應(yīng)力腐蝕機(jī)理和基于FEM的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬技術(shù)的研究進(jìn)展

劉春江，姜　濤，劉新靈，何玉懷

（1.北京航空材料研究院，北京100095；2.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；3.材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；4.中航工業(yè)失效分析中心，北京100095）

應(yīng)力腐蝕機(jī)理和基于FEM的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬技術(shù)的研究進(jìn)展

劉春江1，2，3，4，姜濤1，2，3，4，劉新靈1，2，3，4，何玉懷1，2，3，4

（1.北京航空材料研究院，北京100095；2.航空材料檢測與評價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；3.材料檢測與評價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095；4.中航工業(yè)失效分析中心，北京100095）

本研究總結(jié)了應(yīng)力腐蝕研究的5個(gè)經(jīng)典理論:活性通路理論、鈍化膜破壞理論、氫脆理論、腐蝕產(chǎn)物楔入模型和環(huán)境破裂三階段理論。詳細(xì)介紹了最為廣泛接受的鈍化膜破壞理論，在此基礎(chǔ)上，從單一參數(shù)計(jì)算和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬兩個(gè)方面著重介紹了基于有限元方法對應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的研究方法和技術(shù)，單一參數(shù)計(jì)算可以滿足獲取應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型關(guān)鍵參數(shù)，但是將裂紋尖端認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)的假設(shè)存在不合理，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬可以將載荷和環(huán)境因素綜合考慮在內(nèi)，但還仍然不能仿真出裂紋微觀擴(kuò)展現(xiàn)象。研究結(jié)合實(shí)踐總結(jié)提出了應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬的工程技術(shù)方法，討論了有限元技術(shù)在應(yīng)力腐蝕研究方面不能實(shí)現(xiàn)微觀物理過程、時(shí)間相關(guān)性等存在的問題，指出了基于應(yīng)力腐蝕時(shí)間相關(guān)性的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬研究是應(yīng)力腐蝕破壞預(yù)防及預(yù)測研究工作的重點(diǎn)。

應(yīng)力腐蝕裂紋；機(jī)理分析；有限元；裂紋擴(kuò)展

0　引言

自20世紀(jì)初德國齊柏林飛艇的鋁合金構(gòu)件出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕問題后，應(yīng)力腐蝕作為一項(xiàng)科學(xué)研究開始進(jìn)入國內(nèi)外學(xué)者的視線內(nèi)。應(yīng)力腐蝕斷裂是金屬材料在低應(yīng)力水平下的一種早期破壞形式，在一些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件中，應(yīng)力腐蝕損傷的產(chǎn)生和發(fā)展會(huì)造成突發(fā)性的事故，嚴(yán)重威脅著設(shè)備的安全運(yùn)行和人們的生命安全，并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］。據(jù)1970～1981年的統(tǒng)計(jì)資料［2］，海洋平臺(tái)有7%～9%出現(xiàn)事故，其中大多數(shù)是應(yīng)力腐蝕造成的，在航空航天領(lǐng)域［3］、核電領(lǐng)域［4］也出現(xiàn)過不少應(yīng)力腐蝕破壞現(xiàn)象。

隨著問題的深入研究，多年來各學(xué)者發(fā)展了不同的應(yīng)力腐蝕機(jī)理模型，并從交叉學(xué)科的研究角度，將數(shù)值計(jì)算技術(shù)與應(yīng)力腐蝕機(jī)理模型結(jié)合，基于有限元技術(shù)模擬分析應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展過程。

本文總結(jié)了應(yīng)力腐蝕機(jī)理研究方面的經(jīng)典理論，分析討論近些年來國外學(xué)者使用有限元技術(shù)在應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬方面的研究成果，結(jié)合工作實(shí)踐提出應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的工程分析方法，并討論應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬技術(shù)存在的問題。

1　應(yīng)力腐蝕機(jī)理研究總結(jié)

由于金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的因素非常復(fù)雜，涉及材料學(xué)、斷裂力學(xué)、電化學(xué)等多學(xué)科方向，因此對于應(yīng)力腐蝕機(jī)理至今還沒有統(tǒng)一理論，不僅對不同腐蝕體系下的應(yīng)力腐蝕機(jī)理觀點(diǎn)不一，就是對同一體系看法也存在不同［5］，將不同的研究結(jié)果進(jìn)行分析及總結(jié)，可以概括為以下理論:

1）活性通路理論［6］。

該理論以奧氏體不銹鋼為研究對象，認(rèn)為奧氏體不銹鋼敏化以后在晶界上產(chǎn)生碳化鉻析出物，這些析出物成為晶間開裂的“活性通路”，在特定的腐蝕壞境中，如果活性通路與周圍金屬的電位差達(dá)到一定程度，就會(huì)在晶界上沿著活性通路發(fā)生腐蝕，產(chǎn)生開裂，應(yīng)力集中使裂紋尖端的拉應(yīng)力高于材料屈服強(qiáng)度，發(fā)生局部塑性變形，當(dāng)裂紋尖端的拉應(yīng)力高于材料抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生脆性破壞，裂紋擴(kuò)展。材料內(nèi)部的活性通路腐蝕緩慢進(jìn)行，當(dāng)裂紋深入零件內(nèi)部，裂紋長度增加至零件不足以承受外界載荷而發(fā)生斷裂。

2）鈍化膜破壞理論［7-9］。

該理論也是以奧氏體不銹鋼為研究對象，認(rèn)為發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的零件表面覆蓋著厚度由一個(gè)原子層至可見厚度的鈍化膜，當(dāng)外載荷引起零件發(fā)生變形后，引起位于鈍化膜下面的金屬基體出現(xiàn)滑移，使鈍化膜破壞，破鈍化膜破壞處成為活性陽極，與膜未破裂處形成大陰極/小陽極的腐蝕電池，鈍化膜破壞處會(huì)受到擇優(yōu)溶解，隨后又會(huì)形成新的保護(hù)膜，隨“滑移-膜破裂-金屬溶解-再鈍化”這一過程的循環(huán)往復(fù)，裂紋不斷向零件內(nèi)部擴(kuò)展，最終引起零件斷裂。

3）氫脆理論［10］。

該理論認(rèn)為，裂紋尖端為陰極腐蝕處，H+提高，在金屬被腐蝕過程中，電子由基體金屬轉(zhuǎn)移給H+，使H+在裂紋尖端微陰極上被還原，變成吸附H原子并向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，H原子和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)?，使材料脆化，在拉?yīng)力作用下使裂尖區(qū)發(fā)生脆斷，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展。

4）腐蝕產(chǎn)物楔入模型。

Chen等［11］以奧氏體不銹鋼為研究對象，發(fā)現(xiàn)在氯化物溶液中產(chǎn)生的裂紋內(nèi)存在腐蝕產(chǎn)物，這些腐蝕產(chǎn)物是由于腐蝕作用金屬離子進(jìn)入溶液并向陰極流動(dòng)，與陰極附近的OH-結(jié)合形成。氫氧化物不穩(wěn)定，會(huì)分解為含H2O的氧化物而發(fā)生體積膨脹，由于膨脹作用發(fā)生在裂紋尖端，像楔入物對裂紋尖端產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)裂紋尖端的拉應(yīng)力超過材料抗拉強(qiáng)度后，引起裂紋向前擴(kuò)展，當(dāng)裂紋超過一定尺寸后零件發(fā)生斷裂。

5）環(huán)境破裂三階段理論。

左景伊［12］采納各種機(jī)理的合理內(nèi)容，歸納為統(tǒng)一的理論，將材料在環(huán)境中的破裂過程分為3個(gè)階段:①材料表面生成鈍化膜，全面腐蝕率相對非常低；②鈍化膜局部破裂，形成蝕孔或裂紋源；③裂紋內(nèi)環(huán)境發(fā)生了變化，使裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展。

在上述應(yīng)力腐蝕破裂機(jī)理中，為多數(shù)人接受的為鈍化膜破壞理論［13］，可以簡單的歸結(jié)為4個(gè)過程:滑移→膜破→陽極溶解→再鈍化。Parkins［14-15］認(rèn)為應(yīng)力腐蝕的整個(gè)過程是“氧化膜破裂-裸露金屬的膜化”不斷重復(fù)過程，而氧化膜破裂的頻率取決于應(yīng)變速率，不少學(xué)者通過不同的概念對應(yīng)力腐蝕過程進(jìn)行了描述，如Nakayama等［16］使用“滑移溶解-鈍化”模型，Andresen［17］提出“膜破裂-滑移溶解”模型，F(xiàn)ord［18］提出“滑移-氧化”機(jī)制，Raja等［19］提出“新膜破裂和再鈍化”模型。

