影響不銹鋼材料應力腐蝕的因素眾多，在過去幾十年里，研究人員采用不同的試驗方法對力學因素、環(huán)境因素、材料因素等已經做了大量的研究，并取得了非常有價值的成果。為了研究各影響因素的影響程度，人們采用灰色關聯(lián)理論、耶茨算法以及正交試驗設計等方法對各因素的顯著性進行分析。但是，現(xiàn)實中多起因奧氏體不銹鋼應力腐蝕引起的事故顯示，環(huán)境壓力對奧氏體不銹鋼應力腐蝕產生較大影響，而前人的研究很少涉及，故筆者針對上述因素對奧氏體不銹鋼應力腐蝕的影響展開研究，探尋上述因素對奧氏體不銹鋼應力腐蝕的影響規(guī)律，為防止類似事故的發(fā)生提供試驗和理論基礎。
一、應力腐蝕試驗方法
研究應力腐蝕的試驗方法有多種，根據(jù)所研究材料、環(huán)境、應力狀態(tài)及研究目的選擇適當?shù)脑囼灧椒ㄖ陵P重要。按照加載方式不同，應力腐蝕試驗可分為恒變形法、恒載荷法和慢應變速率拉伸法，采用的試樣一般分為三類：光滑試樣、帶缺口試樣和預制裂紋試樣。光滑試樣主要用來研究應力腐蝕破裂的敏感性；帶缺口試樣是模擬金屬材料中的宏觀裂紋以研究材料的應力腐蝕敏感性；預制裂紋試樣是預先在試樣上加工出缺口并經疲勞處理產生裂紋，常用來測量應力腐蝕臨界應力強度因子及裂紋擴展速率。常用的應力腐蝕試驗方法如下:
1. 恒變形法
恒變形法是通過拉伸或彎曲使試樣變形而產生拉應力，利用具有足夠剛性的框架維持這種變形或者直接采用加力框架，保證試樣變形恒定的應力腐蝕試驗方法。這種加載方式往往用于模擬工程構件中的加工制造應力狀態(tài)。恒變形法又可分為彎梁法、C形環(huán)法、U形彎曲法和音叉型法。
恒變形試驗法的優(yōu)點是：裝置簡單、試樣緊湊、操作方便、可以定性地獲得材料應力腐蝕敏感性。缺點是：不能準確測定應力值；試驗過程中，伴隨裂紋發(fā)展，往往會出現(xiàn)某種弛豫作用，從而導致試樣承受的應力下降，使得裂紋的發(fā)展減緩或停止，顯著影響試樣的斷裂時間，甚至可能觀察不到試樣斷裂。
2. 恒載荷法
恒載荷法是利用砝碼、力矩、彈簧等對試樣施加一定載荷以實現(xiàn)應力腐蝕試驗，這種加載方式往往用于模擬工程構件可能受到的工作應力或加工應力。恒載荷法雖然載荷是恒定的，但試樣在暴露過程中由于腐蝕和產生裂紋使其截面積不斷減小，從而使斷裂面上的有效應力不斷增大。
目前，應力環(huán)測試系統(tǒng)是最常見的恒載荷試驗設備，操作簡單，精度相對較高。美國CORTEST 公司生產的應力環(huán)測試系統(tǒng)的測試單元的載荷范圍最高可達1700MPa,這種測試單元可以與標準耐熱玻璃容器、高溫容器或能承受13.6MPa、溫度200℃的高溫高壓容器配套使用。每一個單獨標定的CORTEST應力環(huán)都相應帶有一張轉換表，用于準確確定試樣的載荷，如圖2-1所示。應力環(huán)為試樣提供持久不變的單向拉伸載荷。應力環(huán)的撓度由千分表測定，并可與刻度盤上的指示相核對。
3. 慢應變速率拉伸法
