應(yīng)力腐蝕是材料的一種退化過(guò)程，這一過(guò)程會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件災(zāi)難性的破壞。應(yīng)力腐蝕的發(fā)生需要三個(gè)基本條件，即材料、介質(zhì)和應(yīng)力，因此每種應(yīng)力腐蝕對(duì)應(yīng)不同的體系。由于應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象發(fā)生突然且危害嚴(yán)重，促使人們對(duì)其誘發(fā)原因和破裂規(guī)律不斷進(jìn)行探討。目前，大量的應(yīng)力腐蝕研究工作仍在進(jìn)行。
1. 機(jī)理
奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的機(jī)理較多，主要包括滑移溶解機(jī)理、隧道、應(yīng)力吸附斷裂機(jī)理等。滑移溶解理論是較為公認(rèn)的應(yīng)力腐蝕開裂機(jī)理，金屬在腐蝕介質(zhì)中會(huì)形成一層腐蝕產(chǎn)物膜，金屬表面膜的完整性因?yàn)槲诲e(cuò)滑移而被破壞，基體材料被溶解，新的氧化膜會(huì)產(chǎn)生，經(jīng)過(guò)滑移－金屬溶解一再形成腐蝕產(chǎn)物膜過(guò)程的循環(huán)往復(fù)，使應(yīng)力腐蝕裂紋形核和擴(kuò)展。滑移溶解機(jī)理得到了多數(shù)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，能夠說(shuō)明SCC穿晶裂紋的擴(kuò)展，是目前得到普遍認(rèn)可的機(jī)理。但它無(wú)法解釋裂紋形核的不連續(xù)性、斷口的匹配性及解理花樣、裂紋面和滑移面的不一致性。
2. 影響因素
奧氏體不銹鋼最常見的應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在含氯離子的環(huán)境中。除了材料和受力狀態(tài)之外，介質(zhì)環(huán)境、構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)以及流場(chǎng)等是影響應(yīng)力腐蝕的主要因素。
①. 氯離子濃度
由于氯離子對(duì)應(yīng)力腐蝕的高度敏感性，使得臨界氯離子濃度成為研究應(yīng)力腐蝕因素的重要內(nèi)容。所有的研究表明，同等條件下隨著氯離子濃度升高，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增加。在某些特定的條件下，水中氯離子濃度達(dá)到5mg/kg就足以導(dǎo)致斷裂。呂國(guó)誠(chéng)等試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)304不銹鋼在60℃中性溶液中氯離子濃度約為90mg/kg時(shí)就會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。而在實(shí)際事故中，溫度在80~90℃飽和氧條件下，水中氯離子濃度≤1mg/kg, 304不銹鋼長(zhǎng)期使用后也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。
②. 溫度
溫度是不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的另一個(gè)重要參數(shù)，一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，應(yīng)力腐蝕開裂越容易。一般認(rèn)為奧氏體不銹鋼，在室溫下較少有發(fā)生氯化物開裂的危險(xiǎn)。關(guān)矞心等。對(duì)高溫水中不銹鋼應(yīng)力腐蝕研究發(fā)現(xiàn)，250℃是316L不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感溫度。從經(jīng)驗(yàn)上看，大約在60~70℃,長(zhǎng)時(shí)間暴露在腐蝕環(huán)境中的材料易發(fā)生氯化物開裂。對(duì)于穿晶型應(yīng)力腐蝕來(lái)說(shuō)，溫度較高時(shí)，即使C1-濃度很低，也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。
③. pH值
pH值影響的實(shí)質(zhì)是H+對(duì)應(yīng)力腐蝕的作用，影響H+的還原過(guò)程。pH值越低，開裂敏感性越大。隨著溶液pH值的升高，材料抗氯化物開裂的性能隨之得到改善。但是，pH值在2以下，應(yīng)力腐蝕將會(huì)被全面腐蝕代替。
④. 含氧量
在中性環(huán)境中有溶解氧或有其他氧化劑的存在是引起應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件。溶液中溶解氧增加，應(yīng)力腐蝕破裂就越容易。在完全缺氧的情況下，奧氏體不銹鋼將不會(huì)發(fā)生氯化物腐蝕斷裂。氧之所以促進(jìn)應(yīng)力腐蝕的發(fā)生尖端裂紋更易形成。
⑤. H2S濃度