對于“滑移-溶解”理論，機(jī)械負(fù)荷引起應(yīng)變集中的表面破壞，裸露出金屬基體，然后鈍化，恢復(fù)破裂的氧化膜，因此，加載和鈍化決定了裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)變和局部溶解，而激活的載荷是裂紋連續(xù)擴(kuò)展的一個(gè)重要的先決條件，是“破裂—形膜”相互作用關(guān)鍵影響因素［20-21］。

2　應(yīng)力腐蝕的有限元模擬研究情況

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元技術(shù)在應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬方面的應(yīng)用越來越廣泛，主要集中于兩方面的研究:確定基于斷裂力學(xué)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型中的單一參數(shù)（應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分和裂紋張開位移等）；直接基于“陽極溶解-膜破裂”理論進(jìn)行的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬分析。

國際核電領(lǐng)域?qū)W者對金屬材料在輕水堆（輕水反應(yīng)堆是以水和汽水混合物作為冷卻劑和慢化劑的反應(yīng)堆）高溫水中的應(yīng)力腐蝕進(jìn)行了深入研究，基于陽極溶解-膜破裂理論，建立了應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的兩個(gè)重要的定量模型，即建立在法拉第定律基礎(chǔ)上的Ford-Andresen模型和建立在法拉第定律及斷裂力學(xué)裂紋尖端應(yīng)變速率基礎(chǔ)上的Shoji模型［22］，應(yīng)力腐蝕預(yù)測模型均要先獲得裂紋尖端應(yīng)變速率，而應(yīng)力強(qiáng)度因子變化率（K 或ΔKΔt）是確定裂紋尖端應(yīng)變速率的首要條件，Satoh等人［23］采用慢拉伸加載試驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)力釋放技術(shù)（以屈服強(qiáng)度為判據(jù)）的裂紋擴(kuò)展模擬方法，通過計(jì)算不同時(shí)刻應(yīng)力強(qiáng)度因子值（K），獲得K 即ΔKΔt，進(jìn)一步獲得裂紋尖端應(yīng)變率，在假設(shè)膜破裂臨界應(yīng)變基礎(chǔ)上獲得理論模型的裂紋擴(kuò)展速率與ΔKΔt之間的關(guān)系；另一方面通過有限元對裂紋擴(kuò)展的模擬，獲得的裂紋擴(kuò)展速率與ΔKΔt的關(guān)系，可以反推出膜破裂應(yīng)變，并把假設(shè)值和反推值進(jìn)行比較研究。Xue［24］等基于彈塑性有限元方法研究了過載對應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的影響，在輕水反應(yīng)堆環(huán)境中純拉伸載荷過載條件下，通過對雙懸臂試樣裂紋在靜止和擴(kuò)展兩種狀態(tài)下裂紋尖端殘余塑性應(yīng)變的模擬和分析研究，獲得不銹鋼或鎳基合金應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的影響機(jī)制，擴(kuò)展裂紋尖端殘余塑性增加了整體的塑性應(yīng)變，但降低了塑性應(yīng)變率，由于塑性應(yīng)變率是應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的主要驅(qū)動(dòng)力，在有大拉伸過載引起的塑性區(qū)中，塑性應(yīng)變率下降時(shí)，裂紋擴(kuò)展速率也下降，研究結(jié)果說明過載效應(yīng)對裂紋擴(kuò)展速率延緩的影響程度與拉伸載荷的過載水平有關(guān)。

而直接基于“陽極溶解-膜破裂”理論進(jìn)行的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬分析，其理論基礎(chǔ)——“陽極溶解-膜破裂”理論的簡單描述為:在腐蝕體表面形成氧化膜之后，氧化膜阻止了后續(xù)的腐蝕作用，在載荷的作用下氧化膜破裂，所以這類研究的腐蝕模型是以表面或裂紋尖端的應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)，而不是應(yīng)變率。

