GB/T 15970.1-2018: 金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第1部分：试验方法总则
GB/T 15970.1-2018 英文版(www.GB-GBT.cn): Corrosion of metals and alloys -- Stress corrosion testing -- Part 1: General guidance on testing procedures
procedures
1 范围
1.1 GB/T 15970的本部分规定了设计和进行金属应力腐蚀敏感性试验和评定时一般应考虑的事项。1.2 本部分也规定了关于试验方法选择的一般指导原则。
注1:本部分中没有叙述特定试验方法的细节。这些方法在ISO 7539的其他部分中进行叙述。
注2:本部分适用于阴极保护条件。
2 术语和定义下列术语和定义适用于本文件。
2.1应力腐蚀金属腐蚀和由外加或残余应力引起的应变的联合作用过程。
2.2临界应力(对应力腐蚀而言)在特定的试验条件下应力腐蚀萌生和扩展所需的最低应力水平。
2.3临界应力强度因子(对应力腐蚀而言)高于此应力强度因子,应力腐蚀裂纹持续扩展。
注2:应力腐蚀裂纹可能起源于表面或表面缺陷,在低于表面临界应力强度因子的应力水平下以“短裂纹”的形式扩展。但是LEFM不能应用于“短裂纹”条件下,裂纹的扩展需要高于临界应力强度因子的应力水平。
2.4试验环境 供试样暴露的环境,既可以是使用环境,也可以是实验室制备的环境,它可保持恒定或以商定的方式变化。注:特定材料发生应力腐蚀所需的暴露环境常常是特定的(见第6章)。
2.5试验的起始 施加应力或试样暴露到试验环境的时刻,不论两者的施加顺序,以后者为准。
2.6裂纹萌生时间 从试验起始到用某种手段检测到一条裂纹的时间。
2.7失效时间试验起始到失效所消耗的时间。失效的判据是裂纹的首次出现或试样整体分离或某个商定的中间条件。
2.8慢应变速率试验 评价金属应力腐蚀敏感性的试验,通常在代表性的环境中以恒定位移速率拉伸试样至断裂,然后评价其断裂敏感性指数。
2.9断裂应变 慢应变速率试验中通常表示塑性应变至断裂发生时的应变,见ISO 7539-7。
2.10平均裂纹扩展速率 应力腐蚀产生的最大裂纹深度和试验时间之商。
2.11取向 相对于产品(用于制备试样)的某特定方向(即板材的轧制方向)给试样施加拉伸应力的方向。3 背景
3.1 一般认为裂纹是应力腐蚀的结果,但在应力的作用下,也会出现其他的形态,如晶间腐蚀或裂纹扩展。就本部分而言,除液体金属致脆化和剥落腐蚀之外,由腐蚀环境和拉伸应力同时作用而产生的所有现象,包括金属的溶解或进入金属的氢的作用均属本部分的范畴。
3.2 用于评价金属应力腐蚀性能的方法是多样的。在某些情况下,每一种方法具有各自独特的优点。3.3 应力腐蚀的发生,取决于暴露条件和材料的力学性能及微观特征。应力腐蚀敏感与否,需要结合材料与使用工况综合判断。因此,对材料而言没有固定的临界应力强度因子。
3.4 理想情况下,为了确定在给定的应用条件下是否发生应力腐蚀,应在所有可能的服役暴露条件下进行模拟试验。实际上这是困难的,即使可能也很少达到。根据经验建立的一些“标准试验”能对给定特殊应用中可能的服役行为给予合理指导。然而这些实验室“标准试验”仅适合于那些有着经验关系的使用条件。过去对一种合金有用的一个试验,现在某一给定合金通过或没有通过该试验,这一结果可以是有意义或者是没有意义的。如果暴露条件不同,能正确区分给定合金之间行为的某一试验,未必能提供可靠的指导。使用超越经验的标准试验需要有充分的依据。
