（流体机械及工程专业论文）34crmo4钢在湿硫化氢介质环境下的应力腐蚀试验研究.pdf

浙江_ 丁业大学硕 ：学位论文 3 4 c r m 0 4 钢在湿硫化氢环境下的应力腐蚀试验研究 摘要 国内外针对湿硫化氧环境下的应力腐蚀问题，已经有了广泛的，深入性的研究。但 对于车用天然气气瓶常用材料3 4 c r m 0 4 钢材在湿硫化氢环境卜的应力腐蚀试验研究则 比较少。考虑到车用天然气气瓶工作压力大、工作环境恶劣、事故危害性大，并且传统 试验方法试验周期较长等问题，本文采用新型动态应力腐蚀试验机对3 4 c r m 0 4 钢c t 试 样在湿硫化氢环境下的试验加载速率、应力腐蚀敏感性、k i s c c 和d a d t 等问题进行了相 关的应力腐蚀试验研究。 本文主要结论如下： ( 1 ) 当试样几何参数在0 6 2 _ a u 1 0 5 ，0 3 9 5 _ a w 0 6 7 之间时，3 4 c r m 0 4 高强钢c t 试样的应力腐蚀位移速率有效范围在1 f f s 一1 0 a m m s 之间，在此范围内可对应力腐蚀敏感 性、d a d t 和k i s c c 进行研究。 ( 2 ) 3 4 c r m 0 4 钢在2 0 0 p p m 与2 0 0 0 p p m 湿h 2 s 环境下具有较明显的应力腐蚀倾向。 ( 3 ) 3 4 c r m 0 4 钢c t 试样在2 0 0 p p m 与2 0 0 0 p p m 湿h 2 s 环境下k i s c c 值分别为1 9 4 1 8 m p a m o 5 与11 5 9 6m p a m o 一。 关键词：应力腐蚀，3 4 c r m 0 4 钢，硫化氢，c t 试样 3 4 c r m 0 4 钢在湿硫化氢介质环境下的应力腐蚀试验研究 t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fs t i 之e s sc o r r o s i o n f o r3 4 c r m 0 4s t e e li nw e t h 2 se n v i r o n m e n t a bs t r a c t t h es t r e s sc o r r o s i o np r o b l e m so ns t r e s sc o r r o s i o ni nw e th y d r o g e ns u l f i d ee n v i r o n m e n t o ft h ew o r dh a db e e ne x t e n s i v e ，i n d e p t hs t u d i e d h o w e v e r , t h er e s e a r c ho n3 4 c r m 0 4s t e e lf o r v e h i c l eg a sc y l i n d e r sw a sr e l a t i v e l ys m a l l t h eh i g hw o r k i n gp r e s s u r eo fv e h i c l en a t u r a lg a s c y l i n d e r ，p o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s ，g r e a th a r mo fa c c i d e n t s ，al o n g e rp e r i o do ft h et r a d i t i o n a l e x p e r i m e n t sa n do t h e ri s s u e sw e r et a k e ni n t oa c c o u n t i nt h i sp a p e r , l o a d i n gr a t e s ，s t r e s s c o r r o s i o ns u s c e p t i b i l i t y , k l s c c ，d a d ta n do t h e ri s s u e sf o r3 4 c r m 0 4s t e e lc ts p e c i m e n si nw e t h y d r o g e ns u l f i d ee n v i r o n m e n tw e r er e s e a r c h e db yt h en e wd y n a m i cs t r e s sc o r r o s i o nt e s t i n g m a c h i n e t h em a i nr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s t r e s sc o r r o s i o ns u s c e p t i b i l i t y , k i s c ca n dd a d tc a l lb ei n v e s t i g a t e dw h e ns p e c i m e n g e o m e t r i cp a r a m e t e r si nt h er a n g eo f0 6 2 _ a u _ 1 0 5 ，0 3 9 5 _ a w _ 0 4 5 m p a ， h 2 s 的分压2 0 0 0 0 3 m p a 。 ( 2 ) 多相原油或酸性原油。当介质为是两相或三相原油时，判定的条件为：a 气 相的总压1 8 3m p a ，h 2 s 的分压0 0 0 0 3m p a ：b 当气相的压力s 1 8 3m p a ，h ：s 的分压0 0 7 m p a ，或气相h 2 s 的含量超过1 5 。 1 5 2 湿硫化氢环境的试验方法研究现状 ( 1 ) 慢应变速率拉伸腐蚀试验 卢志明通过慢拉伸应力腐蚀试验，研究了1 6 m n r 钢在含h 2 s 介质中的应力腐 蚀行为，采用均匀设计方法分析了h 2 s 含量、c 含量、温度和p h 值等参量对1 6 m n r 钢应力腐蚀敏感指数的影响，并对试件微观断口形貌进行了扫描电镜分析【2 0 1 。 刘富胜等通过慢应变速率法( s s r t ) 应力腐蚀试验，研究了1 6 m n r 钢的h 2 s 应 力腐蚀敏感性，修正了计算应力腐蚀敏感性指数的方程。结果表明，水溶液中p h 值对1 6 m n r 钢的应力腐蚀影响较大【2 。 夏翔鸣采用外加极化电位、慢应变拉伸、电化学极化等相关方法对2 0 钢在湿 h 2 s 环境下进行了相关的应力腐蚀试验研究。研究结果表明，2 0 钢在湿h 2 s 环境 1 2 浙江t 业大学硕士学位论文 下具有较高的应力腐蚀敏感性：阳极和阴极极化都可在一定程度上降低2 0 钢在湿 h 2 s 环境下的应力腐蚀开裂敏感性【2 2 1 。 毕凤琴等采用均匀设计方法，通过改变h 2 s 浓度、c l 浓度、p h 值和温度等溶 液介质参数，对x 7 0 管线钢在湿h 2 s 环境中进行慢应变速率拉伸应力腐蚀试验。 研究各参数对x 7 0 管线钢应力腐蚀开裂的影响规律，通过扫描电镜分析试样断口 的微观形貌，确定其应力腐蚀敏感性，并根据试验结果计算在各试验环境下的应 力腐蚀敏感性指数，运用回归分析软件，建立x 7 0 管线钢应力腐蚀敏感指数与试 验介质参数之间关系的交瓦型数学模型【2 3 】。 刘智勇等用慢应变速率拉伸实验和u 形试样浸泡实验、电化学极化技术并结 合微观分析手段。在湿硫化氢介质中研究了3 5 c r m o 和o o c r l3 n i 5 m o 两种钢的应 力腐蚀歼裂行为规律。 结果表明在p h 4 5 的溶液中，0 0 c r l 3 n i 5 m o 耐h 2 s 环境 s c c 的性能明显提高，高于3 5 c r m o ，这主要是凶为0 0 c r l 3 n i 5 m o 中的时蚀合金 元素增强了其钝化膜的稳定性、降低了氢脆作用所致【2 引。 z h e n gc b 等通过慢应变速率拉伸实验研究了x 5 6 钢在含h 2 s 气体中的应力腐 蚀敏感性。结果表明：在相同的试验环境下，断裂延伸率随着应变速率的降低而 降低。在相同的应变速率情况下，断裂延伸率随着h 2 s 的浓度升高而降低。随着 h 2 s 含量的增大，第一干湿循环氢渗透电流并不单调增大，h 2 s 对氢渗透电流的作 用由h 2 s 的表面覆盖度和腐蚀产物膜来共同控制。从多个干湿循环来看，h 2 s 可 增大氢渗透电流，材料的渗氢加剧，脆性增大【2 5 l 。 t s a y ，等通过慢应变速率拉伸实验研究了p h l 3 8 m o 不锈钢在饱和硫化氢溶液 中的氢脆的缺口抗拉强度( n t s ) 与断裂特性。经研究发现，在温度为5 9 3 摄氏度， 氢扩散与氢通量较低的情况下比温度为5 3 8 摄氏度时，具有更高的硫化氢溶解度。 试验在5 9 3 摄氏度时抗拉强度损失较少，氢在晶粒边界的聚集比较严重f 2 6 1 。 l i uz y 等用u 形弯试样浸泡和慢应变速率拉伸实验研究了3 c r l 7 n i 7 m 0 2 s i n 和0 0 c r 2 2 n i 5 m 0 3 n ( 2 2 0 5 ) 不锈钢在硫化氢介质中的应力腐蚀开裂( s c c ) 行为。2 2 0 5 不锈钢的s c c 萌生孕育期较长。3 c r l 烈i 7 m 0 2 s i n 的s c c 孕育期均低于2 2 0 5 不 锈钢，在p h 小于4 5 ，h 2 s 的质量浓度大于1 0 3 m g l 。1 的h 2 s 介质中均具有明显的 s c c 敏感性，其s c c 敏感性受p h 值和h 2 s 含量变化影响较小。3 c r l7 n i 7 m 0 2 s i n 的s c c 以沿晶裂纹萌生，扩展后转变为穿晶应力腐蚀开裂；2 2 0 5 不锈钢近表面处 第l 章绪论 首先发生奥氏体铁素体相间氢致开裂，并促进s c c 萌生，其s c c 为穿晶应力腐 蚀开裂【2 7 1 。 ( 2 ) 楔形张开加载恒位移实验 王炳英等采用楔形张开试样对x 8 0 钢焊接接头在湿硫化氢环境下进行了相关 的恒位移试验，并对裂纹扩展速率d a d t 与应力强度因子k i s c c 进行了相关研究。 