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      應力腐蝕斷裂是一種局部破壞現象

      2020-06-30

      局部力學環境
      應力腐蝕斷裂是一種局部破壞現象,因而局部力學環境對于理解機理和控制措施是十分重要的。在下面,介紹幾個重要概念。
      (1)缺口試樣單向拉伸時,缺口底部有應力集中,應力集中系數K與缺口半徑(p)
      及深度(d)有關:
      image.png

      從上式可以理解圖4-4所示的KIscc (p)正比于p的實驗結果。
      缺口前端有三向拉應力區,不是位于缺口頂端,而是與頂端有一段距離(x), ρ愈大,則x愈大。由于三向拉應力區可以富集氫而導致開裂,氫致開裂的位置的實驗結果,符合x與ρ之間的關系,即ρ愈大,則開裂位置x愈大。

       

      (2) I型裂紋試樣
      如圖4-5所示,依據外加應力與裂紋面的取向關系,有三類裂紋試樣:Ⅰ型又叫拉開型,Ⅱ型又叫滑開型,Ⅲ型又叫撕開型;對應的分別有三類應力場強度因子KI、KⅡ及KⅢ。
      載荷對于I型裂紋有如下三方面作用。
      1. 拉開裂紋,當裂紋壁處于鈍態時,裂紋尖端的表面保持清潔而新鮮。

      2. 當整體金屬仍是彈性變形狀態時,裂紋尖端的前沿為塑性區。用正電子湮滅技術,田中卓等測定了40MnNb鋼的塑性區寬7.45mm(圖4-6).這種鋼的屈服強度σ,為561MPa,試驗時的KⅠ|為84.7MPa.m1/2,試驗結果與依攜斷裂力學的計算的塑性區寬( R。)符合較好:

       

      ③裂紋尖端前具有三向拉伸應力區,氫可在此處富集,其濃度cσ與氫的平均濃度co不同:

      image.png

      三向拉伸應力區位于彈塑區邊界。
      上述的第①方面的作用使裂紋尖端易于繼續陽極溶解,而裂紋壁上陰極反應析出的氫易于進人金屬。第②方面作用的位錯可作為陷阱,與氫結合;而運動的位錯又可快速地輸送氫到易于富集氫的部位。第③方面作用指出富集的部位,三向拉伸區較疏松,富集氫可降低應變能;愈大,則富集系數β()愈大。從斷裂力學可以導出σh的表達式,則(4-8)式轉變為:

      image.png

      image.png

      X-距裂紋尖端的距離。

      (3) Ⅲ型裂紋試樣
      Ⅲ型裂紋或缺口前面,雖然沒有三向拉伸應力區,不存在σh,不會有氫富集現象。但是,褚武揚等的上作表明,在Ⅲ型裂紋(或缺口)前由于KⅢ也有應力場,而間隙氫原子導致應變場,二者的交互作用有不均勻的應變能場,它是極坐標位置(γ,θ)的函數。計算結果表明,當θ=45°時,應變能為最小,因而氫應在這個面上富集。實驗結果驗證了這種推論,從而提出了氫富集的一種新方式,并指出氫在α-Fe中的應變場應該是非球對稱的。張統-等導出了非球對稱應變場情況下的氫的分布公式;白清溪等應用這個公式,采用拉應力及壓應力下的氫滲透試驗,測定了氫在α-Fe中的應變場為:ε11=0.37,ε22=ε33=-0.11

       

      (3) Ⅱ型裂紋試樣 Ⅱ型裂紋的實際意義雖然不大,但其正應力分量及剪應力分量在缺口面上相差較大,易于從機理上研究各應力分量在SCC及HIC中的作用。張統一等采用如圖4-7所示的試樣,坐標原點位于缺口內,距缺口頂端ρ/2,ρ為缺口半徑。缺口面上點的位置用θ表示,從x軸順時針旋轉方向為負;該點上正應力(σ)及剪應力(τ)的方向用α表示,也是從x軸順時針旋轉方向為負。有限元法計算結果表明:
      ①最大剪應力τmax位于θ=80°,其方向α=5°;
      ②最大主應力σImax 及最大多向應力σhmax均位于θ= -110°,該點上的最大剪應力τ的α=-35°


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