在含氯離子的溶液中，H2S的作用是加速陽(yáng)極溶解，降低孔蝕電位，從而促進(jìn)由小孔腐蝕誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕破裂。在有氧的條件下，H2S與金屬產(chǎn)生FeS,FeS與氧和水發(fā)生反應(yīng)生成連多硫酸。同時(shí)，反應(yīng)生成的大量原子氫被吸附在金屬表面，并通過(guò)缺陷部位向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫將與位錯(cuò)發(fā)生交互作用，促進(jìn)了位錯(cuò)的發(fā)射和運(yùn)動(dòng)，即促進(jìn)了局部塑性變形，從而降低了材料產(chǎn)生裂紋的臨界應(yīng)力值。
⑥. 應(yīng)力因素
不銹鋼應(yīng)力腐蝕一般由拉應(yīng)力引起，包括工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、溫差應(yīng)力，甚至是腐蝕產(chǎn)物引起的拉應(yīng)力，而由殘余應(yīng)力造成的腐蝕斷裂事故占總應(yīng)力腐蝕破裂事故總和的80%以上。殘余應(yīng)力主要來(lái)源于加工過(guò)程中由于焊接或其他加熱、冷卻工藝而引起的內(nèi)應(yīng)力。力的主要作用是破壞鈍化膜、加速氯離子的吸附、改變表面膜成分和結(jié)構(gòu)、加速陽(yáng)極溶解等。
也有研究者認(rèn)為壓應(yīng)力也可以引起應(yīng)力腐蝕。隨著對(duì)應(yīng)力腐蝕研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率才是真正控制應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的參數(shù)，應(yīng)力的作用在于促進(jìn)應(yīng)變。對(duì)于每種材料－介質(zhì)體系，都存在一個(gè)臨界應(yīng)變速率值。在一定應(yīng)變速率內(nèi)，單位面積內(nèi)萌生的裂紋數(shù)及裂紋擴(kuò)展平均速率隨應(yīng)變速率的增大而增大。
⑦. 材料因素
研究表明，細(xì)晶可以使裂紋傳播困難，提高抗應(yīng)力腐蝕斷裂的能力。奧氏體不銹鋼中少量的δ鐵素體可以提高抗應(yīng)力腐蝕能力，但過(guò)多的鐵素體會(huì)引起選擇性腐蝕。不銹鋼中的雜質(zhì)對(duì)應(yīng)力腐蝕影響也很大，雜質(zhì)的微量變化可能會(huì)引起裂紋的萌生。如，S可以增加氯脆的敏感性，MnS可以優(yōu)先被溶解形成點(diǎn)蝕，而氯離子擠入孔核促進(jìn)點(diǎn)蝕擴(kuò)展，造成應(yīng)力腐蝕加速。
⑧. 結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)
應(yīng)力腐蝕作為一種局部腐蝕，常常受設(shè)備的幾何形狀以及流體的流速、流型等影響。例如，在廢熱鍋爐中，換熱管和管板之間存在微量的縫隙，縫隙中換熱管外壁常會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕。Chen等根據(jù)廢熱鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)氯離子沉積位置受到管路中湍流量和流動(dòng)狀態(tài)的影響，在彎曲部位沉積嚴(yán)重；對(duì)于變徑管模型，氯離子沉積主要集中在突擴(kuò)處壁面。
3. 裂紋萌生和擴(kuò)展
對(duì)于應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生位置，研究人員普遍認(rèn)為，一般情況下，裂紋從金屬表面的點(diǎn)蝕坑處形核并擴(kuò)展。1989年，Kondo最早提出預(yù)測(cè)點(diǎn)蝕向腐蝕疲勞裂紋轉(zhuǎn)化的實(shí)質(zhì)性方法，他把點(diǎn)蝕坑假設(shè)為與其長(zhǎng)、深尺寸相同的二維半橢圓形表面裂紋，認(rèn)為點(diǎn)蝕向裂紋擴(kuò)展必須滿足兩個(gè)條件：點(diǎn)蝕深度大于門檻值；裂紋生長(zhǎng)速率大于點(diǎn)蝕生長(zhǎng)速率。在后來(lái)的疲勞裂紋產(chǎn)生研究中，該方法得到了廣泛應(yīng)用，并得到了進(jìn)一步完善。然而，把微小尺寸的點(diǎn)蝕坑等效為裂紋，此時(shí)裂紋的應(yīng)力強(qiáng)度因子可能會(huì)大于微裂紋的擴(kuò)展門檻值。為避免以上問(wèn)題，文獻(xiàn)。進(jìn)一步研究了應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)。借鑒Kondo準(zhǔn)則，2006年，Turnbull等建立了點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)化為應(yīng)力腐蝕的準(zhǔn)則，并根據(jù)點(diǎn)蝕生長(zhǎng)率公式推導(dǎo)出裂紋萌生時(shí)點(diǎn)蝕坑臨界深度。
