应力腐蚀开裂和残余应力

应力腐蚀开裂(SCC)，也称为环境促进开裂，某些情况下在高温应用中称为应力促进沿晶氧化(SAGBO)，是电力工业、工艺工业、纸浆厂、贮存容器甚至飞机结构发生潜在故障的主要原因。高于材料SCC阈值的持续拉伸应力(由残余应力和施加应力叠加产生)是腐蚀开裂的主要原因(见图1)；另外两个因素是易受腐蚀的材料和环境，通常对材料只有轻微的腐蚀性。SCC的特征是选择性晶间腐蚀，导致多个裂纹并最终引发扩展。

图1：发生SCC所需的协同效应

SCC问题有几种潜在解决方案。首先也是最显著的解决方案是改变环境，但这几乎是无法实现的。原则上，添加涂层可以通过将材料与环境隔离破坏SCC协同效应，但这通常不可行或者只是短期解决方案，主要原因是涂层会随着时间的推移发生磨损或降解。另一种有效解决方案是将材料更换为对SCC不太敏感的材料，但这种方案通常成本高昂或不切实际。热应力消除有助于将拉伸残余应力降低至低于SCC阈值的水平；但如果加热接近退火温度(这是有效消除组件应力的必要条件)，热处理本身可能会对所需材料的机械性能造成负面影响。因此，在多数情况下，热处理只是最终解决方案的一部分。在某些特殊情况下，热处理可以zui大限度地降低某些材料对SCC的敏感性，但这种方法并不适用于所有材料。然而，对于单独施加的拉伸应力接近或超过SCC阈值的应用，热应力消除不足以克服持续使用中载荷的影响。因此，腐蚀工程师已经认识到，在多数情况下，SCC问题的wei一有效解决方案是引入残余压应力。

图2：在海水中测试的Ck-45的残余应力与深度曲线以及弯曲疲劳S-N曲线。

[参考J.E. Hack和G.R. Leverant,“疲劳中的残余应力效应”，STP 776，ASTM，1982，第204页]

有多种应力管理方法可用于将残余压应力传递到组件：喷丸、滚压、膨胀及其改型工艺等等。部分改型工艺中通常在制造时加以应用(如抛喷丸强化、激光冲击强化、滚压等)，而其他改型工艺可以在现场应用于在用组件上(如超声波冲击处理、旋片抛丸、开套筒冷胀等)。如果施加的残余压应力大到足以克服持续使用中施加的应力且达到低于SCC阈值的水平，则能够有效破坏SCC协同效应。

图3：开套筒冷胀工艺对紧固件孔的影响

残余应力测量方法(包括X射线衍射)可用于表征可能对SCC敏感的组件在投入使用前或之后的应力状态。对应力管理方法的有效性进行定量验证对于确保引入足够量级的残余压应力至关重要，有助于克服任何使用中施加的应力，同时维持低于SCC的阈值。在图2所示数据的情况下，通过XRD获得的残余应力测量结果用于比较研磨和抛喷丸强化工艺对组件投入使用前表面和亚表面残余应力状态的影响。组件投入使用后，也可以评估既定压力管理方法的效果。对于铝合金结构中的紧固件孔，仅使用XRD测量了钻孔和铰孔与钻孔、铰孔和开套筒冷胀工艺的效果(见图3)。可以看出，开套筒冷胀工艺在孔缘处(最容易失效的高应力位置)引入了残余压应力，从图1的Venn图中消除了RS。一旦SCC三角协同效应被打破，组件对SCC的敏感性可以显著降低或完全消除，从而提高使用寿命和可靠性。