一、应力腐蚀断裂
一、应力腐蚀断裂的基本概念和特点
构件不受应力作用，单纯受化学作用的现象称为腐蚀。构件长时间受介质的腐蚀剥离，使其断面不断削弱最后导致断裂称为腐蚀破坏。所谓应力腐蚀就是构件在拉应力（或残余拉应力）和腐蚀介质联合作用下，由构件中的初始裂纹逐步扩展到临界裂纹而最后导致破坏的现象。
试验表明：含裂纹的材料处于腐蚀介质中，如果应力强度因子低于该材料的断裂韧度，经过一段时间后，裂纹仍可能发生失稳扩展并导致断裂。应力腐蚀过程中裂纹尺寸随时间的变化情况如图6-4所示。
图6-4 应力腐蚀过程中裂纹尺寸与时间的关系
在开始一段时间ti内，裂纹尺寸保持不变，即没有扩展。随后裂纹即开始缓慢扩展，尺寸逐渐增大，最后裂纹扩展加速并导致裂纹体最终断裂破坏。如用tf表示由加载开始到出现失稳扩展的总时间，则tf-ti为裂纹在腐蚀介质条件下缓慢扩展的时间，它与外载荷及kⅠ的大小有关，kⅠ愈高，tf愈短。kⅠ愈低，tf愈长；裂纹扩展也就愈慢。当kⅠ值低于某一临界值时，裂纹扩展变得极其缓慢，要经过很长的时间才会发生失稳扩展。这一临界值称为应力腐蚀的断裂韧度，用kⅠscc表示（stress corrosion cracking）。材料应力腐蚀的断裂韧度kⅠscc可用恒定载荷法测得。
应力腐蚀断裂即不同于单纯的机械疲劳断裂（与环境因素有关），也不同于单纯的化学腐蚀作用所造成的晶间裂纹（与载荷作用有关）。而是一种由化学环境诱发的裂纹的缓慢扩展，即裂纹处于适当的化学腐蚀环境中，在失稳扩展前裂纹的扩展很缓慢——裂纹的亚临界扩展或静疲劳。
应力腐蚀断裂发生在有外力作用的情况下，其应力强度因子要低于裂纹材料的平面应变断裂韧度，但又高于材料的应力腐蚀断裂韧度，即：kⅠscc＜kⅠ＜kⅠc。
研究应力腐蚀断裂具有十分重要的意义，航空航天工程、海洋钻探工程、造船工程等一切在介质中受力的构件都受到应力腐蚀的作用造成应力腐蚀破坏。如海上钻探时，钻杆、钻具由于长时间浸泡在海水中，因应力腐蚀而破坏。近30年来，地质材料的应力腐蚀问题的研究也显得异常活跃。用应力腐蚀断裂可解释脆性岩石在常温下的蠕变：常温下岩石的蠕变实际上是微裂纹在开裂过程中体积应变的非线性增大，这一现象可能与周围环境的化学腐蚀作用有关，使得这些裂纹发生亚临界扩展。试验表明，饱和水的花岗岩试样在稳定蠕变阶段（单压）体积应变率远高于干燥试样，据此可推算出花岗岩在水的应力腐蚀条件下1000年后强度将降低50%。
钻探过程中化学泥浆的作用在井底造成一个适宜的腐蚀环境，使岩石“软化”从而提高钻进效率。此外，应力腐蚀断裂在地质矿床成因理论分析和地下水诱发地震中也得到了应用。
二、应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀过程是一种与应力有关的化学过程。应力的作用增加了化学反应的活化能，使流体介质与裂纹表面材料之间的化学反应过程加速。而化学腐蚀环境的存在又降低了形成新的裂纹表面所需要的能量。因此两者相互作用的结果，使先存于材料内的裂纹在较低的应力强度因子作用下即可缓慢扩展，并在其尺寸达到某一临界值后发生快速失稳扩展。
应力腐蚀断裂进程的因素有两个，一个是化学反应速度；另一个是裂纹尖端处化学反应生成物的迁移扩散速度。
当应力腐蚀裂纹前端的应力强度因子kⅠ＞kⅠscc时，裂纹就会随时间增大而增大。单位时间内裂纹由于应力腐蚀的扩展量称为应力腐蚀裂纹扩展速率，用da/dt表示，显然，da/dt=f（kⅠ）。其中f（kⅠ）有不同的表达式，如：
岩石断裂与损伤
式中：v、c为材料参数，将上式用对数表示为
岩石断裂与损伤
式中：a、n是由试验确定的常数，n称为应力腐蚀指数，n越大，表示对应力腐蚀愈敏感，典型的da/dt-kⅠ曲线如图6-5所示，可将其分为三个阶段。
Ⅰ：有一kⅠ下限值，当应力强度因子低于该值时，由于裂纹扩展太慢，在有限时间内无法测出da/dt。一般取da/dt=10-8cm/s（30天扩展0.26mm）时的应力强度因子作为kⅠscc，当kⅠ超过kⅠscc时，裂纹即突然加速扩展。
图6-5 应力腐蚀断裂的三个阶段
Ⅱ：与kⅠ平行的直线，表明da/dt与kⅠ无关，裂纹扩展主要由化学过程起控制作用。
Ⅲ：裂纹长度接近脆性断裂时的临界尺寸，是化学腐蚀与机械破坏联合作用的结果。此时，da/dt随kⅠ增加而增加，在kⅠ=kⅠc时，达到最大值。
