几种应力腐蚀试验方法的比较

董月香

(荆楚理工学院，湖北444800)

应力腐蚀是指由应力和腐蚀联合作用所产生的材料破坏过程。应力腐蚀破坏发生之前没有大的塑性变形，是一种滞后的低应力脆性破坏，在裂纹扩展阶段，其扩展速率比均匀腐蚀要快106倍。因此，应力腐蚀极易导致无先兆的灾难性事故。许多调查也表明，在各种事故中，应力腐蚀引发的事故占有很高的比例[1]。因此，研究应力腐蚀开裂对确保安全生产、提高生产效率具有重要意义，国内外科研及工程人员对应力腐蚀进行了大量的研究。

应力腐蚀最初的研究工作主要是从金属学的角度来解释应力腐蚀的原因，后来则发展成从电化学角度来研究应力腐蚀的机理。随着力学特别是断裂力学的发展，用力学的方法来研究应力腐蚀越来越广泛了。本文主要探讨几种常用的力学方法在研究应力腐蚀问题时的优缺点及其应用。

在用力学方法研究应力腐蚀时，根据试样的形式可分为：光滑试样、缺口试样和预裂纹试样。光滑试样是在传统力学试验中常用的试样，也是SCC试验中用得最多的试样类型。缺口试样是模拟金属材料中的宏观裂纹和各种加工缺口效应以考察材料的应力腐蚀敏感性的试样。预裂纹试样是预开机械缺口并经疲劳处理产生裂纹的试样。根据加载方式的不同，力学方法研究应力腐蚀可分为恒变形(恒位移)法、恒载荷法和慢应变速率法[2]。

1 恒变形(恒位移)法

1.1 恒变形光滑试样试验法[3,4]

恒变形法是通过拉伸或弯曲使试样变形而产生拉应力，利用具有足够刚性的框架维持这种变形或者直接采用加力框架，保证试样变形恒定的应力腐蚀试验方法。这种加载方式往往用于模拟工程构件中的加工制造应力状态。采用的试样形状有弯曲试样(U形弯曲试样、二点弯曲、三点弯曲或四点弯曲试样等)、C形试样以及模拟缝隙存在的人工缝隙试样等。U形试样既有弹性变形又有塑性变形，常用来确定一种金属在给定环境下对应力腐蚀破裂是否敏感，在实验室中常用来筛选材料特殊应用的敏感性，在使用环境中则用来评价破坏的危险性，是光滑试样恒变形试验法中用得较多的试样。

光滑试样恒变形试验法的优点是：装置简单、试样紧凑、操作方便、可以定性地获得材料应力腐蚀敏感性。缺点是：(1)由光滑试样所得到的总寿命，等于裂纹源生核的寿命和裂纹源扩展直到断裂的寿命总和，但由于该试验法的应力一般偏大，所以裂纹源一旦生核，裂纹体实际上接近于失稳状态，加上腐蚀介质的作用，裂纹将加速扩展。因此裂纹扩展速率da/dt很大，因而，在这种情况下，总寿命中90%是裂纹源的生核寿命。这种寿命总的说来较好的反映了材料对裂纹萌生的敏感性，而不大反映裂纹扩展的性能。因此，在材料的实际使用中，有时会发现传统应力腐蚀性能好的材料，却未必在实际使用条件下也具有好的抗SCC性能。(2)试验数据有较大的分散度，使结果分析比较困难。造成上述缺点的根源，在于传统应力腐蚀试验的出发点，把材料看成是理想完整无缺的，但实际上这种情况存在的可能性不大。因为不仅由于冶炼、冷加工、热加工不可避免地会在材料中引入裂纹源或类似裂纹的缺陷，而且构件在工作过程中，由于静载荷、疲劳载荷或腐蚀介质都可能形成新的裂纹源，所以，材料的不完整性是绝对的，而完整性是相对的。(3)试验过程中，伴随裂纹发展，试样中部分弹性变形转变为塑性变形，往往会出现某种弛豫作用，从而导致试样承受的应力下降，使得裂纹的发展减缓或停止，显著影响试样的断裂时间，甚至可能观察不到试样断裂。