慢應變速率試驗（slow strain rate testing,SSRT),是在一定環(huán)境中將拉伸試件放人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把載荷施加到試件，直至拉斷。由于它具有可大大縮短應力腐蝕試驗周期，并且可以采用光滑小試樣等一系列優(yōu)點，因而被廣泛應用于應力腐蝕研究，特別是用于研究各種環(huán)境因素對應力腐蝕的影響。
慢應變速率試驗結果通常與在不發(fā)生應力腐蝕的惰性介質（如油或空氣）中的試驗結果進行比較，以兩者在相同溫度和應變速率下的試驗結果的相對值表征應力腐蝕的敏感性。主要有以下幾個評定指標：
a. 塑性損失
以延伸率δ和斷面收縮率Z作為參數(shù)，計算得到應力腐蝕敏感性指數(shù)F(δ)和F(Z),其值越大，表示應力腐蝕敏感性越強。
式中，δ0、δ分別為試樣在惰性介質和腐蝕介質中的延伸率；Z0、Z分別為試樣在空氣和腐蝕介質中的斷面收縮率。
b. 最大載荷
試樣在拉伸過程中載荷達到的最大值。對脆性材料，往往用這個指標來衡量，特別是當應力還在彈性范圍內試樣就已滯后斷裂時，用最大載荷作為判據(jù)就更合理。由最大載荷表征的應力腐蝕敏感性指數(shù)為：
式中，l0、l分別為試樣在惰性介質和腐蝕介質中的最大載荷。
c. 斷裂時間
從開始試驗到載荷達到最大值所經歷的時間稱為斷裂時間tf。在應變速率不變的條件下，試樣所需的斷裂時間越短，說明材料對環(huán)境的應力腐蝕敏感性越高。應力腐蝕敏感性指數(shù)F(t)定義為：
式中，t0、tr分別為試樣在惰性介質和腐蝕介質中的斷裂時間。
d. 內積功
應力-應變曲線圖中，曲線與橫軸圍成的面積為試樣斷裂時的內積功。惰性介質和腐蝕介質試驗中內積功差別越大，應力腐蝕敏感性也越大。應力腐蝕敏感性指數(shù)F(A)定義為：
式中，A0、A分別為試樣在惰性介質和腐蝕介質中的內積功。
e. 斷裂應力σe
在腐蝕介質中和惰性介質中的斷裂應力比值愈小，應力腐蝕敏感性就愈大。
f. 斷口形貌
對大多數(shù)壓力容器鋼材，在惰性介質中斷裂后將獲得韌窩性斷口，而在腐蝕介質中，拉斷后往往獲得脆性斷口。其中脆性斷口比例愈高，則應力腐蝕愈敏感。如介質中拉斷后斷面存在二次裂紋，也可以用二次裂紋的長度和數(shù)量來衡量應力腐蝕的敏感性。
二、試驗設計
以S32168不銹鋼為試驗材料，材料的化學成分列于表2-1。試樣加工成標距為25.4mm、直徑為5.00mm的圓柱狀，試樣幾何形狀如圖2-2(a)所示，實物如圖2-2(b)所示。試驗之前，試樣先用400#、200#、2000#三種不同規(guī)格的砂紙依次沿著縱向和橫向交替打磨。打磨完成后，將試樣依次放入乙醇和丙酮溶液中進行超聲清洗，用去離子水沖洗并且吹干。試驗溶液用NACE標準中規(guī)定的分析純氯化鈉、乙酸和去離子水配制，其中氯化鈉的質量分數(shù)為5%,乙酸的質量分數(shù)為0.5%,溶液的pH值在3~4之間，試樣編號及試驗參數(shù)見表2-2.試驗是在美國CORT-EST公司研制的慢應變速率應力腐蝕試驗機上進行的，拉伸速率為1.9×10-6s-1.每次試驗結束，都會得到一條應力－應變曲線和斷裂時間，隨之可以得到最大應力、斷面收縮率和伸長率。將拉斷的試樣先后用去離子水和乙醇清洗并吹干，用掃描電鏡（SEM)觀察斷口形貌，然后將樣品沿標距段縱剖，觀察裂紋路徑及深度方向的生長情況。