3.5 在下列条款中应特别注意:应力腐蚀过程可能对暴露或试验条件的很小变化十分敏感。材料用户负责应力腐蚀试验条件的选择。实际上并不意味着本部分叙述的这些试验,在任何给定情况下都是最合适的。在本部分中叙述这些试验的理由是它们使用广泛且对特殊的或普通的设备-环境体系行之有效。负责解释试验结果的权利属于材料用户,且其解释权决不会因本部分的存在而削弱。
3.6 除ISO 7539的各部分涵盖了最广泛的使用方法以外,关于试验细节的选择和结果的解释,还需要考虑更多通用的文件。
4 试验方法的选择
4.1 在做应力腐蚀试验计划前,应决定哪一类型的试验是合适的。这样的决定主要取决于试验目的和所需的信息。某些试验对工厂工程师很有价值并试图尽可能重复服役条件,另一些试验可用来进行失效机理的研究。在前者中,受材料、空间、时间等限制,可采用较简单的试验步骤;相反,在其他情况下,则可能需要采用较复杂的试验步骤。这样,裂纹扩展速率的研究可使用预裂纹试样,而当需要考虑如表面粗糙度影响时,预裂纹试样可能不适用。虽然存在许多复杂技术,但当更精细的技术不能使用时,采用简单试验,在某些情况下证明有很大价值。
4.2 当选择通过/不通过型的试验方法时,重要的是要认识到所选的方法不宜太苛刻,否则会导致原适用于特定使用条件的材料不能用;也不宜太宽容,否则在可能发生快速破坏的场合却允许了该材料的使用。
4.3 应力腐蚀试验目的常常是提供比服役条件更快地获得信息,同时又能预示服役行为。达到目的的最普通的手段有使用较高应力、慢的连续变形、预裂纹试样、比服役环境含更高浓度化学物质的试验环境、提高温度和电化学加速等。然而重要的是要控制这些方法,使其失效机理的细节不发生改变。
4.4 如果重现精确的服役条件太困难的话,则分析应力腐蚀过程,尽可能确定不同阶段起作用的主要因素将是十分有用。然而,所选用的应力腐蚀试验可能仅包含腐蚀机理的一个步骤。
4.5 对于试验方法选择的简单指导参见附录A。
5 加载系统
5.1 概述
5.1.1 无论是光滑试样、缺口试样或预裂纹的试样,可采用下列3种形式加载:
a) 恒应变(见5.2);
b) 恒载荷(见5.3);
c) 慢应变速率(见5.4)。
5.1.2 当采用预裂纹试样时,临界条件以应力强度值KISCC确定,试验也可在恒应力强度条件下进行。了解不同方法的局限性与加载形式的选择同样重要。
5.2 恒应变试验
5.2.1 由于各种形式的弯曲试验属于此范畴,迄今为止恒应变试验是最受欢迎的一类试验。此外,此类试验常可模拟与服役失效有关的应力。
5.2.2 薄板常用弯曲法进行试验,厚板采用拉伸或以C型环形式进行试验。管材和其他圆截面半成品也可用C型环进行试验。
5.2.3 弯曲试验的优点为试样简单,试样和加载夹具加工廉价。试验中试样塑性变形成 U型或采用2点、3点或4点弯曲夹具对试样施加弯曲应力或低于弯曲应力的应力。对于具有离散屈服点的材料,当试验施加的应力高于屈服应力水平时,可采用弹性理论计算应力。更普遍的是,特别是对于耐蚀合金,离散屈服点观察不到,有必要在试样表面附加应变计,直到弯曲试样达到预期的总应变水平(通常高至0.2%塑性应变的最大值)。
5.2.4 管材以C型环或O型环式进行试验,C型环依据开口部位的张开或闭合程度来施加应力,O型环用强制插入适当大于环孔的塞子来施加应力。C型环对厚的产品形式,例如短横切方向上的铝合金也特别适用。
5.2.5 因为初始应力更易表征且弯曲试样应考虑试样厚度方向的应力梯度,因此有时恒应变拉伸试验优于弯曲试验。
5.2.6 无论是弯曲试验还是拉伸试验都应使用束缚框架,框架刚度要足够保证试验过程中保持恒定的位移。
