環境作用動力學在應力腐蝕斷裂中的應用

封先河，曹學軍

（1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；2.中國兵器工業集團第五二研究所，浙江 寧波 315103）

環境作用動力學在應力腐蝕斷裂中的應用

封先河1，曹學軍2

（1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；2.中國兵器工業集團第五二研究所，浙江 寧波 315103）

目的 研究材料的應力腐蝕斷裂時間。方法 應用環境作用動力學理論，求解材料的應力腐蝕斷裂時間函數。結果 從環境作用動力學理論得到了材料的應力腐蝕斷裂時間函數，并對AZ61和AZ80鎂合金進行了試驗驗證。結論 環境作用動力學理論可以描述鎂合金材料應力腐蝕斷裂時間；AZ61鎂合金抗應力腐蝕性能優于AZ80鎂合金。

應力腐蝕；斷裂力學；環境作用動力學；應力腐蝕斷裂

零件斷裂一般不是單純的金屬與外部介質化學反應而產生的，常有應力存在，在工作應力或殘余應力和環境介質的共同作用下，所發生的破壞屬于應力腐蝕破壞。

應力腐蝕引起的破壞有以下特點[1—6]：

1）應力腐蝕破壞的應力，遠低于材料或零件的屈服強度，一般是拉伸應力(也發現壓應力引起)。這個應力可以是焊接、冷加工或熱處理產生的殘留拉應力，也可以是外加應力。冷加工黃銅材料的子彈殼在潮濕的氨氣中的破壞，就是由于加工殘留應力引起的。

應力腐蝕產生的破壞，一般是脆性斷裂，沒有顯著的塑性應變。

3）只有在特定的金屬成分與相應的介質組合在一起時才會造成應力腐蝕。例如α黃銅在氨溶液中才會產生應力腐蝕，而β黃銅在水中就能產生應力腐蝕而破裂。

4）應力腐蝕產生的裂紋的擴展速率一般在10-9～10-6m/s，這種緩慢的擴展狀況一直到某一臨界大小，使余下的材料或零件橫截面不能承受外力時，就快速發生斷裂。

對材料應力腐蝕特征的研究，一般采用人工預制裂紋試樣。將人工預制裂紋試樣放在腐蝕介質中，在恒定拉應力下，測定裂紋擴展產生的應力強度因子 K的變化關系，得到材料的應力腐蝕特性[7—10]。

當KK1C時，加上應力后即可斷裂。

高強度鋼和鈦合金都有確定的門檻值 K1SCC，但鋁合金沒有確定的門檻值，只能根據試驗時間的長短而定。材料或零件應力腐蝕的試驗方法有恒定載荷法和恒定位移法兩種[11—13]。恒定載荷法使K1不斷增大，恒定位移法使 K1不斷減少。恒定載荷法可得到完整的 K1時間曲線，能夠準確地測定K1SCC，但所需試樣較多。恒定位移法便于現場進行測試，可以用一個試樣測定K1SCC值，但在計算K1SCC時存在一定誤差。現行應力腐蝕的研究已經比較成熟，能夠對各種材料的抗應力腐蝕特性作出較準確的判定，廣泛應用于武器裝備、工業生產和基礎設施建設等領域，但是也存在應用上的一些問題。材料K1SCC的確定，只能判斷材料或零件是否可以長期處于腐蝕環境中而不發生破壞，對于發生破壞的時間難以確定，而工程上最為關心的恰恰是應力腐蝕的破壞時間。特別是鋁合金、鎂合金等新型材料的廣泛使用，沒有明顯的門檻值，傳統的應力腐蝕研究方法更加困難。

文中從環境作用動力學理論出發[14—16]，以材料斷裂時間來研究材料或零件的應力腐蝕問題，直接給出材料或零件的應力腐蝕斷裂時間，供大家參考。

1　環境作用動力學在應力腐蝕中的應用

按照環境作用動力學的觀點[17]，組成鎂合金材料的大量微觀粒子（鎂原子等）中，只有及其少量的微觀粒子（由鎂合金材料的環境響應性決定），具有很高能量，能夠脫離其他微觀粒子的束縛，離開平衡位置，在應力作用下移動到新的位置，或者在腐蝕環境中產生化學反應。當鎂合金材料微裂紋尖端附近的微觀粒子獲得很高能量時，無論是內部微裂紋尖端附近的微觀粒子在應力作用下移動到新的位置，還是表面微裂紋尖端附近的微觀粒子在腐蝕環境中產生化學反應，都會造成微裂紋的擴展，直到鎂合金材料斷裂。

環境作用動力學在鎂合金材料環境應力腐蝕中的應用，首先應該確定應力腐蝕過程中，鎂合金材料的環境適應性、環境響應性、變化重復性特征。

1）鎂合金材料自身特征沒有發生變化，不存在環境適應性，于是S=1。

2）應力腐蝕過程中，鎂合金材料只有及其少量的微觀粒子具有很高能量，響應靜態應力和腐蝕環境，因此物體的環境響應性 U等于活化粒子濃度W(T)。

3）應力腐蝕過程中，鎂合金材料存在兩個變化過程：內部微裂紋尖端附近的微觀粒子的移動；表面微裂紋尖端附近的微觀粒子在腐蝕環境中產生的化學反應。由于環境腐蝕較為微弱，組成鎂合金材料的大量微觀粒子的變化，主要是內部微裂紋尖端附近的微觀粒子的移動，可以無限次產生變化，變化重復性Q恒等于1。