三、試驗結果
1. 腐蝕拉伸曲線
圖2-3(a)~(e)是試樣在不同溫度和操作壓力的腐蝕拉伸曲線，為便于分析，將5條曲線繪制在同一圖中，如圖2-3(f)所示。
圖2-3(f)中，曲線1是在25℃和1MPa下的拉伸曲線，材料在拉伸過程中具有明顯的塑性變形過程和較高的抗拉強度。曲線2和曲線3是同一溫度（150℃)、不同操作壓力（1.6MPa和11MPa)下的拉伸曲線，兩條曲線兒乎重合，說明在150℃條件下，壓力變化對S32168奧氏體不銹鋼的應力腐蝕敏感性影響不大。曲線4和曲線5是同一溫度（260℃)、不同操作壓力（4.6MPa和11MPa)下的拉伸曲線，兩條曲線相差較大，11MPa下材料具有很高的脆性，說明在260℃時，壓力變化對S32168奧氏體不銹鋼的應力腐蝕敏感性影響較大，壓力越高，材料越容易發(fā)生應力腐蝕破裂。
2. 應力腐蝕敏感性分析
以塑性損失中的斷面收縮率表示的應力腐蝕敏感性指數(shù)F(Z)表示試樣在不同環(huán)境下的應力腐蝕敏感性，將每種環(huán)境下的試驗結果求平均值，如表2-3所示，可知不同溫度條件下介質壓力對應力腐蝕敏感性的影響。
圖2-4描述了不同環(huán)境中應力腐蝕敏感性指數(shù)的變化情況，從圖中可以看出，溫度和壓力升高都能提高應力腐蝕敏感性。25℃時，應力腐蝕敏感性指數(shù)很小；150℃時，隨著介質壓力的增大應力腐蝕敏感性略有升高。260℃時，介質壓力的變化對應力腐蝕敏感性的影響明顯增大。
3. 腐蝕形貌與斷口分析
拉斷后的試樣如圖2-5所示。宏觀觀察發(fā)現(xiàn)：0~3號試樣拉斷后，試樣表面光澤，與實驗之前的表面比較，基本相同，觀察不到被腐蝕的痕跡，如圖2-5（a)~(d)所示；4號、5號試樣，試驗后表面呈棕色，氧化嚴重，5號試樣表面還附著有腐蝕產物。
采用掃描電鏡（SEM)對試樣斷口附近圓柱面腐蝕形貌進行觀察。1~3號試樣表面比較光滑，保持原有的金屬色，頸縮比較嚴重，如圖2-6(a)、（c)、（e)所示。4號、5號試樣表面呈棕色，氧化嚴重，斷口頸縮很小，如圖2-6(g)、（i)所示。在1號試樣斷口附近觀察到少量的點蝕坑［圖2-6(b)],而2號試樣側面的點蝕坑數(shù)量明顯增加［圖2-6(d)]。3號試樣斷口附近存在大量的小裂紋，并且裂紋走向基本與拉伸方向垂直［圖2-6(f)].4號、5號試樣斷口附近表面因被氧化而存在大量的凹坑和突起，與4號試樣比較，5號試樣表面的裂紋尺寸明顯增加。與1號、2號試樣和3號試樣相比，4號、5號試樣在拉伸過程中表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征，這說明溫度對應力腐蝕有重要的影響。
25℃、1MPa環(huán)境下的斷口形貌如圖2-7所示。1號試樣斷口為半杯狀形貌，分為剪切唇區(qū)、放射區(qū)和纖維區(qū)，纖維區(qū)中韌窩較多且體積大，試樣以韌性斷裂為主，未發(fā)現(xiàn)二次裂紋，說明在此環(huán)境中S32168不銹鋼的應力腐蝕敏感性較低。