注:因为应力松弛,使用的框架的刚度也可能影响试样开裂的时间,更不用说任何对初始应力水平的影响。
5.2.7 采用由于不均匀变形产生的残余应力内应力试样,可避免使用束缚框架。内应力试样的残余应力可由塑性弯曲(即在薄板或厚板中产生一凸出部分)或由焊接产生。但是这样的试验存在初始应力系统偏差的问题,一般在屈服应力区达到最大值。进而,在使板材凸出或使管子部分压扁而引入残余应力的过程中,反弹可能引起问题。而焊接涉及的结构更改可能使试验难度加大,除非试验是模拟实际情况。
5.2.8 有时恒定总变形试样起初被安放在一台常规试验机上或类似的装置上加载,然后用束缚框架固定住保持它的应变条件。当试验机加载的负荷去除时,试样依靠框架束缚来保持应力,并假定束缚由试验机转移到框架上时,试样的应变保持恒定。可以用应变计来确认试样没有应力松弛。当在高温下进行试验时,应考虑材料性能随温度的变化。
5.2.9 因为材料的蠕变,试样变薄或者裂纹形成时,张开的变形可能发生应力释放。
注1:高温下蠕变松弛很明显,但有些情况中(如双相不锈钢)在室温下蠕变松弛也很明显。试验前宜评估松弛的程度,考虑试验的恒定总应变,认识到在任何短暂蠕变过程中动态塑性应变是其内在特征。
注2:试验结束最好评价试样的厚度变薄情况,以便评估实际应力增加的程度,并说明任何不均匀的厚度减薄。
注3:裂纹张开,应力松弛的程度取决于裂纹形成的数量,即材料-环境敏感性。在某些情况下,应力松弛可能导致试样不会断裂,因此试验后应检查是否存在裂纹,如有裂纹将认定失效。
5.3恒载荷试验
5.3.1 此类试验可更好地模拟由于外加或工作应力引起的应力腐蚀破坏。另外,由于随裂纹扩展驱动力增加,试验比恒应变试验可能更早失效或完全失效(见5.2)。
5.3.2 在截面相当大试样上进行静重加载试验时,通常需要承载能力较大的试验机,可采用压缩弹簧加载。此时应适当选择弹簧的特性,以保证试验过程中所产生的松弛不会显著改变载荷。在拉伸试验机校正中所采用的改进检测环是上述同一类型。从测量校正环的直径变化能够确定加到环内拉伸试样的轴向负荷。
5.3.3 减少加载系统大小的另一手段是减小试样截面,例如采用十分细的丝材。然而,除非能够通过金相分析认定失效是由应力腐蚀断裂造成的,否则截面减小过多将存在风险。这是因为在某些应力腐蚀环境中,由于点蚀或其他形式侵蚀使有效应力增加,当达到金属极限拉伸强度时就发生断裂。采用非常小截面的试样可伴随着其他的危险(见 www.GB-GBT.cn 8.2.2)。
5.3.4 在单独的试验机上,恒载荷下,试样的试验费用可借助于在一台试验机上进行一串试样的试验而降低。该操作方法也可减少试验容器的需要量。一串单轴拉伸试样用简单的加载连杆连结,但该措施更适合于预计不会断裂的场合,因为单一试样的断裂会使其余试样失效。一组更为一致的预裂纹试样,用设计成可使试样逐渐卸载的连杆连接,当裂纹扩展时,避免对其他试样的干扰,而其他方式则无法避免。这种试样链的用户应证明单个试样的开裂不会造成其他试样的无效。
5.3.5 具有锥形长度标距的拉伸试样的采用可在单一试样上提供一系列初始应力。然而应谨慎使用该方法,例如在精确测定临界应力值时。应力梯度是关键,裂纹数目、净截面屈服等因素也会影响试验结果。在“筛选”试验中,采用这种试样更合适,“筛选”试验后再进行更精确的常规试验。
5.3.6 当裂纹扩展时,恒载荷试验存在应力增加的情形,因此,裂纹一旦萌生,与低于临界应力下的恒定总应变试验相比,裂纹停止扩展的可能性更小。
5.4 慢应变速率试验