试验结果表明，热影响区处的的k i s c c 最小，而d a d t 值最大，说明热影响区抗应 力腐蚀开裂的能力较差【2 8 】。 董月香针对石油化工生产装置可能出现的h 2 s c 0 2 h 2 0 ，h 2 s c 0 3 2 - h 2 0 等 腐蚀类型，采用楔形张开加载预裂纹试验，研究了1 6 m n r 钢在碳酸盐和硫化氧复 杂环境中的应力腐蚀裂纹扩展行为2 9 1 。 孙新阁等采用楔形张开加载恒位移实验研究了x 6 5 管线钢在h 2 s 溶液中的应 力腐蚀开裂行为，并得出了x 6 5 管线钢母材、焊缝和热影响区的临界应力强度因 子与平台处的裂纹扩展速率。研究结果还表明，焊缝比母材具有更高的应力腐蚀 敏感性3 们。 ( 3 ) 其他方法 奚运涛等用三点弯曲加载法，对国产x 8 0 管线钢及其焊接接头在h 2 s 环境下 的应力腐蚀开裂行为进行了相关研究。结果表明，热影响区应力腐蚀敏感性最高， 主要原因为热影响区组织结构的不均匀，易引起局部腐蚀。母材的纵向和横向取 样在h 2 s 环境下应力腐蚀敏感性较低，说明薄壁管材比厚壁管材在h 2 s 环境的应 力腐蚀抗力更高【3 1 1 。 崔海伟等采用n a c e 三点弯曲法和n a c es t a n d a r dt m0 2 8 4 2 0 0 3 氢致开裂标 准实验方法，通过s e m 、t e m 、e d s 等手段研究了鞍钢生产的x 7 0 级管线钢的硫 化物应力腐蚀开裂( s s c c ) 和氢致开裂( h i c ) 行为。研究表明，鞍钢生产的x 7 0 级管 线钢具有较好的抗s s c c & h i c 性能；以均匀细小的针状铁素体为主的显微组织具 有优良的抗s s c c & h i c 性能；针状铁素体内高密度缠结的位错和碳氮化物在位错 网络上的沉淀析出是针状铁素体钢具有优良的抗s s c c & h i c 性能的主要原副3 2 1 。 李明等区分溶液h 2 s 和薄液h 2 s 腐蚀的基础上，加强湿h 2 s 环境下腐蚀机理、 高温高压湿h 2 s 条件下的腐蚀开裂行为和机理、阳极溶解和h i c 的相互关系的研 究；发展和规范湿h 2 s 环境下设备腐蚀破坏的检测方法和相关的工业标准，开展 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 h 2 s 环境下寿命预测和安全评估技术工作；完善室内模拟湿h 2 s 环境下腐蚀实验 技术【3 3 1 。 r o g e r i oa u g u s t oc a m e i r o 等人研究了低c m n - n b - m oa p i 管线钢的化学组成和 微观组织对其在湿h 2 s 环境下的抗h i c 和s c c 的影响。结果表明贝氏体和马氏体组 织具有较强的抗h i c 和s c c 能力，在一般的标准化的钢材中，珠光体和铁素体对 s c c 具有较大的敏感性【3 4 】。 1 5 3 关于气瓶应力腐蚀研究现状 白铁钧从超高强度钢应力腐蚀门槛值的测试方法入手，通过试验研究分析了 过载技术对改善超高强度钢应力腐蚀性能的重要作用。过载可改善裂纹体的应力 腐蚀行为，将多次过载技术应用于航天气瓶超高强度钢上，能够较一次过载更为 有效地改善应力腐蚀性能，过载次数存在最佳值，且此最佳值与过载大小有关3 5 i 。 张亦良等采用中等质量分数硫化氢溶液以6 7 1 a h z 的超低周频率进行试验，符 合实际工况条件，综合考虑了应力腐蚀下的极限裂纹尺寸、腐蚀疲劳环境中的裂 纹扩展量、实验数据的随机性与可靠度、不同检验周期的实用性，适合于工程应 用【3 6 1 。 陕小平等对4 1 3 0 x 气瓶钢在中高浓度的湿硫化氢环境下的应力腐蚀试验进行 了相关研究。并由应力腐蚀临界应力强度因子，分析得出了4 1 3 0 x 气瓶钢在中高浓 度的湿硫化氢环境下临界裂纹尺寸1 3 7 1 。 姜勇等用金相法扫描电镜、x 射线衍射等手段，对事故后的高压消防气瓶的腐 蚀产物、材质、断口形貌、等进行了分析。结果表明：爆炸原因主要是，由于瓶 壁靠近底部的地方发生了较严重的二氧化碳水溶液下的应力腐蚀所致【3 钔。 刘智勇等用慢应变速率拉伸实验和u 形试样浸泡实验、电化学极化技术并结合 微观分析手段，在湿硫化氢介质中研究了3 5 c r l 订。和o o c r l 3 n i 5 m o 两种钢的应力 腐蚀开裂行为规律。结果表明，3 5 c r m o 和0 0 c r l 3 n i 5 m o 钢在实验条件下均具有 一定应力腐蚀开裂( s c c ) 敏感性，其敏感性随着溶液p h 的降低和h 2 s 浓度的增大而 增大【3 9 1 。 白铁钧等对超高强度钢提出在正火热处理后即开始预制疲劳裂纹，然后再进 行淬火和回火，以达到材料最终性能的方法，测定超高强度钢3 7 s i m n c r n i m o v 钢 第1 章绪论 的( 条件) k i s c c 值，避免采用传统方法测定k l s c c 时由于裂纹尖端产生塑性变形和残 余应力而造成测试结果的不准确性【4 0 1 。 