150℃、1.6MPa環(huán)境下的斷口形貌如圖2-8所示。試樣2斷口也包含三個區(qū)，纖維區(qū)面積大，韌窩多，過渡區(qū)有少量臺階，該環(huán)境下仍以韌性斷裂為主，但出現(xiàn)應力腐蝕斷裂的特征，說明在此環(huán)境下試樣的應力腐蝕敏感性升高。
150℃、11MPa環(huán)境下的斷口形貌如圖2-9所示。與2號試樣比較，3號試樣斷口中剪切唇區(qū)的面積減小，在靠近斷口邊緣部位出現(xiàn)準解理斷裂形貌，此時，應力腐蝕敏感性隨操作壓力的升高略有升高。
260℃、4.6MPa環(huán)境下的斷口形貌如圖2-10所示。4號試樣斷口較平整，剪切唇區(qū)面積很小，韌窩少且體積小，斷口外緣呈現(xiàn)出扇形形貌，并存在一定量的腐蝕產物。整個斷口表現(xiàn)出準解理斷裂的特點，應力腐蝕敏感性明顯增強。
260℃、11MPa環(huán)境下的斷口形貌如圖2-11所示。與4號試樣比較，5號樣的斷口不平整，仍表現(xiàn)為脆性斷裂，斷口邊緣存在準解理斷裂區(qū)，并且含有量的二次裂紋，在此環(huán)境下，S32168鋼應力腐蝕敏感性更高。
根據(jù)上述拉伸試驗數(shù)據(jù)、斷口和表面微觀形貌分析，可以確定在1~11MPa壓力范圍和25~150℃溫度范圍內，介質壓力對應力腐蝕敏感性影響較小；在260℃時，介質壓力對應力腐蝕敏感性影響較大。當應力腐蝕敏感性增加時，試樣表面的點蝕數(shù)量增多，裂紋萌生于點蝕坑的現(xiàn)象越來越明顯。分析認為，在相同的應變速率下，當溫度和壓力升高時，金屬溶解速率增加，促進了裂紋的萌生和擴展。
四、溫度和工作壓力對應力腐蝕開裂影響機理
通過上文對試樣微觀斷口的分析得出，隨溫度的升高，S32168不銹鋼應力腐蝕敏感性增加。已有研究表明，S32168不銹鋼在酸性氯離子溶液中的應力腐蝕開裂也是由陽極溶解引起的，而且應力腐蝕裂紋往往起源于點蝕。不銹鋼材料在室溫下形成的氧化膜很薄且具有很強的保護性，但在溫度升高時氧化膜保護性降低。
工作壓力在試樣表面產生的是壓應力，垂直作用于拉伸方向。321不銹鋼在酸性氯離子溶液中的應力腐蝕開裂也是由電化學腐蝕引起的。由于應力狀態(tài)對腐蝕電位的影響并不大，壓應力作用下應力腐蝕的電化學條件仍然具備，則壓應力同樣能引起滑移。金屬發(fā)生塑性變形時陽極電流的動力學方程如下：
由于工作壓力的存在，使試樣表面位錯增加，增大了表面局部塑性變形和金屬中的剩余壓力，進而引起局部陽極電流的增大。陽極電流的增大，加快了局部腐蝕速率，促進了點蝕坑的快速形成。同時，工作壓力增大時，增加了點蝕坑處的應力集中，促使更多的點蝕坑向裂紋發(fā)展，并使裂紋擴展速率加快。根據(jù)裂紋擴展速率與溫度的倒數(shù)的負數(shù)呈自然指數(shù)關系可知，裂紋擴展速率隨著溫度的升高而增加。
五、總結
浙江至德鋼業(yè)有限公司通過慢應變速率試驗方法研究了氯離子環(huán)境下溫度和操作壓力對應力腐蝕的影響。分別分析了不同試驗參數(shù)下拉伸曲線的變化、腐蝕試樣的宏觀形貌和微觀形貌，結果表明，隨著操作壓力和溫度的升高，應力腐蝕敏感性增強；溫度對應力腐蝕敏感性的影響更大。