Jivkov［25］指出前面提到的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型中把裂紋尖端當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)的處理是不妥的，與應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的形狀相差甚遠(yuǎn)，而且僅用應(yīng)力強(qiáng)度因子、J積分、裂紋尖端張開位移等參數(shù)，只能描述裂紋尖端區(qū)域特點(diǎn)，由這些參數(shù)控制的應(yīng)力、應(yīng)變就難以將環(huán)境與力的相互作用考慮在內(nèi)，因此，研究者避開這一缺陷，建立應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模型，提出了基于有限元技術(shù)的邊界移動(dòng)方法來模擬由于化學(xué)作用引起的材料腐蝕現(xiàn)象，在這個(gè)模型中不需要裂紋擴(kuò)展判據(jù)、路徑判據(jù)的選擇等問題，對腐蝕裂紋的形核和生長進(jìn)行研究［26-27］，將每一次的裂紋擴(kuò)展過程分為氧化膜的“破裂-溶解-鈍化”過程，并循環(huán)往復(fù)，裂紋擴(kuò)展的過程也呈連續(xù)狀態(tài)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂紋的萌生和擴(kuò)展與初始缺陷尺寸無關(guān)，裂紋擴(kuò)展過程中分為裂紋緩慢擴(kuò)展和穩(wěn)定擴(kuò)展兩個(gè)階段，且穩(wěn)定擴(kuò)展階段的擴(kuò)展速率與初始缺陷尺寸無關(guān)［28］。

Bjerkén等［29］使用自適應(yīng)有限元程序，研究了混合載荷作用下的腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展過程，通過一定的腐蝕原則，對應(yīng)變驅(qū)動(dòng)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展過程進(jìn)行模擬，研究結(jié)果表明，在混合載荷作用下的裂紋擴(kuò)展路徑和扭轉(zhuǎn)角與將裂紋尖端假設(shè)為一個(gè)點(diǎn)的裂紋擴(kuò)展結(jié)果吻合度較好，并指出了其局限性為模擬裂紋的寬度對網(wǎng)格尺寸的依賴性很大。

也有不少學(xué)者基于有限元技術(shù)在應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的其他方面進(jìn)行研究。Jivkov等［30-31］嘗試使用2D和3D有限元方法模擬晶間應(yīng)力腐蝕開裂的力學(xué)效應(yīng)，2D模型中采用了以六邊形排列的梁單元模擬介觀尺度的晶界，并對晶界的失效應(yīng)變進(jìn)行假定:對于不能抵抗裂紋擴(kuò)展的晶界，認(rèn)為其失效應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的0.1倍，對于能夠抵抗裂紋擴(kuò)展的晶界，認(rèn)為其失效應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的10倍，根據(jù)這個(gè)假設(shè)預(yù)測裂紋擴(kuò)展，研究結(jié)果表明晶界對裂紋擴(kuò)展有阻滯效應(yīng)，并特別指出使用有限元法模擬包含化學(xué)作用的腐蝕過程是可能的。Oltra等［32］從微觀結(jié)構(gòu)層次上，針對316L不銹鋼和雙相不銹鋼兩種材料，研究了應(yīng)力對蝕坑產(chǎn)生和生長的影響作用，結(jié)果表明，通過有限元方法可以確定一個(gè)參數(shù)，用來表示亞穩(wěn)蝕坑和穩(wěn)定蝕坑的應(yīng)力梯度，進(jìn)而分析不同應(yīng)力梯度下的蝕坑變化過程。

Wenman等［33］基于ABAQUS軟件中的單元生死技術(shù)，研究不銹鋼的Cl-誘導(dǎo)穿晶腐蝕裂紋擴(kuò)展。用點(diǎn)蝕形成和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段模擬腐蝕過程:試樣表面的點(diǎn)蝕是通過隨機(jī)選擇和局部塑性變形的聯(lián)合作用產(chǎn)生，裂紋在從點(diǎn)蝕的底部產(chǎn)生，并通過對比模擬結(jié)果的裂紋網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際試樣中的裂紋網(wǎng)絡(luò)的近似程度，來篩選模擬參數(shù)，但是這樣選擇出來的參數(shù)，特別是選擇殺死單元的概率相對比較主觀，沒有明確的物理意義。Turnbull等［34］指出Wenman模型不準(zhǔn)確，難以與試驗(yàn)結(jié)果吻合，他采用非連續(xù)的模型描述點(diǎn)蝕生長和點(diǎn)蝕-裂紋轉(zhuǎn)變的過程，基于ABAQUS軟件預(yù)先建立不同尺寸點(diǎn)蝕的模型，分步去除材料模擬點(diǎn)蝕尺寸的增加，分析在不同階段點(diǎn)蝕周圍應(yīng)力應(yīng)變分布情況，提出了動(dòng)態(tài)塑性應(yīng)變的新概念，并用其解釋點(diǎn)蝕-裂紋轉(zhuǎn)變和局部腐蝕裂紋產(chǎn)生的原因。