1.2 恒位移预裂纹试样试验法[5]

恒位移预裂纹试样最常用的是改进后的楔形张开加载(改进的WOL)试样和双悬臂梁(DCB)试样，这两种试样都是通过裂纹张开到一定位移实现加载目的。这种预裂纹试样可模拟由于冶炼、机加工、热加工等操作在材料中造成的裂纹源或类似裂纹的缺陷。预裂纹试样由于显著地缩短了孕育期而加速了应力腐蚀破坏，测试时间短、数据比较集中、便于研究裂纹扩展动力学过程。试样可采用砝码加载，也可采用螺栓或楔自加载。

恒位移预裂纹试样试验是建立在线弹性断裂力学的基础上的。通过试验，可以确定金属材料在特定介质中的临界应力场强度因子KISCC和裂纹扩展速率da/dt。结合断裂力学理论进行分析，测试结果可用于工程设计、安全评定和寿命估计。

相对于恒变形光滑试样试验法，恒位移预裂纹试样试验是断裂力学在应力腐蚀断裂中的应用，是对传统应力腐蚀试验研究的一个重要补充和发展，具有较多的优点：(1)当实际构件存在裂纹或其它缺陷时，用预裂纹试样得到的试验结果与实际情况比较符合。(2)获得的应力腐蚀强度因子KISCC以及裂纹在腐蚀介质中的扩展速率da/dt等参量，可直接应用于构件的选材和设计。(3)光滑试样在应力腐蚀试验中，往往同时存在若干个分叉裂纹，故难以用该法研究应力腐蚀裂纹扩展动力学。而预裂纹试样在应力腐蚀试验中，只有一个裂纹扩展着，便于研究裂纹扩展动力学。

恒位移预裂纹试样试验最主要的局限性在于该试验是基于线弹性断裂力学，因此，该方法比较适合于高强钢在低应力水平(σ/σs≤0.5)下的裂纹扩展，而对中低强度钢在应用上则受到限制。其次，该方法要求试样处于平面应变状态，试样所需的尺寸很大，而对于多数试样来说，尺寸上很难满足严格的平面应变条件，在裂纹尖端难以形成所需的三向拉应力状态。

2 恒载荷试验法[6]

恒载荷法是利用砝码、力矩、弹簧等对试样施加一定载荷以实现应力腐蚀试验，这种加载方式往往用于模拟工程构件可能受到的工作应力或加工应力。恒载荷法虽然载荷是恒定的，但试样在暴露过程中由于腐蚀和产生裂纹使其截面积不断减小，从而使断裂面上的有效应力不断增加。与恒变形及恒位移应力腐蚀试验相比，会导致试样过早断裂。恒载荷试验更为严格，试样寿命更短，应力腐蚀开裂的临界应力更低。

恒载荷应力腐蚀试验方法的优点在于能定量地对比应力腐蚀敏感性，还可比较不同材料在该介质中抗应力腐蚀性能的优劣，可精确测量应力值，可适用不同类型和尺寸的试样，可采用不同的受力方法；缺点是只能求出起始应力的影响，开裂后应力值变大，试样会过早断裂。

3 慢应变速率试验[7]

慢应变速率试验(SSRT)，是在一定环境中将拉伸试件放入特制的慢应变速率试验机中，以恒定不变的相当缓慢的应变速度通过试验机十字头位移而把载荷施加到试件，以强化应变状态来加速SCC过程的发生和发展。由于试验处于环境室中，可在慢拉伸过程中同时研究其它因素如温度、电极电位和溶液pH值等对应力腐蚀过程的影响。该试验可采用无裂纹试样或缺口试样，将试样在特定的腐蚀介质和惰性介质中缓慢拉断后，就可以根据延伸率等参数的不同和断口形貌及二次裂纹的特征来评定特定材料——介质体系对应力腐蚀破裂的敏感性。

