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應力腐蝕試驗方法及應力腐蝕試驗機

來源: 上海百若試驗儀器有限公司 日期:2017年08月12日  點擊數:載入中...

一、應力腐蝕定義:

材料、機械零件或構件在靜應力(主要是拉應力)和腐蝕的共同作用下產生的失效現象。它常出現于鍋爐用鋼、黃銅、高強度鋁合金和不銹鋼中,凝汽器管、礦山用鋼索、飛機緊急剎車用高壓氣瓶內壁等所產生的應力腐蝕也很顯著。

二、應力腐蝕原理:

應力腐蝕是指在拉應力作用下,金屬在腐蝕介質中引起的破壞。這種腐蝕一般均穿過晶粒,即所謂穿晶腐蝕。應力腐蝕由殘余或外加應力導致的應變和腐蝕聯合作用產生的材料破壞過程。應力腐蝕導致材料的斷裂稱為應力腐蝕斷裂。

應力腐蝕一般認為有陽極溶解和氫致開裂兩種。

常見應力腐蝕的機理是:零件或構件在應力和腐蝕介質作用下,表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞,破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極,陽極處的金屬成為離子而被溶解,產生電流流向陰極。由于陽極面積比陰極的小得多,陽極的電流密度很大,進一步腐蝕已破壞的表面。加上拉應力的作用,破壞處逐漸形成裂紋,裂紋隨時間逐漸擴展直到斷裂。這種裂紋不僅可以沿著金屬晶粒邊界發展,而且還能穿過晶粒發展。

三、應力腐蝕的影響:

應力腐蝕過程試驗研究表明:當金屬加上陽極電流時可以加劇應力腐蝕,而加上陰極電流時則能停止應力腐蝕。一般認為壓應力對應力腐蝕的影響不大。

一般存在拉應力,但實驗發現壓應力有時也會產生應力腐蝕。

對于裂紋擴展速率,應力腐蝕存在臨界KISCC,即臨界應力強度因子要大于KISCC,裂紋才會擴展。

一般應力腐蝕都屬于脆性斷裂。應力腐蝕的裂紋擴展速率一般為10- 610-3 mm/min,而且存在孕育期,擴展區和瞬斷區三部分。

容易發生應力腐蝕的設備

發生這種腐蝕的主要設備有熱交換器、冷卻器、蒸汽發生器、送風機、干燥機和鍋爐、石油管道,以及在各類腐蝕環境下服役的設備及材料等。

四、應力腐蝕試驗方法及試驗設備

1.         恒變形試驗

 恒變形法是使試樣發生一定的變形,對它在試驗環境中的SCC敏感性進行評定的方法。這種方法所使用的試樣形狀和手段很多,常用的有U形、C形環、彎梁試樣等,一般利用卡具或螺栓固定試樣的變形以加載應力。這種方法的優點是簡便、經濟、試樣緊湊,適合于在有限空間的容器內進行長時間的成批試驗。這類試樣通過塑性變形至預定形態,應力來自加工變形產生的殘余應力。應力大小隨材料的力學性能、成形及加工硬化性能等而異。在這類試驗中有許多是定性的,應力不能測知,一般應力大于材料的屈服強度。因為生產中設備的殘余應力也常達到或超過屈服強度,所以這類試樣最符合實際情況,適合于工程選材試驗。另有幾類固定應變試樣可以預先確定應力大小,通常在彈性應力范圍內,也有些達到塑性范圍。恒變形試驗方法根據不同的樣品又可分為彎梁法、C形環法、音叉試驗法、U形彎曲法和CBB法。 

試驗設備:百若儀器BPR-20應力環測試系統

2.         恒載荷試驗

利用砝碼、力矩、彈簧等給試樣加上一定的載荷而達到加載的目的,這種加載方法稱為載荷法。這種加載應力的方式往往被用來模擬工程構件可能受到的工作應力或外加應力。可采用直接拉伸加載,也可對彎曲試樣加載實現恒載荷的應力腐蝕試驗。恒載荷法雖然加載是恒定的,但試樣在暴露過程中由于腐蝕和產生裂紋其橫截面不斷減小,因此斷裂面上的有效應力是不斷增加的。與恒變形試驗相比,必然導致試樣更快斷裂。所以,恒載荷試驗條件更為嚴苛,試樣壽命更短,SCC的臨界應力更低。直接拉伸加載最簡單的方法是把試樣的一端固定,在另一端直接懸掛砝碼。對于大截面的高強度金屬材料,可以采用杠桿系統加載。實驗室試驗用的較多的是小截面試樣。與大截面試樣相比,對引發SCC具有更大的敏感性、可以更快地獲得試驗結果、試驗操作比較方便的優點。彎曲試樣加載又可分為三點加載、四點彎曲加載和懸臂梁加載三種。

