应力腐蚀断裂影响因素：应力——力学因素

      对于应力腐蚀导致金属的断裂问题，本系列文章将从力学因素、电化学因素及金属学因素三个方面分别进行分析。
      一、应力腐蚀断裂影响因素：应力——力学因素
      1、应力来源
      必须有应力，才会导致材料的形变和断裂。在应力腐蚀系统中，应力来源于如下三个方面：
      （1）外加载荷
      工程构件一般都承受外加载荷。对于表面光滑构件，可以有拉、压、扭、弯等载荷；对于表面有缺口或裂纹的构件，由于载荷与裂纹或缺口的取向不同而有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或混合型载荷。运用力学和断裂力学分析，可求出构件中各点的应力分量。
      （2）残余应力
      在机械制造过程中，热处理、热加工、铸造、焊接、冷加工、装配等工艺可以导致热应力、相变应力、形变应力等残余应力；有时，采用喷丸、滚压、表面化学热处理等工艺，主动地在构件表面残存着压应力。
      （3）腐蚀产物
      阳极溶解索形成的各种产物的体积。一般都大于被腐蚀掉的金属体积，这种体积变化在闭塞的部位可以导致很大的应力。树根长入演示，由于体积效应的应力，可使岩石崩开，这是人们熟知的事实。阴极反应析出的氢，如进入金属并在某些部位富集而形成氢分子，这种氢气的压力是很大的，可以导致氢致开裂。
      上述三类应力可以代数地叠加，净应力便是应力腐蚀断裂过程的推动力。

      2、工程参量
      工程师需要一种参量来表述材料抵抗应力腐蚀断裂的能力，这种能力便是材料的性能。一般地说：
      “材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为”因此，对于材料的性能，必须给出外界条件和行为的判据。
      对于应力腐蚀断裂性能，一般采用光滑或固定几何形状和尺寸的缺口试样，固定外界的环境条件——腐蚀介质和温度，以开始出现裂纹或断裂为临界点，测定一些列固定应力下出现裂纹的时间（t₁）以及断裂时间（t_f）,一般只测定t_f，或测定固定tf的断裂应力σ_t，用tf的长短或σt的高低来比较材料抗应力腐蚀断裂能力的大小。如图1所示，tf是随σ的降低而增加的：有时σ趋近一稳定值σ_c。低于它，不发生断裂（图1a）；有时却继续减速缓慢下降，不趋近于一稳定值（图1b），可采用给定的时间（如10²、10³、10⁵h等）来确定σ_c。从所测定的应力腐蚀断裂的临界应力σ_c及安全系数a来确定构件的容许最大工作应力（σ_max=σ_c/a）。有时认为，当应力等于材料屈服强度σ_s的75%、在较长时间内（例如10³h）未出现裂纹，则说明该材料具备足够的抗应力腐蚀断裂的能力。

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图1 应力腐蚀断裂试验时断裂时间

      70年底以来，人们广泛地运用断裂力学，采用预支裂纹试样，进行应力腐蚀断裂试验。如图2所示，断裂时间tt随着应力场强度因子K_Ⅰ的降低而增加；与图1a相似，K_Ⅰ可趋近于一稳定的K_ⅠSCC；有时又与图1b相似，可类似地采用给定的tf来确定K_ⅠSCC。K_ⅠSCC叫作应力腐蚀断裂临界应力场强度因子，低于它，裂纹不扩展；高于它，则裂纹扩展而致断裂。

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图2 断裂时间t与K之间的关系

裂纹扩展速度（da/dt）与KⅠ之间的关系可以分为如图2-3所示的三阶段：
（1）第Ⅰ阶段：当KⅠ>KⅠscc，裂纹才以低俗扩展；这时，力学因素起主要作用，da/dt随着KⅠ的增大而迅速增加；
（2）第Ⅱ阶段：当KⅠ增大到一定数值后，da/dt保持恒定，即da/dt不随KⅠ变化，这时，化学因素起着主要作用；
（3）第Ⅲ阶段：KⅠ继续增大，力学因素又起着主要作用，达到KⅠC,则迅速断裂。
上述的工程参量σe、tf、KⅠscc、da/dt等，不仅可用于工程设计，还可用于比较下面两节要叙述的电化学因素及金属因素的影响。


拓展阅读：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型裂纹试样分别指什么？
    如图3所示，根据外加应力与裂纹面的取向关系，有三类裂纹试样：Ⅰ型又叫拉开型；Ⅱ型又叫滑开型；Ⅲ型又叫撕开型；对应的分别有三类应力场强度因子KⅠKⅡKⅢ。

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图3 三种裂纹方式