与前两种方法相比，慢应变速率法具有较大的优越性。首先，慢应变速率法对应力腐蚀开裂有较高的灵敏性。其次，用慢应变速率法可以得到很多有用的信息，可定量地判断应力腐蚀破裂敏感性的大小。

慢应变速率法的缺点是设备复杂，确定应变速率值的影响因素很多，对材料过分苛刻。此外慢应变速率法不能提供更多的信息，在比较腐蚀环境和空气中的拉伸曲线时，不容易比较裂纹的潜伏期和扩展期，很难估计裂纹扩展速度。

4 结语

在同一体系中，应用恒(变形)位移法、恒载荷法及慢应变速率试验法测定材料的应力腐蚀开裂性能时，结果不一定一致，这种不一致性与材料在一定条件下的开裂机理以及不同试验方法的灵敏度有关。通常认为，以阳极溶解为主的应力腐蚀，三种方法均可利用，但以慢应变速率法最为敏感；以氢脆为主的应力腐蚀，慢应变速率是较为有效的方法[8]。

基于研究目的不同，应力腐蚀研究除了力学方法外，还有很多其它方法。而对于研究应力腐蚀的力学方法，我国目前基本上还是遵照ISO、ASTM标准及相关国家标准执行。目前，国内外已有的应力腐蚀试验标准也不够完善，不一定能充分反映材料的实际性能[8]。因此，在执行标准的基础上，许多科研和工程人员对试验设备或试验过程进行了改进。比如徐文国等开发出的电动式杠杆无级施加试验力装置[9]、高进等研制的应力腐蚀试验机[10]都是对试验设备的改进，白铁钧等[11]则对如何更有效地测定KISCC进行了探讨，R.Rihan[12,13]等人则从试样和设备两方面进行了研究，从而能更方便、准确地测定KISCC。

总之，如何更好地、更接近工程实况地来研究应力腐蚀，仍然需要广大科研及工程人员的不断探索。

[1] 宋光雄，晓庆，常炎衍，等.压力设备腐蚀失效案例统计分析[J].材料工程.2004(2)：6-9.

[2] GB15970，金属和合金的腐蚀,应力腐蚀试验[S].

[3] ASTM G30，Standard Practice for Making and Using U-bend Stress-Corrosion Test Specimen[S].

[4] ASTM G38，Standard Practice for Making and Using C-Ring Stress-Corrosion Test Specimen[S].

[5] ASTM G39，Standard Practice for Preparation and Use of Bend-Beam Stress-Corrosion Test Specimen[S].

[6] 牛卫飞，卢惠萍，王泽军.由气瓶钢材抗硫化物应力腐蚀试验引发的思考[J].中国特种设备安全，2007，23(5)：34-35.

[7] HB7235—95，中华人民共和国航空工业标准 慢应变速率应力腐蚀试验方法[S].

[8] 张美华，张斌，迟鸽霞，等.不锈钢应力腐蚀试验方法的对比[J].腐蚀与防护，1993，14(3)：119-122.

[9] 徐文国.电动式杠杆无级施加试验力装置在静态试验机上的应用[J].试验技术与试验机，2001，41(3,4)：39-40.

[10] 高进.金属材料氢脆及应力腐蚀断裂试验设备的设计[J].试验技术与试验机，2002，42(1,2)：27-28.

[11] 白铁钧，等.航天气瓶用超高强度钢应力腐蚀应力强度门槛值的试验研究[J].机械强度，2004，26(1)：68-71.

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[13] R.Rihan, R.K.Singh Raman, R.N.Ibrahim. Circumferential notched tensile (CNT) testing of cast iron for determination of threshold (KISCC) for caustic crack propagation[J].Materials Science and Engineering A 407 (2005) 207-212.