受觀測(cè)技術(shù)的影響，在裂紋萌生研究的早期，人們認(rèn)為裂紋萌生于點(diǎn)蝕坑底部，并且點(diǎn)蝕坑要超過(guò)一定深度裂紋才萌生。然而，隨著觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，實(shí)際的裂紋萌生情況并不像以前推測(cè)的那樣。從21世紀(jì)初期開始，研究人員借助成像技術(shù)加大了對(duì)裂紋萌生過(guò)程的觀察。Turnbull和 Horner等通過(guò)X射線計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)觀察到：裂紋主要萌生于點(diǎn)蝕坑開口部位或者附近。他們對(duì)于所觀察到的這一現(xiàn)象，無(wú)法從電化學(xué)角度來(lái)解釋，因此試圖從力學(xué)角度出發(fā)尋求解答。于是，Turnbull等采用有限元模擬了圓柱形試樣表面正在生長(zhǎng)的半球形點(diǎn)蝕坑受拉伸應(yīng)力時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，結(jié)果表明：塑性應(yīng)變出現(xiàn)在坑口下面的壁面，而不是坑底。隨著外加應(yīng)力的降低，裂紋發(fā)生在坑口的比例增加，當(dāng)外加應(yīng)力為50%屈服強(qiáng)度時(shí)，沒(méi)有裂紋起源于坑底;
因此，Turnbull等認(rèn)為，在外載荷下點(diǎn)蝕生長(zhǎng)引起的動(dòng)態(tài)塑性應(yīng)變可能是引起裂紋的主要原因，同時(shí)，他們也認(rèn)為不能忽略環(huán)境的作用。另外，Acuna等發(fā)現(xiàn)裂紋萌生主要受合應(yīng)力的方向和點(diǎn)蝕坑深徑比的影響。Zhu等通過(guò)對(duì)材料施加超低彈性應(yīng)力（20MPa),發(fā)現(xiàn)裂紋優(yōu)先在肩部形核而不是在坑底，因此處應(yīng)力和應(yīng)變較大。Turnbull的研究把淺坑等效為半球形、深坑等效為子彈形，這與實(shí)際的點(diǎn)蝕形貌有一定的距。但是，他們對(duì)傳統(tǒng)的裂紋萌生模型提出了質(zhì)疑，這給了我們很大的啟示。由于裂紋萌生的復(fù)雜性，最終沒(méi)有給出明確的裂紋萌生新模型。
目前，最具代表性應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率定量預(yù)測(cè)理論公式是 Ford-Andre-sen公式和FRI公式（也稱為Shoji公式）。但是由于這兩個(gè)公式中一些參數(shù)不易確定，很難應(yīng)用到實(shí)際工程中。工程中應(yīng)用比較廣泛的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率經(jīng)驗(yàn)公式是Clark公式和Paris公式。Clark公式確定了材料的屈服強(qiáng)度和環(huán)境溫度兩個(gè)參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響；Paris公式建立了應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系。以上公式考慮的都是高溫水環(huán)境，對(duì)于氯離子環(huán)境下應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展，這些公式是否適合，還需要進(jìn)一步的研究。
4. 隨機(jī)特性
參數(shù)的不確定性引起對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生、裂紋尺寸以及應(yīng)力腐蝕失效分析結(jié)果的隨機(jī)性。斷裂韌度、屈服強(qiáng)度、缺陷增長(zhǎng)率、初始缺陷形狀和尺寸分布以及載荷是應(yīng)力腐蝕隨機(jī)性分析所涉及的主要隨機(jī)變量。
目前，有關(guān)應(yīng)力腐蝕裂紋萌生、擴(kuò)展隨機(jī)性的研究較少。Turnbull通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了點(diǎn)蝕轉(zhuǎn)化為應(yīng)力腐蝕裂紋可能性的三參數(shù) Weibull分布函數(shù)。1996年，Scarf對(duì)焊縫處裂紋萌生和擴(kuò)展的隨機(jī)性進(jìn)行了研究，他認(rèn)為裂紋萌生服從齊次泊松過(guò)程，裂紋生長(zhǎng)滿足Weibull分布，他所建立的概率模型屬于經(jīng)驗(yàn)公式，沒(méi)有考慮裂紋產(chǎn)生的物理過(guò)程。