5.4.1 因为在裂纹萌生和扩展过程中,动态塑性应变是关键因素,慢动态应变的应用对于恒定总应变或恒载荷试验是重要的。的确,在恒应变或恒载荷试验中,局部动态应变在开裂过程中起了重要作用。尽管如此,当认识到过程的机械含义,出于工程目的,依照惯例该方法仍基本用于分类或筛选试验。很少有例外,因为没有基于慢应变速率试验可接受的准则,难以找到服役条件下量化的实际应变速率。慢应变速率方法常用于平板拉伸试样的试验,但也用于预裂纹的试样(见ISO 7539-9确定临界应力强度因子)本质上,本方法是以较慢的应变或变形速率(如 www.GB-GBT.com 10-6s-1)施加于试样,在合适的环境作用下,直到破断发生为止。
5.4.2 本试验方法的早期应用是提供数据,能比较如合金成分、组织或开裂环境中添加的缓蚀剂等变量的作用,对恒载荷或恒定总应变实验室试验中不引起破坏的合金与环境组合体系而言,本试验方法也可促进其应力腐蚀开裂,这样,在某种意义上慢应变速率试验成了较苛刻类型的试验,即在实验室中,其他类型受力的光滑试样没有促进开裂时,慢应变速率试验常促进应力腐蚀破断。
5.4.3 慢应变速率试验的设备是应变速率任选、功率强大、能承受所产生负荷的一种简单装置。该装置由中等刚性的机架和使横梁位移速度范围在10-3mm/s~10-8mm/s之间的一系列减速齿轮的驱动机械组成。横梁位移速率通常被控制为期望给定的名义应变速率。试样采用光滑或预裂纹拉伸试样,但如试样截面大或负荷高时,可采用弯曲试样。注:在使用光滑拉伸试样的大多数试验中,测量的是横梁位移而不是试样的位移。相应地测量的位移包括在载荷槽中加载链上所有特征位移。因此,表面弹性模量与试样无关,但是作为整体依赖于试验系统。同样,试样上的实际弹性应变也是变化的。但是,当发生塑性变形时,位移主要发生在试样上,试验系统敏感性变得不显著。
5.4.4 重要的是要认识到在所有体系中,相同的应变速率不会产生相同的开裂敏感性,而且所选速率必定与研究的特定体系有关。因此,10-6s-1的应变速率常用于筛选试验。在此速率下没有发生应力腐蚀开裂,并不能排除在较低的应变速率下,如 www.ChineseStandard.net 10-8s-1的应力腐蚀开裂的可能性。
6 环境方面
6.1 概述通常认为应力腐蚀开裂是在特定合金与环境组合(如奥氏体不锈钢与氯化物溶液、碳钢与硝酸盐溶液、黄铜和氨水溶液)下发生的。但这类组合随时间延长,在很多环境中,甚至包括高纯水,都观察到材料开裂的实例。尽管如此,重要的是要认识到环境条件微小的变化都是重要的,应在试验过程中密切关注溶液准备的细节和环境参数的控制。环境控制的三个关键特征是温度、溶液化学成分和流速,后者是适合于施加电极电位的体系的一个因素。本部分主要关注的是水环境,暴露于有机溶液或气体环境中的材料也可能发生应力腐蚀开裂。对于后者,气体压力和纯度可能是主要的参数。
6.2 温度众所周知,温度对化学过程有明显影响,反应速度一般随温度升高而增加。许多腐蚀过程也是如此,而且有许多理由可以认为温度的影响更为复杂。温度升高,反应速度相应增加,由于生成保护膜的速度更快,反而腐蚀速率减小。在其他体系中,升高温度可能是引起应力腐蚀的局部腐蚀发生的必要条件,但是温度太高,可能使局部腐蚀的速率提高,以至于不能发生应力腐蚀的转变。同样,温度的升高可能伴随着溶液中溶解氧的降低,也会产生影响。因此,可能存在应力腐蚀的温度窗口,一些温度窗口可能在系统过程中短暂存在,这种情况的出现包括系统“启动”和“停止”或者系统不稳定时(如冷却水失效引起温度瞬时升高)。考虑到上述事项,试验温度应严格控制,且应尽可能选择服役环境期望的温度。如4.3所述,升高温度有时会加速试验进程,这种方法应小心采用。