s e r g i yk a l n a u s 等对4 3 4 0 高强钢在不同浓度的n a c i 溶液中的应力腐蚀开裂做 了详细的研究。试验采用紧凑拉伸试样( c t ) 分别进行恒载荷与恒位移进行研究。 结果表明两种加载方式所得到的结果基本相似，并且对不同浓度的n a c ! 溶液研究 表明应力强度因子与裂纹扩展速率受n a c l 浓度的影响不大【4 1 1 。 1 6 本文研究目的和研究内容 压力容器在湿硫化氢环境中的应力腐蚀开裂( s s c c ) 是一种发牛频率较高，后 果较为严重的破坏现象。特别是天然气气瓶钢其工作压力高达2 0 m p a ，一旦出现 事故，后果不堪想象。而天然气气瓶钢3 4 c r m 0 4 在湿h 2 s 环境下的应力腐蚀试验 研究又比较匮乏。就试验方法而言，传统的应力腐蚀试验各有特点，但并不能做 为一套应力腐蚀关键影响因素的快速试验方法。 鉴于此，并根据杂腐蚀环境重大承压设备主导失效机制及关键影响因素甄别 技术研究8 6 3 计划的子课题( 2 0 0 9 a a 0 4 4 8 0 2 0 3 ) 的相关内容。本课题研究目的如下： ( 1 ) 建立一套应力腐蚀关键影响因素快速试验甄别技术方法。 ( 2 ) 对3 4 c r m 0 4 钢在湿h 2 s 环境下的应力腐蚀试验进行相关研究。 结合s s r t 试验周期较短、可对应力腐蚀敏感性进行有效的分析的优点和预制 裂纹试样可对k l s c c 和d a d t 进行分析的优点。本文对紧凑拉伸( c t ) 试样进行恒位移 速率加载试验。对不同位移速率下的应力腐蚀敏感性、k i s c c 和d a d t 进行了相关研 究，以此来确定最佳的位移速率范围。并以最佳的位移速率范围作为加载方式， 以紧凑拉伸( c t ) 试样作为研究载体建立一套应力腐蚀关键影响因素快速试验甄别 技术方法。以此试验方法对3 4 c r m 0 4 钢在湿硫化氢环境下应力腐蚀特性进行相关研 究。 研究主要内容如下： ( 1 ) 3 4 c r m 0 4 钢c t 试样在湿h 2 s 环境下的应力腐蚀试验有效的加载速率范围的 研究。 1 6 ( 2 ) 恒位移速率加载条件下，c t 试样应力腐蚀敏感性评价体系的研究。 浙江工业大学硕上学位论文 响。 ( 3 ) 在应力腐蚀有效的加载速率范围内的，不同的位移速率对k i s c c 和d a d t 影 ( 4 ) 3 4 c r m 0 4 钢在湿硫化氢环境下，不同浓度的k i s c c 、d a d t 、临界裂纹尺寸的 研究。 1 7 第2 章最佳位移速率范用的研究 第2 章最佳试验加载速率范围的研究 2 1引言 恒应变速率应力腐蚀试验方法2 0 世纪6 0 年代初源于n e w c a s t l e 大学【4 2 1 。试样采用光 滑、细腰拉伸试样【4 3 】，或带有预制疲劳裂纹试样【4 4 1 。试样在刚性较大的框架结构试验机 上，以一定位移速率( 2 7 8 x l o 气5 5 6 x 1 0 4 m m s ) j 注行拉伸，并在腐蚀介质的作用下把试样 拉断。 研究表明，对于应力腐蚀开裂( s c c ) ，存在一个临界范围的应变速率【4 5 1 ，并h s c c 实际上是一个由应变速率起重要作用的开裂过程f 4 6 1 。在采用预制疲劳裂纹试样时，位移 速率太快，而使得金属保护膜的破坏速度远远大于修复速度，金属保护膜还未充分形成， 试样就已经断裂。反之位移速率过慢，试样表面膜破裂后，裸露的金属发生再钝化，使 得保护膜的破坏速度小于修复速度，应力与腐蚀的协同作用过程不能充分发生【4 7 1 。试验 加载速度过快或过慢，均难测出材料的应力腐蚀性能。并且较传统的s s r t 试验和测量 k l s c c 的恒位移、恒载荷试验，用预制裂纹试样的慢拉伸应力腐蚀试验可对应力腐蚀敏感 性进行研究的同时，还可作为测量k i s c c 的加速试验，大大缩短了试验时间。因此，研究 预制裂纹试样位移速率对应力腐蚀的影响，具有重要意义。用光滑、细腰试样的应变速 率试验，在国内外已经有了较多的研究，并已形成相关标准【4 引。而对于预制裂纹试样的 相关研究则比较少。 对于传统的圆型光滑试样的恒速率拉伸试验已经有了比较成熟的应力腐蚀敏感性 的评价体系，常用的参数有断裂时间、断面收缩率或断后伸长率、达到的最大载荷、标 准应力一延伸曲线所包围的面积和断面中应力腐蚀破裂所占的百分数。常用的应力腐蚀 敏感性指数为，( 万) 、f ( 缈) 、f ( 1 ) 、f ( a ) 和f ( f ) 。除此还可用是否具有典型的应力腐蚀 断口形貌来对应力腐蚀敏感性进行评价。考虑到预制裂纹试样的特殊性，本章先对断口 形貌等进行分析，再采用应力腐蚀敏感性指数f ( ，) 、f ( a ) 和，( f ) 来作为预制裂纹试样 应力腐蚀敏感的指标；由于本试验材料3 4 c r m 0 4 钢为脆性材料，所以用f ( ，) 来评价应 力腐蚀敏感性更为合适。 