選擇描述鎂合金材料應力腐蝕過程中的變化度量值，并確定環境作用σ（此處的σ是環境作用，不是彈性力學中的應力）的具體函數。根據鎂合金試樣從完好到最終斷裂的變化過程，取鎂合金試樣標距的有效截面積 S為描述鎂合金材料應力腐蝕程中的變化度量值。

環境作用σ取鎂合金試樣所承受的實際應力，即：

帶入環境作用動力學方程，得：

求解得到變化度量值S(t,T)：

考慮到：t=0時，S(t,T)=S0；t=t0時，S(t,T)=Sb。有：

式中：S0為初始狀態的鎂合金試樣標距處的原始截面積；t0為斷裂時間；Sb為斷裂極限時的鎂合金試樣標距處的截面積。即：

如果溫度取試樣時間段的平均溫度，或者全年平均溫度，那么2×j×W(T)可以看作常數η。于是式(4)簡化為：

2　應力腐蝕試驗

試驗樣品材料為AZ80和AZ61鎂合金，樣品形狀為如圖1所示。

圖1 試驗樣品Fig.1 Experiment sample

試驗地點為重慶江津自然環境試驗站，試驗設備為戶外應力腐蝕試驗機，如圖2所示。

圖2 戶外應力腐蝕試驗機Fig.2 The outdoor stress corrosion experiments machine

AZ61鎂合金試驗結果見表1。

AZ80鎂合金試驗結果見表2。

表1 AZ61試驗結果Table 1 The experiments result of AZ61

表2 AZ80鎂合金試驗結果Table 2 The experiments result of AZ80

3　應力腐蝕數據處理

以試樣截面積和力為自變量，斷裂時間為因變量，式(6)變化為：

式(7)的函數圖形如圖3所示。

AZ61和AZ80鎂合金的σb分別為151 MPa和182 MPa，由AZ61鎂合金和AZ80鎂合金的試驗數據，依據式(7)分別求得 η的平均值為：ηAZ80=0.0257 m2/(h·kg)，ηAZ61=0.0204 m2/(h·kg)。

圖3 式(7)函數圖(z軸代表t0，x軸代表S0，y軸代表F)Fig.3 (7)Type function diagram (z—axis represents t0, x—axis represents S0, y—axis represents F)

將AZ61和AZ80鎂合金的σb和η值帶入式(7)，得到AZ61和AZ80鎂合金的應力腐蝕斷裂時間函數：

應用式(8)和式(9)，可以求得給定截面積和受力大小的AZ61和AZ80鎂合金構件，在江津戶外的應力腐蝕斷裂時間。

4　結論

1）從環境作用動力學理論出發，以鎂合金試樣標距的有效截面積S，作為描述鎂合金材料應力腐蝕斷裂過程中的變化度量值，可以描述鎂合金材料應力腐蝕斷裂時間。

2）得到的式(7)，主要考慮的是鎂合金材料內部微裂紋尖端附近的微觀粒子的移動，未考慮鎂合金材料表面微裂紋尖端附近的微觀粒子在腐蝕環境中的化學反應，因此只適用于微弱腐蝕環境的應力腐蝕。

3）AZ61和 AZ80鎂合金的 η值存在差異，AZ61鎂合金抗應力腐蝕性能優于AZ80鎂合金。

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Application of Environmental Effect Dynamics in Stress Corrosion Cracking

FENG Xian-he1, CAO Xue-jun2
(1.No.59 Research Institute of China North Industries Group Corporation, Chongqing 400039, China; 2.No.52 Institute of China Ordnance Industry, Ningbo 315103, China)

Objective To study the material cracking time of stress corrosion. Methods Theory of environmental effect dynamics was applied to solve the function of the material cracking time of stress corrosion. Results The function of the material cracking time under stress corrosion was acquired from the theory of environmental effect dynamics. In addition, an experimental verification was carried out to AZ61 and AZ80 magnesium metal alloy. Conclusion The theory of environmental effect dynamics can be used to describe the material cracking time of magnesium metal alloy under stress corrosion; the anti- stress corrosion function of AZ61’s surpasses that of AZ80.

stress corrosion; fracture mechanics; environmental effect dynamics; stress corrosion cracking

2016-08-17；Revised：2016-09-18

10.7643/ issn.1672-9242.2016.05.012

TJ04；TG172

A

1672-9242(2016)05-0076-05

2016-08-17；

2016-09-18

封先河（1967—），男，重慶巴南人，研究員級高工，主要研究方向為環境試驗及理論。

Biography：FENG Xian-he（1967—），Male，from Banan，Chongqing，Researcher level senior engineer，Research focus：environmental test and theory research.