新發(fā)現(xiàn)！通過測量材料中的應(yīng)力與腐蝕關(guān)系預(yù)測金屬失效
2018-09-14 11:27:36
作者：本網(wǎng)整理 來源： 材料科技在線
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圖片來源：CC0 Public Domain
亞利桑那州立大學(xué)的一研究小組近日發(fā)布了一條關(guān)于晶間應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）的新觀點。晶間應(yīng)力腐蝕斷裂是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)（包括橋梁、飛機(jī)和核電站）過早失效的原因之一。
近日，此研究團(tuán)隊在《自然材料》雜志上發(fā)表的一篇名為“Decoupling the role of stress and corrosion in the intergranular cracking of noble alloys”的文章，文中提出了材料中同時存在拉伸應(yīng)力和腐蝕應(yīng)力會導(dǎo)致出現(xiàn)晶間應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC），同時還說明了應(yīng)力和腐蝕也可以分開作用，又或者可以獨立作用。
亞利桑那州立大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)教授Karl Sieradzki說：“這個發(fā)現(xiàn)重塑了30年來對這類應(yīng)力腐蝕問題的研究的認(rèn)知。我們現(xiàn)在有了設(shè)計一種全新合金的方法，可以避免由這種應(yīng)力腐蝕引起的失效。”
當(dāng)金屬暴露于含鹽的水中時，金屬的強(qiáng)度可能嚴(yán)重受損并導(dǎo)致不必要的失效。例如，2003年亞利桑那州圖森市發(fā)生的Kinder Morgan汽油管道破裂就是由這種晶間應(yīng)力腐蝕裂紋失效引起的。
對晶間應(yīng)力腐蝕斷裂條件的傳統(tǒng)的認(rèn)知就是敏感材料中能夠同時存在足夠水平的拉伸應(yīng)力與腐蝕環(huán)境。
該研究團(tuán)隊顛覆了這種傳統(tǒng)認(rèn)知，并說明了應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的同時存在只是晶間應(yīng)力腐蝕斷裂產(chǎn)生的原因之一。如果首先發(fā)生腐蝕并且隨后材料受到應(yīng)力，那也有可能發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕斷裂。
除了Sieradzki，論文的作者還包括來自亞利桑那州立大學(xué)的Nilesh Badwe, Xiying Chen, Erin Karasz, and Ariana Tse Daniel 和來自太平洋西北國家實驗室的Schreiber, Matthew Olszta, Nicole Overman和Stephen Bruemmer。此外，這項研究還得到了美國能源部的支持。
該小組還建立一個研究銀-金合金的行為的實驗室模型，該模型模擬了一些重要工程合金的腐蝕行為，如應(yīng)用在核電站中的不銹鋼合金和鎳基合金。
在這些諸如銀-金合金模型的工程合金內(nèi)的發(fā)生腐蝕會導(dǎo)致在腐蝕層內(nèi)形成納米尺寸的微孔。Sieradzki認(rèn)為，確定快速晶間應(yīng)力腐蝕斷裂發(fā)生的關(guān)鍵參數(shù)是腐蝕層與未腐蝕合金之間的粘附程度。
研究團(tuán)隊利用精確到原子尺度的高分辨率電子顯微鏡和原子探針層析成像以及統(tǒng)計特征技術(shù)，確定了由于隨時間變化導(dǎo)致的形貌變化是同時存在顯著的應(yīng)力和腐蝕的原因，并且還會影響粘附程度。
只要各層之間保持足夠的粘合，從腐蝕層開始的裂紋就有可能穿透到未腐蝕合金中。這就意味著，對于應(yīng)力腐蝕斷裂而言，可能存在一種無法通過任何腐蝕測量方式能測出的重要機(jī)械組成。這就會導(dǎo)致由該方式測量出的晶間應(yīng)力腐蝕斷裂的腐蝕速率的是正常結(jié)果的10倍低（甚至更低）。
Sieradzki解釋說：“在核電站中，對于晶間應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象的維護(hù)和工廠停工是基于以前使用類似設(shè)計的反應(yīng)堆的經(jīng)驗。雖然我們不在美國建造新的核電站，但是這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)該會引導(dǎo)我們?nèi)ふ倚碌哪透g合金，以便充當(dāng)現(xiàn)有設(shè)備中或其他重要結(jié)構(gòu)應(yīng)用的替換部件。”
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