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应力腐蚀试验方法及应力腐蚀试验机

来源: 上海百若试验仪器有限公司 日期:2017年08月12日  点击数:载入中...

一、应力腐蚀定义:

材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。它常出现于锅炉用钢、黄铜、高强度铝合金和不锈钢中,凝汽器管、矿山用钢索、飞机紧急刹车用高压气瓶内壁等所产生的应力腐蚀也很显著。

二、应力腐蚀原理:

应力腐蚀是指在拉应力作用下,金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒,即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。

应力腐蚀一般认为有阳极溶解和氢致开裂两种。

常见应力腐蚀的机理是:零件或构件在应力和腐蚀介质作用下,表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解,产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多,阳极的电流密度很大,进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用,破坏处逐渐形成裂纹,裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展,而且还能穿过晶粒发展。

三、应力腐蚀的影响:

应力腐蚀过程试验研究表明:当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀,而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。

一般存在拉应力,但实验发现压应力有时也会产生应力腐蚀。

对于裂纹扩展速率,应力腐蚀存在临界KISCC,即临界应力强度因子要大于KISCC,裂纹才会扩展。

一般应力腐蚀都属于脆性断裂。应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为10- 610-3 mm/min,而且存在孕育期,扩展区和瞬断区三部分。

容易发生应力腐蚀的设备

发生这种腐蚀的主要设备有热交换器、冷却器、蒸汽发生器、送风机、干燥机和锅炉、石油管道,以及在各类腐蚀环境下服役的设备及材料等。

四、应力腐蚀试验方法及试验设备

1.         恒变形试验

 恒变形法是使试样发生一定的变形,对它在试验环境中的SCC敏感性进行评定的方法。这种方法所使用的试样形状和手段很多,常用的有U形、C形环、弯梁试样等,一般利用卡具或螺栓固定试样的变形以加载应力。这种方法的优点是简便、经济、试样紧凑,适合于在有限空间的容器内进行长时间的成批试验。这类试样通过塑性变形至预定形态,应力来自加工变形产生的残余应力。应力大小随材料的力学性能、成形及加工硬化性能等而异。在这类试验中有许多是定性的,应力不能测知,一般应力大于材料的屈服强度。因为生产中设备的残余应力也常达到或超过屈服强度,所以这类试样最符合实际情况,适合于工程选材试验。另有几类固定应变试样可以预先确定应力大小,通常在弹性应力范围内,也有些达到塑性范围。恒变形试验方法根据不同的样品又可分为弯梁法、C形环法、音叉试验法、U形弯曲法和CBB法。 

试验设备:百若仪器BPR-20应力环测试系统

2.         恒载荷试验

利用砝码、力矩、弹簧等给试样加上一定的载荷而达到加载的目的,这种加载方法称为载荷法。这种加载应力的方式往往被用来模拟工程构件可能受到的工作应力或外加应力。可采用直接拉伸加载,也可对弯曲试样加载实现恒载荷的应力腐蚀试验。恒载荷法虽然加载是恒定的,但试样在暴露过程中由于腐蚀和产生裂纹其横截面不断减小,因此断裂面上的有效应力是不断增加的。与恒变形试验相比,必然导致试样更快断裂。所以,恒载荷试验条件更为严苛,试样寿命更短,SCC的临界应力更低。直接拉伸加载最简单的方法是把试样的一端固定,在另一端直接悬挂砝码。对于大截面的高强度金属材料,可以采用杠杆系统加载。实验室试验用的较多的是小截面试样。与大截面试样相比,对引发SCC具有更大的敏感性、可以更快地获得试验结果、试验操作比较方便的优点。弯曲试样加载又可分为三点加载、四点弯曲加载和悬臂梁加载三种。

试验设备:百若仪器YYF-100型悬臂梁慢应变速率应力腐蚀试验机

3.         慢应变速率试验

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。

试验设备:百若仪器YYF-50型慢应变速率应力腐蚀试验机(常温慢拉伸机型)

4.         断裂力学试验

断裂力学试验方法采用带有预制裂纹的试样,通常是在光滑试样上用机械方法加工一个切口,然后用疲劳载荷在切口根部产生裂纹,也可用机械突入法等方法产生裂纹。然后对试样加一定载荷并置入环境中进行试验。采用预制裂纹试样,把线弹性断裂力学应用于应力腐蚀试验,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,确定构件中可允许的最大缺陷尺寸及构件的寿命。裂纹扩展长度可通过百若仪器配置的裂纹长度测量装置DCPD系统进行测量,配置可以动态加载的加载装置即可进行应力腐蚀疲劳试验。结合断裂力学方法的优点:试验简单、试验周期较短;断裂力学方法的优点:试验简单、试验周期较短;通过KI可以准确地确定裂纹尖端的应力状态;不同形状试样的试验结果具有可比性;试验结果的重现性较好;可在工程设计上用于安全评定和寿命评估。断裂力学所用的预制裂纹试样提供了有利于裂纹发展所必须的介质电化学条件,从而缩短了孕育期。动态加载单元根据客户的选择可包括:线性加载、循环加载(10万次三角波、梯形波加载,可位移或力值控制)、多级加载(可自定义多个线性加载、卸载、恒载荷过程的连续组合,每个分过程的速率可变);自定义循环加载(可对设定的多级加载整体进行循环加载,其多级加载参数同多级加载,其循环次数限定同循环加载)。

试验设备:百若仪器YYF-50型慢应变速率应力腐蚀试验机(腐蚀疲劳机型)

五、腐蚀介质

根据环境介质的不同又可分为3.5%NaCl溶液试验、沸腾MgCl3溶液试验、连多硫酸溶液试验、热盐法、Mattsson溶液、超临界水、H2SCO2等。

1.         3.5%NaCl溶液间浸试验主要用于试验铝合金和铁基合金SCC敏感性,是一种加速试验方法。可用于选材、质量控制检验和发展新合金等。

2.         沸腾氯化镁溶液试验是一种检测不锈钢及有关合金的SCC敏感性的标准试验。

3.         连多硫酸溶液试验用于测定不锈钢或其他有关材料(Ni-Cr-Fe)在连多硫酸溶液中对延晶SCC的相对敏感性。

4.         热盐环境试验是一种检测钛合金氢脆和SCC敏感性的试验方法。热盐试验首先用喷涂的方法在加载应力的试样表面覆盖一层NaCl盐膜,然后将涂盐试样暴露于高温下。通常是根据合金的力学性能和预计的使用条件来确定暴露温度和应力水平,而暴露时间随合金、应力、温度和选择的破坏判据而定。

5.         pH=7.2Mattson溶液是评定Cu-Zn合金对SCC敏感性的一种标准试验溶液。

6.         超临界水是一种高温高压环境下的气液混合相的水。这种状态下的水具有超高氧化能力,在这种腐蚀介质下主要模拟试验核电材料的抗腐蚀能力。

7.         H2SCO2等腐蚀气体。在这种腐蚀介质下,主要用于模拟石化行业的输油管道的抗腐蚀能力。

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