浙江t 业大学硕士学位论文 本章从车用压缩天然气气瓶在湿硫化氢环境下的应力腐蚀失效背景出发，以c n g 气 瓶常用钢种3 4 c r m 0 4 高强钢的圆型紧凑拉伸试样为研究对象，研究其在湿h 2 s 水溶液中 不同位移速率对应力腐蚀行为的影响，以应力腐蚀敏感性最高的体系所对应的位移速率 的范围作为最佳位移速率范围。 2 2 试验前期准备 2 2 1试验材料 材料为某公司生产的3 4 c r m 0 4 气瓶，热处理方式为：调质( 8 7 0 。c 淬火+ 5 6 0 。c 回火) ， 气瓶主要尺寸、成分和力学性能( 由某公司提供) 如表2 一l 表2 - 3 所示。 表2 1 气瓶主要尺寸 2 2 2 试样尺寸 圆形c t 试样直接从气瓶上截取，气瓶实物及取样方式见图2 2 和图2 3 ，试样厚度 为3 8 m m ，实物图见图2 4 ，具体尺寸见图2 5 。为了便于试验裂纹长度的测量，对试样 进行抛光。 1 9 第2 章最佳位移速率范围的研究 图2 2 气瓶实物图图2 3 网型c t 试样取样示意图 图2 - 4 圆型紧凑拉伸试样实物图 图2 - 5圆型紧凑拉伸试样尺寸 浙江t 业大学硕七学位论文 2 2 3 试样疲劳裂纹的预制 在预制疲劳裂纹之前，先将试样放入丙酮溶剂内，用超声波清洗机将试样清洗干净， 并且干燥机进行烘干。对试样进行加载时，加载的载荷误差不应超过士2 5 ，预制的疲 劳裂纹长度在1 7 m m 左右。为确保预制裂纹的有效性，应使得疲劳裂纹与裂纹中心面 的偏离均小于1 0 度。疲劳裂纹的强度因子k f 应小于0 6 k i c ，疲劳应力比r 应在o 盘s 0 1 范围以内。 本试验采用岛津微机控制电液伺服静动态材料试验机( e h f e d2 5 0 k n 4 0 l ) 预制裂 纹。预制裂纹加载参数：最大疲劳裂纹强度因子k f 为3 3 8 m p a m o 一，最大载荷为3 5 k n ， 应力比为0 1 ，频率为1 0 h z 。 2 2 4 试验溶液 2 2 4 1 试验溶液浓度的选择 c n g 高压气瓶在正常工况下，按天然气国家质量标准g b l 7 8 2 0 1 9 9 9 1 规定，h 2 s 的 含量小于2 0 m 咖3 。也即硫化氢摩尔分数小于1 3 2 1 0 6 ；由于气瓶的工作压力高达2 0 m p a 。 所以h 2 s 在气瓶的实际工况为：h 2 s 的分压为2 0 x 1 3 2 x 1 0 6 = 0 2 6 4 k p a ，在此分压下相当于 常温常压水溶液中h 2 s 浓度为1 0 x 1 0 。6 ，也即1 0 p p m 。 本文试验所采用的湿h 2 s 水溶液的浓度有两种，分述如下： 第一种为中等浓度h 2 s 水溶液：2 0 0 x 1 0 击1 1 p 2 0 0 p p m ，它相当于气瓶实际t 况浓度2 0 倍，相当于天然气中硫化氢的含- m _ 为4 0 0 m g m 3 。对管线输送的天然气，当脱硫状况较差 或失控时有可能出现此种情况。对城市天然气，若能完全达到国家标准2 0 m m 3 ，则试 验溶液具有的安全裕度为2 0 。 第二种为高浓度h 2 s 水溶液：2 0 0 0 x 1 0 o p 2 0 0 0 p p m ，为美国腐蚀工程师协会n a c e 作为加速试验的推荐浓度，相当于天然气中硫化氢的含量为4 0 0 0 m 咖3 。试验溶液具有 的安全裕度为2 0 0 。这种浓度只有极限的环境下才会遇到，可对材料在极限的情况下的 应力腐蚀特性进行研究，可用作标准溶液对不同材料的抗硫化氢性能进行比较。 2 1 第2 章最佳位移速率范围的研究 2 2 4 2 试验溶液的配制 试验溶液在常温下配制，配制过程如下： ( 1 ) 采用去离子水将9 8 的浓h 2 s 0 4 稀释成0 5 m o v l 稀h 2 s 0 4 待用； ( 2 ) 依据事先对化学反应的理论计算，量取所需体积的稀h 2 s 0 4 溶液放入烧杯中： ( 3 ) 用电子秤称取适量硫化钠固体，放入适量的去离子水中配成0 5 m o l l 的n a 2 s 溶液待用； ( 4 ) 量取适量的n a 2 s 溶液和稀n 2 s 0 4 溶液注入去离子水中即可达到所需浓度。 2 2 4 3 试验装置 试验装置采用浙江工业大学化工机械设计研究所自主研制的新型多功能动态应力 腐蚀试验机，可对位移、载荷和时间等重要参数进行实时记录监控并加以控制。装置示 意图见图2 6 。载荷传感器精度0 0 1 n ，位移传感器精度0 0 0 1 m m 。 l 一支架2 蜗轮3 - 一轴承座4 螺杆5 位移传感器6 端盖7 _ 推力轴8 螺栓m 8 x 2 5 卜联轴器l o 一步进电机l l 一螺栓m 6 x 1 21 2 一电机支板1 3 左拉杆1 4 一固定销1 5 一右拉杆 1 6 _ 一载荷传感器1 7 一螺栓m 1 4 4 01 8 一螺母m 1 21 9 一溶液箱2 0 一试样2 l 一紧定螺钉2 蝴栓 m 3 1 6 图2 6 新型多功能动态应力腐蚀试验机示意图 2 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 试验方案及试样原始尺寸记录 本试验采用加载点的恒位移速率控制，考虑到光滑、细腰试样位移速率常用取值范 m ( 2 7 8 x 1 0 气5 5 6 x 1 0 4 m m s ) t 4 2 1 及前人曾做过的恒c o d 位移：速率( 2 x 1 0 5 2 1 0 。