肇州量化投资虚拟社区

新发现!通过测量材料中的应力与腐蚀关系预测金属失效

材料科技在线 2019-02-13 12:53:07

图片来源:CC0 Public Domain


亚利桑那州立大学的一研究小组近日发布了一条关于晶间应力腐蚀断裂(SCC)的新观点。晶间应力腐蚀断裂是导致工程结构(包括桥梁、飞机和核电站)过早失效的原因之一。


近日,此研究团队在《自然材料》杂志上发表的一篇名为“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时存在拉伸应力和腐蚀应力会导致出现晶间应力腐蚀断裂(SCC),同时还说明了应力和腐蚀也可以分开作用,又或者可以独立作用。


亚利桑那州立大学材料科学与工程学教授Karl Sieradzki说:“这个发现重塑了30年来对这类应力腐蚀问题的研究的认知。我们现在有了设计一种全新合金的方法,可以避免由这种应力腐蚀引起的失效。”


当金属暴露于含盐的水中时,金属的强度可能严重受损并导致不必要的失效。例如,2003年亚利桑那州图森市发生的Kinder Morgan汽油管道破裂就是由这种晶间应力腐蚀裂纹失效引起的。


对晶间应力腐蚀断裂条件的传统的认知就是敏感材料中能够同时存在足够水平的拉伸应力与腐蚀环境。


该研究团队颠覆了这种传统认知,并说明了应力和腐蚀环境的同时存在只是晶间应力腐蚀断裂产生的原因之一。如果首先发生腐蚀并且随后材料受到应力,那也有可能发生晶间应力腐蚀断裂。


除了Sieradzki,论文的作者还包括来自亚利桑那州立大学的Nilesh Badwe, Xiying Chen, Erin Karasz, and Ariana Tse Daniel 和来自太平洋西北国家实验室的Schreiber, Matthew Olszta, Nicole Overman和Stephen Bruemmer。此外,这项研究还得到了美国能源部的支持。


该小组还建立一个研究银-金合金的行为的实验室模型,该模型模拟了一些重要工程合金的腐蚀行为,如应用在核电站中的不锈钢合金和镍基合金。


在这些诸如银-金合金模型的工程合金内的发生腐蚀会导致在腐蚀层内形成纳米尺寸的微孔。Sieradzki认为,确定快速晶间应力腐蚀断裂发生的关键参数是腐蚀层与未腐蚀合金之间的粘附程度。


研究团队利用精确到原子尺度的高分辨率电子显微镜和原子探针层析成像以及统计特征技术,确定了由于随时间变化导致的形貌变化是同时存在显著的应力和腐蚀的原因,并且还会影响粘附程度。


只要各层之间保持足够的粘合,从腐蚀层开始的裂纹就有可能穿透到未腐蚀合金中。这就意味着,对于应力腐蚀断裂而言,可能存在一种无法通过任何腐蚀测量方式能测出的重要机械组成。这就会导致由该方式测量出的晶间应力腐蚀断裂的腐蚀速率的是正常结果的10倍低(甚至更低)。


Sieradzki解释说:“在核电站中,对于晶间应力腐蚀断裂现象的维护和工厂停工是基于以前使用类似设计的反应堆的经验。虽然我们不在美国建造新的核电站,但是这些发现应该会引导我们去寻找新的耐腐蚀合金,以便充当现有设备中或其他重要结构应用的替换部件。”


文章来自phys.org,原文题目为:Decoupling stress and corrosion to predict metal failure,由材料科技在线汇总整理。


Copyright © 肇州量化投资虚拟社区@2017