3　基于FEM的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展分析工程方法

本研究結(jié)合分析前人研究成果和自身實(shí)踐的基礎(chǔ)上，基于應(yīng)力腐蝕破裂機(jī)理研究和應(yīng)力腐蝕的有限元模擬技術(shù)，總結(jié)了簡單實(shí)用的基于有限元技術(shù)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬的工程分析方法:首先基于應(yīng)力腐蝕破裂機(jī)理，建立數(shù)學(xué)物理模型，其次，獲取數(shù)學(xué)物理模型中的關(guān)鍵參數(shù)，最后編制有限元程序?qū)崿F(xiàn)腐蝕過程和裂紋擴(kuò)展過程。

3.1“鈍化膜破裂”理論的數(shù)學(xué)物理模型

根據(jù)前面應(yīng)力腐蝕機(jī)理介紹，最為廣泛接受的為鈍化膜破壞理論，可以簡單的歸結(jié)為3個(gè)過程:膜破-溶解-再鈍化，即:在腐蝕初期假設(shè)表面被一層鈍化膜覆蓋，阻止了表面金屬溶解和形貌的演化，氧化膜在拉伸到一個(gè)特征應(yīng)變水平（氧化膜破裂臨界應(yīng)變，εf）之前，與基體有相同的力學(xué)性能，且氧化膜是脆性的；圖1是氧化膜覆蓋的固體表面的切面示意圖，dS和ds分別是變形前后的一個(gè)有差別的表面單元的長度，這個(gè)變形可以通過測量平行于表面的應(yīng)變獲得，ε=ds-dS；在加載時(shí)，氧化膜與基體一起變形，如果一些表面區(qū)域（點(diǎn)）達(dá)到臨界應(yīng)變（εf），這些區(qū)域的氧化膜破裂，在對應(yīng)的氧化膜碎片形成一些裂隙，裸露出金屬基體，之后氧化膜碎片應(yīng)力松弛；沒有保護(hù)層的裂隙與腐蝕環(huán)境介質(zhì)接觸，金屬充分溶解，部分腐蝕面向前推進(jìn)。溶解過程的速率取決于同時(shí)進(jìn)行的鈍化過程，在一段時(shí)間之后，破裂的氧化膜恢復(fù)到完整氧化膜的特性，中斷激活的金屬溶解過程。

圖1　應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的“應(yīng)變-膜破裂”模型Fig.1　“Strain-film rupture”model of stress corrosion crack propagation

3.2模型中關(guān)鍵參數(shù)的獲取——膜破裂臨界應(yīng)變

在膜破裂臨界應(yīng)變方面，國外學(xué)者Vermilyea［35］對Al2O3的斷裂應(yīng)變進(jìn)行了總結(jié)，取其平均值約為0.002，在進(jìn)行應(yīng)力腐蝕研究中假定大部分氧化物的斷裂應(yīng)變是基本一致的，也有學(xué)者將膜破裂臨界應(yīng)變值假定為0.001進(jìn)行研究；另外，通過慢拉伸試驗(yàn)可以獲得具體模擬材料的膜破裂臨界應(yīng)變［36］，具體操作過程為，將試樣局部浸泡在腐蝕溶液中，使試樣表面存在全面的鈍化膜，再進(jìn)行慢拉伸試驗(yàn)并同時(shí)測量膜阻抗與拉伸應(yīng)變的關(guān)系，獲取第一次阻抗降低時(shí)的應(yīng)變即為膜破裂臨界應(yīng)變值。

3.3編程實(shí)現(xiàn)裂紋模擬過程

此步驟需要一定的編程能力，也可以借助有限元軟件自帶方法（如ANSYS的APDL命令流）。編程過程中的技術(shù)關(guān)鍵為確定裂紋尖端大于膜破裂臨界應(yīng)變的區(qū)域，即為發(fā)生腐蝕的區(qū)域，由于腐蝕掉的金屬不再承受載荷作用，在數(shù)學(xué)中可以認(rèn)為是沒有剛度的，而有限元中的“單元生死”技術(shù)可以將部分單元?dú)⑺溃?7］，實(shí)現(xiàn)腐蝕作用效果，裂紋尖端向前推進(jìn)（圖2），通過編制循環(huán)程序，實(shí)現(xiàn)圖1描述過程的循環(huán)往復(fù)，即完成應(yīng)力腐蝕裂紋的連續(xù)擴(kuò)展。