應(yīng)力腐蝕失效的隨機(jī)性與失效形式有關(guān)，不同的場(chǎng)合，應(yīng)力腐蝕失效有不同的形式和準(zhǔn)則。黃洪鐘和馮蘊(yùn)雯等認(rèn)為，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI大于應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子Kiscc 時(shí)構(gòu)件就發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效。應(yīng)力腐蝕失效更普遍ISCC的形式是泄漏失效和斷裂失效。當(dāng)裂紋穿透壁厚時(shí)長(zhǎng)度方向尺寸小于裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界長(zhǎng)度，此時(shí)只引起設(shè)備的泄漏，不會(huì)產(chǎn)生爆破，這種現(xiàn)象也稱為“未爆先漏（leak before burst,LBB)”［105].從1963年Irwin率先提出未爆先漏的概念。至今，已形成了不同形式的LBB安全評(píng)定準(zhǔn)則。其中，1990年，Sharp-les等提出的含缺陷結(jié)構(gòu)安全評(píng)定的LBB評(píng)定圖技術(shù)是應(yīng)用較方便的、較能適合工程安全評(píng)定的LBB準(zhǔn)則，但是目前該評(píng)定圖還只是一種靜態(tài)評(píng)定。
當(dāng)裂紋長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致設(shè)備應(yīng)力腐蝕斷裂失效。目前，采用斷裂力學(xué)理論分析應(yīng)力腐蝕斷裂失效問(wèn)題已經(jīng)很成熟，同時(shí)概率斷裂力學(xué)可以很好地解決應(yīng)力腐蝕斷裂失效的隨機(jī)性。應(yīng)力腐蝕斷裂失效概率計(jì)算中，主要的隨機(jī)變量是材料的斷裂韌度。1999年，張鈺等把應(yīng)力強(qiáng)度因子K1和斷裂韌度KIC作為隨機(jī)變量，利用兩端截尾分布理論及應(yīng)力－強(qiáng)度干涉模型建立了斷裂韌度的概率設(shè)計(jì)方法。材料斷裂韌度是材料固有的特性值，由于分散性較大，一般被認(rèn)為是服從Weibull分布或正態(tài)分布的隨機(jī)變量。應(yīng)力強(qiáng)度因子的分布函數(shù)與材料屈服強(qiáng)度、裂紋形狀和尺寸、應(yīng)力等變量的隨機(jī)性有關(guān)。2000年，劉敏等通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了小樣本下焊縫金屬斷裂韌度JIC概率分布函數(shù)的確定方法，得出SUS316L不銹鋼焊縫金屬斷裂韌度的最優(yōu)概率分布函數(shù)為Weibull分布。2010年，Onizawa等考慮焊接殘余應(yīng)力的分布，采用概率斷裂力學(xué)分析方法估算了奧氏體不銹鋼管道應(yīng)力腐蝕失效概率。
2001年，薛紅軍等采用概率有限元方法，計(jì)算了由載荷隨機(jī)性、材料特性隨機(jī)性和裂紋幾何形狀隨機(jī)性所引起的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨機(jī)性的統(tǒng)計(jì)量，并利用一階可靠性理論確定結(jié)構(gòu)脆性斷裂的失效概率。2009年，Tohgo等采用蒙特卡羅法模擬了敏化304不銹鋼光滑表面應(yīng)力腐蝕過(guò)程，微裂紋的萌生率由指數(shù)分布的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生，裂紋萌生位置和裂紋尺寸分別由均勻隨機(jī)數(shù)和正態(tài)隨機(jī)數(shù)生成。祖新星等利用Clark公式計(jì)算了裂紋擴(kuò)展速率，采用蒙特卡羅方法在抽樣及單次時(shí)長(zhǎng)計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)一定年限內(nèi)轉(zhuǎn)子應(yīng)力腐蝕失效的概率進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并計(jì)算了應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生飛射物的概率。
5. 模糊特性
隨著對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性的深入研究，在考慮參數(shù)隨機(jī)性的同時(shí)，人們逐漸認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)工程中存在的另一種不確定性，即模糊性。模糊性是指事物概念本身是模糊的，也就是說(shuō)概念內(nèi)涵模糊，邊界不清楚，在質(zhì)上沒(méi)有確切的含義，在量上沒(méi)有明確的界限。目前，模糊數(shù)學(xué)可以解決由模糊性引起的不確定性問(wèn)題，其中隸屬函數(shù)可以使模糊性在形式上轉(zhuǎn)化為確定性。陳國(guó)明認(rèn)為在斷裂力學(xué)中，一些參數(shù)不僅存在隨機(jī)性，而且具有模糊性，并提出了模糊概率斷裂力學(xué)分支。在很多研究中，研究人員把裂紋尺寸作為模糊變量，并給出了相應(yīng)的隸屬函數(shù)。周劍秋等同時(shí)考慮參數(shù)的隨機(jī)性和失效模式模糊性，提出了計(jì)算含缺陷壓力管道模糊失效概率的方法。李強(qiáng)等把斷裂事件視為一個(gè)模糊事件，計(jì)算了模糊疲勞斷裂失效概率。Anoop等對(duì)奧氏體不銹鋼管道應(yīng)力腐蝕開裂進(jìn)行了研究，把溫度作為模糊變量，其余參數(shù)作為隨機(jī)變量，給出了在一定載荷下應(yīng)力腐蝕裂紋失效概率的隸屬度函數(shù)。相對(duì)于一般概率理論，模糊概率理論起步較晚，尚處于探索階段。
