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      應力腐蝕開裂從邏輯分析到系統分析

      2020-06-29

      邏輯分析

      通過定義和劃分這兩種邏輯方法,可以分別明確概念的內涵和外延不必涉及機理, 可從宏觀現象、顧名思義地定義應力腐蝕開裂(或斷裂)如下:

      應力與化學介質協同作用下引起的金屬開裂(或斷裂)的現象,叫做金屬應力腐蝕開裂(或斷裂)”。(4-1)

      在這里,“開裂"及“斷裂”分別對應于“ cracking”及“ fracture”,前者突出開始出現裂紋,而后者包括從裂到斷,似可通用,因問題而異;不必拘泥于直譯英文,可不必強調一致。

      這個定義強調了“協同”作用,而不是簡單的同時作用,應力與腐蝕的破壞作用不是簡單的疊加。如果是較嚴重的均勻腐蝕,則構件或試樣的截面積逐漸減小,使真實應力逐漸增加,終于達到材料的斷裂強度而斷裂、如果有較嚴重的晶間腐蝕,則晶間的結合力將會降低,外加的應力只是促進這種破壞,終于使殘余的晶間結合力不再能承受外力而沿晶斷裂。對于這兩種簡單情況的“應力腐蝕”可以分別采取增加構件的尺寸(或選用更耐蝕的材料)及防止晶間腐蝕來解決。這兩種情況一般不叫做應力腐蝕。定義(4-1) 所指的(狹義的)應力腐蝕是一種較為復雜的現象:當應力不存在時,腐蝕甚微;施加應力后,經過一段時間,金屬會在腐蝕并不嚴重而應力又不夠大的情況下發生斷裂.

      已發現的應力腐蝕系統有如下三個主要特征,分別對應于應力、腐蝕及斷裂。

      (1)必須有應力,特別是拉伸應力分量的存在。拉仲應力愈大,則斷裂所需的時間愈短。斷裂所需應力,一般都低于材料的屈服強度。

      (2)腐蝕介質是特定的,只有某些金屬-介質的組合(表4-1),才會發生應力腐蝕斷裂:若無應力存在時,金屬在發生應力腐蝕斷裂的介質中,其普遍腐蝕速度是微小的。

      (3)斷裂速度約在10-8~ 10-°m/s數量級的范圍內,遠大于沒有應力時的腐蝕速度,又遠小于單純的力學因素引起的斷裂速度、斷口一般為脆斷型。

      在斷裂學科內,又將應力腐蝕斷裂叫做“環境斷裂”(environmental fracture),主要是化學環境引起的開裂或斷裂現象。如圖4-1所示,斷裂學科也可劃分為斷裂力學、斷裂物理及斷裂化學三個分支,其中:

      “斷裂化學研究化學因素對于斷裂的影響,它應用化學的原理和實驗技術去分析和解決斷裂問題”。(4-2)
         斷裂化學現象有一個普遍的特征,那就是這個系統存在一個易移動的組元,例如室溫下的氫原子及流體分子,高溫下的硫、磷等原子,并且這些原子對于斷裂起著促進作用。依據有害組元存在的場所,可將斷裂化學問題分為兩大類。
      (1)外部化學環境材料與環境之間有物質交換或化學反應,從這些變化去分析它們對于斷裂的影響,這個系統是開放系統,這些斷裂化學問題便是通稱的環境斷裂問題。
      (2)內部化學環境若有害組元由外部繼續供應而成為內部組元,則這個系統是與(1)相同的開放系統;若有害組元已存在于系統之內,其總量不變化,則這個系統是與(1)不同的關閉系統,有害組元通過富集而對斷裂起促進作用。
      可以采用不同的判據來劃分應力腐蝕斷裂。例如,按照材料的類型來分類,便于考核材料的適用性;又可按照介質的類型分為堿脆、氫脆、氨脆、氯脆、氦脆、硝脆等,便于針對化學環境而選材。又例如,按照機理可分為陽極溶解型及氫致開裂型,明確了機理,便于采取有效的控制措施。當應力是恒定的,則有拉、壓、扭、彎等載荷的區別,對應于斷裂力學的分類,則有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及混合型載荷;若應力不是恒定的,而是重復交變的,則有腐蝕疲勞;若應力及腐蝕介質是高溫高壓氫氣,則這種應力腐蝕斷裂是一種氫致開裂, 又叫氫腐蝕。腐蝕介質還可以是其他氣體,如空氣、水蒸氣、二氧化碳等,而腐蝕性液體除水溶液外,還有有機溶液、熔鹽、液態金屬等。-般指的應力腐蝕斷裂是狹義的,定義(4-1) 中化學介質應改為水溶液,即“應力與水溶液協同作用下引起的金屬開裂(或斷裂)的現象,叫做金屬應力腐蝕開裂(或斷裂)”。(4-3)

       

      應力與化學介質的協同作用引起的金屬破壞,除斷裂外,還有磨損,這便是摩耗腐蝕;依據金屬部件與化學介質相對運動速度自小而大,可分為微動腐蝕、沖擊腐蝕及空泡腐蝕三類。這些摩耗腐蝕的微觀過程也涉及到斷裂,因而廣義的應力腐蝕斷裂也包括這些摩耗腐蝕。

      系統分析

      若采用“研究對象叫做系統”這個內涵最少、從而外延最廣的定義,那么,系統分析便主要是分析系統內的組元以及它們之間的關系。上.述的應力與化學介質協同作用下引起的各種損壞現象的關系,示子圖4-2。圖中的氫致開裂(hydrogen induced cracking,, 簡寫為HIC)有時又叫做氫脆或氫損傷,分別有氫引起開裂、韌性下降或各種損傷的現象。HIC又叫做“滯后破壞”,因為它需要經歷一定時間后才發生。氫的來源有內含的及外來的兩種:前者是指材料在冶煉及隨后的機械制造(如焊接、酸洗、電鍍等)過程中吸收的氫;而后者則是指材料在致氫環境中使用時所吸收的氫;它們可分別簡稱為“內氫”及“外氫”。外氫的環境包括含有氫氣的氣體、能分解而生成氫原子的水溶液、碳氫化合物等。

      金屬的氫脆或氫致開裂(HIC)和它們在水溶液中的應力腐蝕開裂(SCC), 是兩種可能有關而又不同的現象,具有如圖4-3所示的邏輯中的交叉關系;若腐蝕的陰極反應析出的氫,對斷裂起著主要或決定性作用,則這種系統的SCC機理是HIC機理,這種SCC也是一種HIC,即位于圖4-3中的重疊區(3); 若應力協同下的陽極溶解(anodic dissolution,簡稱為AD)對斷裂起著決定性作用,則這種系統的SCC機理是AD機理,這種Scc位于圖4-3中的(1) 區; HIC中的氫除開來自腐蝕的陰極反應外,還有內氫或其他外氫來源,這些HIC位于圖4-3中的(2)區。因此,從機理來說,HIC及AD)同屬于SCC、HIC與SCC不能平列,而AD不等于SCC、SCC系統中HIC機理愈多,則圖4-3中重疊區愈大,但絕不會完全重疊。


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