迄今为止,应力腐蚀开裂(SCC) 一直是关于材料失效的科学争议。热点话题之一是金属-环境组合的性质,这对 SCC来说是一个显着的问题,SCC 是工程材料的一种常见腐蚀失效,其特征是在特定环境中低应力下突然发生脆性断裂.到目前为止,SCC 通常与三种不同的机制有关:滑移溶解模型、氢致开裂和薄膜致裂。大多数这些机制提出,钝化膜的破裂是钝化金属 SCC 的第一步,它可以在裂纹尖端开始溶解,促进基体中的氢渗透,并引起拉伸应力。尽管有各种假设,但由于清晰观察被动膜变化的局限性,被动膜击穿引起的 SCC 仍未得到充分了解。
来自东北大学的学者基于实验表征和第一性原理计算,研究了Ti-6Al-4 V在静水压力下的应力腐蚀开裂。由于水压,具有拉伸应力的被动薄膜变得不稳定,这可能是钒溶解的结果。功函数证实钒对环境敏感,并且在静水压力下变得非常活跃。这种选择性溶解提供了酸性环境,尽管是在中性 3.5% NaCl 溶液中。同时,静水压力也影响氢的吸附和渗透,从而促进钛合金的应力腐蚀。在压力下,氢气进入钛中,然后通过加速位错运动孵化裂纹。通过选择一类即使在极端环境下化学稳定性也几乎没有变化的合金元素,本研究的努力为设计对压力变化具有更高耐受性的钛合金提供了基础。相关文章以“Stress corrosion cracking of the titanium alloys under hydrostatic pressure resulting from the degradation of passive films”标题发表在Acta Materialia。
图 2. Ti-6Al-4V合金在 20 MPa 静水压力下浸入 3.5% NaCl 溶液后裂纹的 TEM 照片。(A) FIB 薄片取自外部 U 形弯曲试样的主要裂纹前部。(B) 裂纹开口处的 EDS 映射分析。(C) 沉积在裂纹开口处的腐蚀产物的电子衍射图。(D) 显示了分支裂纹尖端附近的 TEM 图像,箭头指示的突出显示区域是 (E) 中所示的被动薄膜/矩阵界面。(F) (D)图中裂纹尖端附近的被动薄膜/矩阵界面的 EDS 映射分析。
图 3. 钛合金在 20 MPa 静水压力下浸入 3.5% NaCl 溶液后的 APT 结果。(A) 从裂纹尖端之前的区域获取的三维分析映射。(B) Ti、Al、V 和 H 沿 (A) 中的箭头分布,穿过 α和 β 相的边界。
图 7. Ti-6Al-4V合金在3.5% NaCl溶液中浸泡300 d后外U型弯面附近的EBSD照片0.1 MPa~20 MPa静水压力下钛合金的相图和谱带对比,分别如图(A)和(B)所示,其中黄域为β相,蓝域为α相。0.1 MPa 到 20 MPa 的同一区域的 KAM 图,分别如图 (C) 和(D) 所示(此图图例中对颜色的解释,请读者参考本文的网络版)
图 9. 被动薄膜的元件分布。(A) 0.1 MPa 下 α 相基体到被动膜面的轮廓。(B) 20 MPa 下 α 相基体到被动膜面的轮廓。(C) β 相基体到被动膜面的轮廓由 0.1 MPa 产生的薄膜表面。(D) 从 β 相矩阵到由 20 MPa 产生的被动薄膜表面的轮廓。两条虚线内的部分对应被动膜的扫描区域
图 10. 合金元素和二氧化钛的平均功函数随水分子与金属表面距离的变化的第一性原理计算
本研究关注了长期静水压力作用下Ti-6Al-4V合金的应力腐蚀。静水压力对钛合金的应力腐蚀具有综合影响。除了钝化膜的退化外,静水压力也会影响氢的析出、氢的吸附和氢的渗透。功函数的变化证实合金元素具有环境敏感性。当外部环境变得更具侵略性时,添加到钛合金中的钒会变得出奇地活跃。静水压力促进被动膜中的选择性溶解,导致相对不稳定的膜并提供酸性环境。静水压力促进氢进入钛合金的微观结构,尽管在中性本体溶液中,然后氢通过加速位错运动孵育裂纹。(文:SSC)标准齿轮铝及铝锭焊缝有效厚度链轮侧板调速电气传动应力腐蚀破裂