4 m m s ) t 4 9 1 ， 将本试验加载点位移速率分为1 0 一、1 0 4 、5 x l o 一、1 0 一、5 x 1 0 石m m s 五种。 试样预制裂纹，而后用丙酮对试样进行清洗，去除表面油污，用超声波清洗机清洗 去除裂缝内杂物。溶液为用n a 2 s 、稀硫酸与去离子水配置浓度奠j 2 0 0 p p m 和2 0 0 0 p p m 的 h 2 s 水溶液。采用本研究所自主研发的新型多功能动态应力腐蚀试验机对试样进行拉伸。 每组试验均取三个、f 行试样，并与空气中以5 10 。5 m m s 位移速率拉伸的试样进行对比。 试样按图2 4 的尺寸进行加工，试样加工的实际几何尺寸由精度为0 0 2 m m 的游标卡 尺测量，见表2 4 。 表2 - 4 试样几何尺寸 ( b 一试样厚度；w - c t 试样的有效宽度；a o - 初始裂纹长度；u 。- 加载点初始位移) 试验介质位移速率m m s试样编号 b r n mw r a m j m mu o m 1 1 1 l3 8 44 3 0 41 7 0 32 7 5 l o 。323 84 3 0 2 1 7 1 22 7 5 33 84 2 9 61 6 6 l2 7 5 4 3 8 6 4 2 9 41 6 9 5 2 7 5 1 0 - 4 53 84 2 8 81 6 7 42 7 5 2 0 0 p p m h 2 s 水溶液63 8 84 2 9 81 7 1 42 7 5 73 8 24 31 6 8 22 7 5 5 x l o 583 8 44 3 0 41 7 0 22 7 5 93 84 3 0 81 6 9 82 7 5 1 03 8 44 3 1 2 1 7 1 22 7 5 1 0 - 5 l l3 8 44 3 0 91 72 7 5 第2 章最佳位移速率范围的研究 表2 4 续表试样几何尺寸续表 试验介质位移速率m m s试样编号 b m mw m m a d m m u d m m l o 。51 23 8 44 3 0 81 6 7 32 7 5 2 0 0 p p m h 2 s 水溶液 1 3 3 8 2 4 3 0 81 6 9 52 7 5 5 l 矿1 43 8 4 4 2 8 81 6 7 4 2 7 5 1 53 8 64 3 11 72 7 5 1 63 8 64 3 0 61 7 22 7 5 1 0 31 73 8 44 3 0 21 6 72 7 5 1 83 8 44 3 0 21 72 7 5 1 9 3 84 3 1 1 6 92 7 5 1 0 _ 42 03 84 31 72 7 5 2 l3 8 24 3 0 41 7 0 62 7 5 2 23 84 3 0 61 6 7 72 7 5 2 0 0 0p p m h 2 s 水溶 5 lo - 52 33 84 31 72 7 5 液 2 4 3 84 31 6 9 82 7 5 2 53 8 24 31 72 7 5 l o 5 2 6 3 84 3 0 21 7 0 82 7 5 2 73 8 44 31 7 1 82 7 5 2 83 8 24 31 7 2 22 7 5 5 1 0 62 93 84 2 9 81 7 1 62 7 5 3 03 84 2 9 01 72 7 5 1 0 33 l3 8 44 31 7 0 82 7 5 l o 4 3 2 3 8 24 2 81 72 7 5 空气5 1 0 - 53 33 84 31 72 7 5 1 0 5 3 43 84 3 1 7 0 6 2 7 5 5 1 0 r 63 53 7 84 2 8 91 7 0 42 7 5 浙江工业大学硕士学位论文 考虑到、严行试样数据的可重复性，本试验选用编号2 、5 、8 、11 、1 4 、1 7 、2 0 、2 3 、 2 6 、2 9 来作为2 0 0 p p m 和2 0 0 0 p p mh ：s 水溶液下不同位移速率的研究对象。 2 4 试验结果 2 4 1 断口形貌 将试样从试验机上取下后，放入超声波清洗机中并用丙酮清洗三次，每次2 0 分钟左 右，然后再放入烘干机中，将温度调至1 1 0 并保持4 0 分钟左右，最后拿去做s e m 电镜 分析。 断口分析分为宏观断口分析和微观断口分析两种。放大倍数在5 0 倍以下称为宏观断 口分析，放大倍数在5 0 倍以卜的称为微观断u 分析【5 们。 2 4 1 1 宏观断口形貌 2 0 0 p p mh 2 s 水溶液中，1 0 4 、5 l o 一、1 0 。5 m m s z 种位移速率具有较大的相似性，预 制裂纹区域的断口形貌( 左) 与湿h 2 s 环境下的裂纹扩展区域的断口形貌( 右) 明显不同，见 图2 7 ( a ) 。左侧的比较平坦，而右侧的则比较粗糙。