試驗設備:百若儀器YYF-100型懸臂梁慢應變速率應力腐蝕試驗機

3.         慢應變速率試驗

慢應變速率試驗(SSRT),是在一定環境中將拉伸試件放入特制的慢應變速率試驗機中,以恒定不變的相當緩慢的應變速度通過試驗機十字頭位移而把載荷施加到試件以強化應變狀態來加速SCC過程的發生和發展。由于試驗處于環境室中,可在慢拉伸過程中同時研究其它因素如溫度、電極電位和溶液pH值等對應力腐蝕過程的影響。該試驗可采用無裂紋試樣或缺口試樣,將試樣在特定的腐蝕介質和惰性介質中緩慢拉斷后,就可以根據延伸率等參數的不同和斷口形貌及二次裂紋的特征來評定特定材料—介質體系對應力腐蝕破裂的敏感性。與前兩種方法相比,慢應變速率法具有較大的優越性。首先,慢應變速率法對應力腐蝕開裂有較高的靈敏性。其次,用慢應變速率法可以得到很多有用的信息,可定量地判斷應力腐蝕破裂敏感性的大小。慢應變速率法的缺點是設備復雜,確定應變速率值的影響因素很多,對材料過分苛刻。此外慢應變速率法不能提供更多的信息,在比較腐蝕環境和空氣中的拉伸曲線時,不容易比較裂紋的潛伏期和擴展期,很難估計裂紋擴展速度。

試驗設備:百若儀器YYF-50型慢應變速率應力腐蝕試驗機(常溫慢拉伸機型)

4.         斷裂力學試驗

斷裂力學試驗方法采用帶有預制裂紋的試樣,通常是在光滑試樣上用機械方法加工一個切口,然后用疲勞載荷在切口根部產生裂紋,也可用機械突入法等方法產生裂紋。然后對試樣加一定載荷并置入環境中進行試驗。采用預制裂紋試樣,把線彈性斷裂力學應用于應力腐蝕試驗,可以確定金屬材料在特定介質中的臨界應力場強度因子KISCC和裂紋擴展速率da/dt,確定構件中可允許的最大缺陷尺寸及構件的壽命。裂紋擴展長度可通過百若儀器配置的裂紋長度測量裝置DCPD系統進行測量,配置可以動態加載的加載裝置即可進行應力腐蝕疲勞試驗。結合斷裂力學方法的優點:試驗簡單、試驗周期較短;斷裂力學方法的優點:試驗簡單、試驗周期較短;通過KI可以準確地確定裂紋尖端的應力狀態;不同形狀試樣的試驗結果具有可比性;試驗結果的重現性較好;可在工程設計上用于安全評定和壽命評估。斷裂力學所用的預制裂紋試樣提供了有利于裂紋發展所必須的介質電化學條件,從而縮短了孕育期。動態加載單元根據客戶的選擇可包括:線性加載、循環加載(10萬次三角波、梯形波加載,可位移或力值控制)、多級加載(可自定義多個線性加載、卸載、恒載荷過程的連續組合,每個分過程的速率可變);自定義循環加載(可對設定的多級加載整體進行循環加載,其多級加載參數同多級加載,其循環次數限定同循環加載)。

試驗設備:百若儀器YYF-50型慢應變速率應力腐蝕試驗機(腐蝕疲勞機型)

五、腐蝕介質

根據環境介質的不同又可分為3.5%NaCl溶液試驗、沸騰MgCl3溶液試驗、連多硫酸溶液試驗、熱鹽法、Mattsson溶液、超臨界水、H2SCO2等。

1.         3.5%NaCl溶液間浸試驗主要用于試驗鋁合金和鐵基合金SCC敏感性,是一種加速試驗方法。可用于選材、質量控制檢驗和發展新合金等。

2.         沸騰氯化鎂溶液試驗是一種檢測不銹鋼及有關合金的SCC敏感性的標準試驗。

3.         連多硫酸溶液試驗用于測定不銹鋼或其他有關材料(Ni-Cr-Fe)在連多硫酸溶液中對延晶SCC的相對敏感性。

4.         熱鹽環境試驗是一種檢測鈦合金氫脆和SCC敏感性的試驗方法。熱鹽試驗首先用噴涂的方法在加載應力的試樣表面覆蓋一層NaCl鹽膜,然后將涂鹽試樣暴露于高溫下。通常是根據合金的力學性能和預計的使用條件來確定暴露溫度和應力水平,而暴露時間隨合金、應力、溫度和選擇的破壞判據而定。

5.         pH=7.2Mattson溶液是評定Cu-Zn合金對SCC敏感性的一種標準試驗溶液。

6.         超臨界水是一種高溫高壓環境下的氣液混合相的水。這種狀態下的水具有超高氧化能力,在這種腐蝕介質下主要模擬試驗核電材料的抗腐蝕能力。

7.         H2SCO2等腐蝕氣體。在這種腐蝕介質下,主要用于模擬石化行業的輸油管道的抗腐蝕能力。

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