圖2　腐蝕過程實(shí)現(xiàn)Fig.2　Realization of corrosion process

4　結(jié)束語

本研究討論并總結(jié)了不同學(xué)者在應(yīng)力腐蝕機(jī)理研究方面的5個(gè)經(jīng)典理論，詳細(xì)介紹了最為廣泛接受的“滑移-溶解”理論。從單一參數(shù)計(jì)算和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬兩個(gè)方面分析了有限元技術(shù)在應(yīng)力腐蝕方面取得的研究成果，并結(jié)合實(shí)踐提出了簡單、實(shí)用的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬的工程技術(shù)方法。

對于單一參數(shù)計(jì)算，可以為基于斷裂力學(xué)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展預(yù)測模型提供參數(shù)計(jì)算手段，但將應(yīng)力腐蝕裂紋尖端看作一個(gè)點(diǎn)，與應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的實(shí)際形狀相差甚遠(yuǎn)，且不能考慮環(huán)境與力的相互作用，因此存在的較大誤差；基于有限元技術(shù)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬技術(shù)以應(yīng)力腐蝕機(jī)理中的“滑移-溶解”理論為基礎(chǔ)，將載荷和環(huán)境因素綜合考慮在內(nèi)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展過程的模擬，是研究應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的新的有效方法，但是，此技術(shù)現(xiàn)有能力還不能綜合仿真出裂紋的沿晶擴(kuò)展和分叉等微觀現(xiàn)象，需再進(jìn)一步深入研究，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展路徑的微觀模擬過程。

應(yīng)力腐蝕研究的最終目標(biāo)是預(yù)防應(yīng)力腐蝕破壞、引發(fā)事故，基于有限元技術(shù)的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬技術(shù)雖然是應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的新的方法，但其尚未有研究涉及應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展與應(yīng)力腐蝕時(shí)間之間關(guān)系的研究，還未能作為應(yīng)力腐蝕破壞預(yù)防研究的一種有效手段，因此，基于應(yīng)力腐蝕時(shí)間相關(guān)性的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展模擬研究是進(jìn)一步研究工作的著力點(diǎn)。

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Research Progress of Stress Corrosion Mechanism and SCC Propagation Based on FEM

LIU Chun-jiang1，2，3，4，JIANG Tao1，2，3，4，LIU Xin-ling1，2，3，4，HE Yu-huai1，2，3，4
（1.Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China；2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation，Beijing 100095，China；3.AVIC Failure Analysis Center，Beijing 100095，China；4.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aeronautical Materials Testing andEvaluation，Beijing 100095，China）

Five classical theories on stress corrosion mechanism，which are activity path theory，passivation film rupture theory，hydrogen embrittlement theory，corrosion products wedge model and environmental cracking three-stage theory，were summarized，and among them the wideliest-accepted passivation film rupture theory was discussed in detail.Based on this，the research methods and techniques of stress corrosion propagation based on finite element method（FEM）were introduced from the following two aspects:single parameter computation and stress corrosion crack propagation simulation.Single parameter computation could obtain the key parameters of the stress corrosion crack propagation prediction model，but the hypothesis that the crack tip is a point was unreasonable.The stress corrosion crack growth simulation could take load and environmental corrosion factors into account，but it could not simulate the microscopic cracking phenomenon.In addition，a technical method for stress corrosion crack simulation was put forward based on engineering practice.Finally，the problems of FEM for stress corrosion research were discussed.For example，it cannot realize microphysical processes and time relationship.It is assumed that stress corrosion crack simulation based on stress corrosion time will be emphasized in the field of stress corrosion damage prediction of prevention in the future.

stress corrosion crack（SCC）；mechanism research；FEM；crack propagation

O346.22

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.02.010

1673-6214（2016）02-0111-06

2016年1月5日

2016年3月28日

劉春江（1987年-），男，碩士，工程師，主要從事失效分析仿真計(jì)算等方面的研究。