不同恒位移速率下的湿h 2 s 环境下的 裂纹扩展区域的断口形貌见图2 7 ( b ) 、( c ) 、( d ) 、( e ) ，空气中裂纹扩展区域的断l 形貌见 图2 7 ( 0 。 ( b ) ，一 j ， 。 、 。_ “ i 一。，。 、 r 。- ，沁+ 。 图2 7a 预制裂纹区域( 左) 与应力腐蚀区域( 右)图2 7 b 10 3 m m s 2 5 蔓竺望丝幽箜塑 薹 鍪黼 圃观圆圈i i _ - 岫圆题出渤i _ 髓衄 图2 - 7 c10 r 4 n l m s 位移速率 图2 7 d5 xl0 sr n m s 位移速率 图2 - 7 e 1 0 5 n l l l 以位移速率 m 2 7 f 5 1 0 缶彻州s 位移速率 图2 7 9 空气中 图2 - 7 2 0 0 p p mh 2 s 水溶液不同位移速率及空气中的宏观断口形貌 2 0 0 0 p p m h 2 s 水溶液中不同恒位移速率下的湿h 2 s 环境下的裂纹扩展区域的断口形 貌见图2 8 。 f￥ 、i。，函 |一，4 o，稚-，一 一 一。 是善一“譬 、 、j，”_ f _ “ !蕊”_ 1 一 。 。， ，”；_ 雩，。一一 一 f j ? 摹t 匪 ， m ，一 ，曼- 缸 h 1 ，。 奠- _ _ l_ e ； ，、 罡 浙江工业大学硕士学位论文 ( a ) 妒 二 图2 8 a1 0 。m m l $ 位移速率图2 8 b 10 4 m n d s t i ) = 移速率 m 2 8 c5 x 1 0 5 m m s 位移速率图2 8 d1 0 5 m m s 位移速率 图2 8 c 5xl0 6 m m s 位移速率 图2 - 82 0 0 0 p p mh 2 s 水溶液不同位移速率的宏观断口形貌 2 4 1 2 微观断口形貌 不同位移速率在2 0 0 p p mh 2 s 水溶液中及空气中的断口形貌见图2 - 9 。随着位移速率 2 7 第2 章最佳位移速率范用的研究 的降低，断口形貌呈由韧性断口到脆性断口，再到韧性断口的趋势。彳i 同位移速率在 2 0 0 0 p p mh 2 s 水溶液中的断口形貌见图2 - 1 0 。随着位移速率的降低，断口形貌呈由韧性 断口到脆性断口的趋势。 2 8 瓣 图2 9 a1 0 。3 m m s 位移速率 图2 9 c 5 10 。5 m m s 位移速率 图2 9 b 10 4 m m s 位移速率 图2 9 d 10 。5 m m s 位移速率 图2 9 e5 1 0 6 m m s 位移速率 图2 9 f 空气中 图2 92 0 0 p p mh 2 s 水溶液不同位移速率及空气中的微观断口形貌 浙江工业大学硕士学位论文 图2 1 0 b1 0 - 4 m m s 位移速率 8 1 2 1 0 c5 x1 0 。5 m m s 位移速率图2 1 0 d1 0 巧i l l s 位移速率 图2 10 e 5 x1 0 。s m m s 位移速率 图2 - 1 0 2 0 0 0 p p mh 2 s 水溶液不同位移速率的微观断口形貌 2 4 2 时间载荷与位移载荷曲线 2 0 0 p p m h 2 s 水溶液中的试样在不同位移速率拉伸下的时间- 载荷曲线见图2 一1 1 ，位 移载荷曲线见图2 1 2 。空气中拉伸的试样最大载荷为1 9 9 5 k n ，达到最大载荷时间为 一一一_静两 。一一獬 o ，t 水 墨的 第2 章最佳位移速率范围的研究 1 0 1 6 h ，降到最小载荷的时间6 5 5 3 h 。随位移速率的降低，试验所达到的最大载荷值呈 现由大到小，再到大的趋势。1 0 4 、5 x l o 一、1 0 - 5 m m s = 种位移速率的位移载荷曲线下的 面积都要远小于而1 0 。、5 x l o 。6 m m j s 位移速率的位移载荷曲线下的面积。这三种位移速 率下，腐蚀在断裂中起的主导作用更加明显。 8 6 堇4 二 、二 ；坟 2 0 0 2 x 1 0 54 x 1 0 56 x 1 0 5 时f j ( s ) 图2 1l a1 0 巧和5 x 1 0 - 6 m m s 位移速率 0 l x l 0 42 x l0 43 x 1 0 4 时h j ( s ) 图2 1 l b1 0 。、l o 4 和5 x l o 。5 m m s 位移速率 图2 11 2 0 0 p p mh 2 s 水溶液中不同位移速率下的时间载荷曲线( a ) l x l 0 。5 和5 1 0 r 6 m m s 位移速 率( b ) l o 一、1 0 4 和s xl o 5 m m s 位移g 率 8 6 4 2 0 一z 邑鼹 浙江工业大学硕 ：学位论文 8 6 堇4 ；对 2 0 j z 兰 逞 壬喜5 卜与x 10 毒m m s o 一1x 10 3 m m s 02 4 68 位手多( m m ) 图2 1 2 a1 0 3 和5 1 0 。6 彻 i l s 位移速率 位移( m m ) 图2 1 2 b1 0 4 、1 0 。5 和5 l o 。