需要说明的是：上述曲线为多种金属和合金材料试验所证实，但铝合金无第Ⅱ阶段，纯铝在一定条件下无第Ⅲ阶段，岩石材料第Ⅱ阶段不明显。
测定da/dt的方法一般有：双扭转试验法、双悬臂梁试验法、常规三点弯曲试验法及其脆性断裂的统计方法。
材料的应力腐蚀断裂韧度kⅠscc受介质、材料化学成分、组织和性能的影响，此外ph值、温度也会产生影响，对于具体问题，最好进行实测，如果应用手册中的kⅠscc数值，必须注意其条件是否相同。
三、应力腐蚀扩展速率的影响因素
影响应力腐蚀扩展速率的因素很多，一般有以下几个方面。
1.水对岩石应力腐蚀断裂的影响
图6-6是灰岩在水中和空气中的da/dt-kⅠ曲线，从图中比较可见：kⅠ=kⅠc时，da/dt=100mm/min。当kⅠ=2.75dyn/mm3/2时，（da/dt）水=1000（da/dt）空气。
图6-6 灰岩在水中和空气中的da/dt-kⅠ曲线
图6-7、图6-8分别为安山岩（玄武岩）、花岗岩在潮湿和干燥空气中的ln（da/dt）-lnkⅠ曲线。从图中可以看出：不同介质对同一材料的应力腐蚀影响不同，水是腐蚀性很强的介质。空气中水气相对湿度增加，应力腐蚀扩展速率增大。对于钢材，按照水蒸气、水、盐类溶液、h2和h2s顺序，应力腐蚀扩展速率相应增大。
图6-7 安山岩在潮湿和干燥空气中的ln（da/dt）lnkⅠ曲线
图6-8 花岗岩在潮湿和干燥空气中的ln（da/dt）lnkⅠ曲线（据laitai et al.，1986）
2.各向异性的影响
henry等人用具有明显节理面的大理岩试样进行研究，图6-9为大理岩在饱和碳酸钙水溶液腐蚀介质中的da/dt-kⅠ曲线。由实验结果可以看出：平行于节理面内的裂纹最易发生应力腐蚀，并在较低的kⅠ下就可达到较高的da/dt。其他两个方向的裂纹则扩展缓慢。
图6-9 大理岩在饱和碳酸钙水溶液腐蚀介质中的da/dt-kⅠ曲线
3.材料的强度水平显著地影响着它对应力腐蚀的敏感性
图6-10所示为4340钢在海水中的kⅠscc、kⅠc与σs关系曲线，从图中可以看出：当屈服强度σs＞954mpa时kⅠscc数值急剧下降；当σs＞1272mpa时变化缓慢。
4.介质黏性的影响
由图6-11可见，黏度η越高，化学反应生成物的迁移速度越低，流体进入裂纹尖端的阻力也就越大，故da/dt下降。
5.温度的影响
温度升高，应力腐蚀扩展速率增大，图6-12中为人造石英和铝合金试样应力腐蚀扩展速率与温度变化的关系图。从图中可以看出，当温度升高时，一方面使流体黏性降低，有助于化学反应物的迁移；另一方面使化学反应加剧，所以应力腐蚀扩展速率da/dt上升。
图6-10 4340钢在海水中的kⅠscc、kⅠc与σs关系曲线
图6-11 黏度对da/dt的影响
图6-12 温度对da/dt的影响
二、材料应力腐蚀的应力腐蚀机理及防止办法
应力腐蚀机理就是滑移-溶解理论。它可以简单地归结为四个过程，这就是滑移-膜破-阳极溶解-再钝化。这一机理所提出的基本概念广为多数人接受。但是，滑移-溶解机理只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀，而对穿晶型断裂如奥氏体不锈钢的氯脆，却遇到了很大困难。因为穿晶断裂型的应力腐蚀，其断裂表面不是在滑移面上，断裂具有类似解理的特征。
防止应力腐蚀的办法要视具体的材料-介质而定。例如低碳钢容易产生碱脆和硝脆。在锅炉的铆接和焊接部位，少量的渗漏使溶融的盐形成局部高浓度的苛性钠，易产生碱脆。对于碱脆就要时时注意锅炉用水处理，减少ph值或加入强氧化剂使钢表面钝化，加入一些抑制剂如硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐都可减缓应力腐蚀，也可用阴极保护的办法。而对于硝脆则正相反，要增加溶液的ph值，或加入苛性钠等碱性物质延缓应力腐蚀，当然，从电化学防护来说也可用阴极保护。对奥氏体不锈钢的氯脆，首先从合金的成分加以改进，如从低镍的18-8型(304、302型)改变成高镍并加钼的316型，进而采用a+f的双相钢。对奥氏体不锈钢也要特别注意冷变形或者焊接后的去除应力处理。
三、如何用应力腐蚀理论解释裂纹的亚临界生长？
应力腐蚀的裂纹扩展速率—般在10-9~10-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。
