲U型缺陷試樣的斷裂韌度與缺陷長度的關系，可以明顯的看出，U型缺陷試樣的斷裂韌度隨著缺陷長度的增大而減小，缺陷長度從0.9~1.9mm，斷裂韌度從69.7~44.4MPa·m

1/2

，下降幅度很大，所以缺陷長度對U型缺陷試樣的斷裂韌度值影響很大。表3-2和圖3-2為鋼絲V型缺陷試樣的斷裂韌度與缺陷長度的關系，可以明顯的看出，V型缺陷試樣的斷裂韌度也是隨著缺陷長度的增大而減小，缺陷長度從0.9~2.3mm，斷裂韌度從68.5~25.1MPa·m

1/2

，下降幅度也很大，所以缺陷長度對V型缺陷試樣的斷裂韌度的影響也不可小覷。

2.試樣的缺陷類型對鋼絲應力腐蝕開裂行為的影響

將制備好的兩種缺陷類型的試樣在不同濃度的中性Cl

-

腐蝕液中做懸臂梁彎曲應力腐蝕開裂試驗，并記錄下斷裂時間t

f

，繪制K

UC

~t

f

和K

VC

~t

f

雙坐標軸曲線。

從圖3-3中的擬合結果分別可以得到U型缺陷試樣和V型缺陷試樣在含有0.5%Cl

-

、1%Cl

-

和2.12%Cl

-

的中性水溶液中各自的應力腐蝕開裂門檻值K

USCC

和K

VSCC

（參見表3-3）。參照U型缺陷試樣空氣中斷裂韌度K

UC

(67.3MP*m

1/2

)和V型缺陷試樣空氣中斷裂韌度K

VC

(68.6MP*m

1/2

)，可以分別計算出兩種缺陷試樣在腐蝕介質中的應力腐蝕開裂門檻值的相對下降幅度，如表2-3所示。圖3-3? U型缺陷與V型缺陷試樣在中性[Cl

-

]水溶液中懸臂梁試樣的K~t

f

擬合結果對比

表3-3在含有不同濃度Cl

-

的中性水溶液中兩種不同試樣的應力腐蝕開裂門檻值

[Cl - ](wt%)	0.5	1.0	2.12
U型缺陷K USCC (MPa·m 1/2 )	23.3	22.6	30.1
U型缺陷（K UC -K USCC ）/K UC	65%	66%	55%
V型缺陷K VSCC (MPa·m 1/2 )	40.6	38.6	34.1
V型缺陷（K VC -K VSCC ）/K VC	41%	44%	50%

從表3-3中數據可以看出在本實驗范圍內，無論是U型缺陷還是V型缺陷試樣，其應力腐蝕開裂門檻值相對于鋼絲在空氣中的斷裂韌度均有很大幅度的下降（41%~66%）。說明：U型缺陷和V型缺陷試樣在中性Cl

-

環境中具有較大的應力腐蝕開裂敏感性。

在中性氯離子體系中，相同的應力強度因子下，V型缺陷試樣的斷裂時間明顯小于U型缺陷試樣。說明：帶有預制裂紋的鋼絲在中性Cl

-

環境中會縮短裂紋擴展的孕育期，明顯縮短應力腐蝕開裂過程，導致鋼絲更容易發生應力腐蝕斷裂。4.結論

1）無論是U型缺陷還是V型缺陷鋼絲試樣，在空氣中的斷裂韌度均隨著缺陷長度的增大而減小。

2）在不同濃度中性Cl

-

水溶液中，U型缺陷和V型缺陷鋼絲試樣的應力腐蝕開裂門檻值相對空氣中的斷裂韌度均有很大幅度的下降，具有很強的應力腐蝕敏感性

3）在不同濃度中性Cl

-

水溶液中，相同的應力強度因子下，V型缺陷試樣的斷裂時間明顯小于U型缺陷試樣。帶有預制裂紋的試樣會縮短裂紋擴展的孕育期，明顯縮短應力腐蝕開裂過程，導致鋼絲更容易發生應力腐蝕斷裂。