5 m m $ 位移速率 图2 1 2 2 0 0 p p mh 2 s 水溶液中不同位移速率下的位移载荷曲线( a ) 1 0 3 和5 1 0 西咖砒位移速率 ( b ) 1 0 4 、1 0 5 和5 x1 0 。5 n l n 以位移速率 2 0 0 0 p p mh 2 s 水溶液中的试样在不同位移速率拉伸下的时问- 载荷曲线见图2 1 3 ，位 移载荷曲线见图2 1 4 ，各参数对比见表3 。随位移速率的降低，试验所达到的最大载荷 值呈现由大到小，再到大的趋势。1 0 4 、5 x 1 0 一、1 0 5 和5 x 1 0 石m m s 这四种位移速率的位 移载荷曲线下的面积都要远小于而1 0 3 i i l 】耐s 位移速率的位移载荷曲线下的面积。这四 种位移速率下，腐蚀在断裂中起的主导作用更加明显。 3 l 第2 章最佳位移速率范围的研究 4 3 堇2 二 、： 壬霉5 1 0 8 6 z 卫 善4 繇 2 0 0 2 x l0 44 x 1 0 6 x 1 0 48 x 1 0 4l x l 0 5 时i h j ( s ) 图2 1 3 a1 0 5 和5 x1 0 。6 m m s 位移速率 02 0 0 04 0 0 06 0 0 08 0 0 0 时| h j ( s ) 图2 1 3 b1 0 。、1 0 。4 和5 x1 0 。5 m l n s 位移速率 图2 1 32 0 0 0 p p mh 2 s 水溶液中不同位移速率下的时间载荷曲线( a ) 1 0 j 和5 x l 矿删l 以位移速 率( b ) lo 3 、1 0 4 9 5 x l o 5 r n n v s 位移速率 浙江工业大学硕t 学位论文 ， z 兰 芝 每 ， z 邑 运 薅 位移( m m ) m 2 1 4 a1 0 5 和l o 一3 m m $ 位移速率 位移( m m ) 图2 1 4 b1 0 4 、5 x 1 0 5 和5 x 1 0 6 m m s 位移速率 图2 1 42 0 0 0 p p mh 2 s 水溶液中不同位移速率下的位移- 载荷曲线( a ) 1 0 。5 和l o 3 m m y s ( b ) 1 0 4 、5 x1 0 5 和5 x1 0 。6 m 州s 位移速率 2 4 2 试验结果各参数对比 不同介质和加载速率下的最大载荷值、断裂前吸收的能量及断裂时间见表2 5 。其 中断裂前吸收的能量a 即位移载荷曲线下的面积。 不同介质及加载速率下的各应力腐蚀敏感指数对比见表2 - 6 。 3 3 第2 章最佳位移速率范围的研究 表2 - 5 不同介质及加载速率下参数表 ( 1 最大载荷；a - 吸收的能晕；t - 断裂时间) 试验介质位移速率m m s 1 1 c n圳o m m t h 1 0 - a7 9 l 2 8 2 6 3 5 42 4 4 2 0 0p p m h 2 s 水溶1 0 - 43 6 51 6 3 6 2 94 9 8 液 5 1 0 。53 0 71 4 5 5 4 07 6 6 1 0 53 4 41 5 2 3 9 l 3 2 8 l 5 l o _ 67 7 91 3 9 1 3 4 42 4 4 7 8 l o 3 8 8 l9 9 0 7 1 6o 9 3 2 0 0 0 p p r n h 2 s 水 1 0 42 3 06 1 1 7 81 5 0 溶液 5 1 0 51 9 l3 8 4 1 52 3 7 1 0 。5 3 7 01 5 8 4 6 52 4 o o 5 l o 63 9 l1 7 4 9 5 l3 0 3 4 1 0 。3 2 0 0 28 0 6 9 2 4 73 3 6 l o - 41 9 9 88 0 6 8 2 3 2 3 3 5 6 空气5 l o 。51 9 9 58 0 7 0 2 8 96 8 1 2 1 0 51 9 9 78 0 6 8 9 6 3 3 3 4 6 5 x l o 石1 9 9 98 0 6 9 3 5 56 6 9 2 表2 - 6 不同介质及加载速率下各应力腐蚀敏感指数对比 试验介质位移速率m m s ，( ，) 觞f ( 彳) 肱，( f ) 肠 1 0 36 0 4 96 4 9 72 7 3 8 l 矿8 1 7 39 7 9 7 8 5 1 6 2 0 0p p m i - 1 2 s 水溶5 1 0 。58 4 6 l9 8 1 98 8 7 5 液 1 0 - 5 8 2 7 79 8 1 l9 0 1 9 5 l o - 66 1 0 38 2 7 66 3 4 2 浙江工业大学硕 ：学位论文 表2 - 6 续表不同介质及加载速率下各应力腐蚀敏感指数对比续表 试验介质位移速率m m s f ( 1 ) p ,f ( 彳) 慌f ( f ) 慌 l o 。35 5 9 98 7 7 27 2 - 3 2 1 0 - 48 8 4 99 9 2 49 5 5 3 2 0 0 0 p p m h 2 s 水 5 l o 。59 0 4 39 9 5 29 6 5 2 溶液 l o 58 1 4 79 8 0 49 2 8 3 5 1 0 - 68 0 4 49 7 8 39 5 4 7 2 4 结果分析 对于2 0