航天飛行器結(jié)構(gòu)應(yīng)力腐蝕基因解析及應(yīng)用

朱龍奎

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

0 引言

應(yīng)力腐蝕（stress corrosion cracking, SCC）是軍民用航天飛行器結(jié)構(gòu)局部與系統(tǒng)失效的一種常見類型，易造成無征兆、災(zāi)難性事故。例如，火箭級(jí)間連接結(jié)構(gòu)（分離系統(tǒng)）常用的M250 馬氏體時(shí)效高強(qiáng)鋼緊固件裝配時(shí)會(huì)發(fā)生SCC 沿晶脆性斷裂失效[1-2]，類似失效實(shí)例也曾發(fā)生在使用同類材料的航天飛行器固體推進(jìn)系統(tǒng)和其他緊固件[3-6]，此外馬氏體時(shí)效高強(qiáng)鋼還常用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、傳動(dòng)齒輪和彈簧等[1]。同時(shí)，很多航天飛行器大量采用鋁合金結(jié)構(gòu)[7]，也存在SCC 風(fēng)險(xiǎn)。例如，在含氯潮濕環(huán)境貯存過程中，有殘余應(yīng)力、表面陽極氧化的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力矢量控制閥體會(huì)發(fā)生沿晶SCC 裂紋形核擴(kuò)展[8]。另外，鈦及鈦合金因其輕質(zhì)耐蝕的優(yōu)異性能在航天飛行器中應(yīng)用廣泛，但研究表明純鈦在含有痕量水的有機(jī)溶劑中會(huì)發(fā)生SCC，鈦合金在水溶液和有機(jī)溶劑中均會(huì)發(fā)生SCC 形核擴(kuò)展[9-10]。一般認(rèn)為，陶瓷、玻璃等及其復(fù)合材料通常不發(fā)生腐蝕，但在潮濕或浸水條件下也發(fā)生SCC 裂紋形核擴(kuò)展[11-13]。與此同時(shí)，處于高能輻射或輻照下，材料的SCC 敏感性明顯增大，即輻照會(huì)促進(jìn)SCC[14-16]。更值得關(guān)注的是，多個(gè)型號(hào)導(dǎo)彈等軍用航天飛行器SCC 失效也時(shí)有發(fā)生。盡管一些系統(tǒng)多次涂覆防護(hù)涂層、更換材料或零部件，但SCC 問題并沒有根本解決。其原因在于人們一直不清楚SCC 的產(chǎn)生機(jī)理，特別是韌性材料脆化以致解理的機(jī)制。

為此，本文通過SCC 基因解析，從本質(zhì)上探究SCC 脆性解理的特征因子和作用因素，簡(jiǎn)述SCC機(jī)理模型的基因構(gòu)成，概括基因與敏感性測(cè)取方法；同時(shí)，針對(duì)SCC 防護(hù)難題，闡述無事故設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與分析的內(nèi)涵。

1 SCC 基因解析

不同于應(yīng)力作用下的腐蝕，應(yīng)力腐蝕是一種物理-化學(xué)-力學(xué)耦合作用的失效類型，具有低外加應(yīng)力與脆性開裂或斷裂的特點(diǎn)。較為流行的觀點(diǎn)認(rèn)為，SCC 是特定環(huán)境下受應(yīng)力的敏感材料發(fā)生滯后脆性開裂或斷裂的現(xiàn)象，即SCC 三因子為特定環(huán)境、敏感材料和應(yīng)力[10]?；赟CC 實(shí)驗(yàn)及模擬結(jié)果，左景伊[17]按時(shí)序?qū)CC 劃分為“局部腐蝕—膜破裂形成蝕孔—裂紋縱深擴(kuò)展”三個(gè)階段。同時(shí)依據(jù)SCC 機(jī)理，褚武揚(yáng)等[10,18]認(rèn)為SCC 大體上可分為陽極溶解型SCC 和氫致開裂型SCC 兩類，后者可等效為氫脆。這些宏觀分類對(duì)SCC 相關(guān)研究起到了促進(jìn)作用，但多是現(xiàn)象概括，還應(yīng)探析SCC 本征因素。

1.1 SCC 應(yīng)力基因與失效準(zhǔn)則

從能量與功的角度出發(fā)，Griffith 理論認(rèn)為脆性裂紋形核擴(kuò)展的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KIC取決于新裂紋面的表面能γS[18]，即

式中：E 為材料的彈性模量；ν 為材料的泊松比。

近期有研究表明，極低外加應(yīng)力條件（約0.1σS）下，具有優(yōu)異韌塑性的奧氏體不銹鋼單晶發(fā)生低應(yīng)力SCC 裂紋形核擴(kuò)展，卻不發(fā)生位錯(cuò)滑移塑性變形[18-22]。這與經(jīng)典的Griffith 理論相吻合，表明韌性體SCC 的臨界應(yīng)力位于遠(yuǎn)低于σS的量值區(qū)間，此臨界應(yīng)力可稱為SCC 的應(yīng)力基因。由此可知，應(yīng)力基因與力學(xué)上認(rèn)為的原子鍵斷裂所需的理論強(qiáng)度及采用工程應(yīng)力應(yīng)變測(cè)取的抗拉強(qiáng)度均不同，因此基于強(qiáng)度理論的失效準(zhǔn)則也不再適用。通常，多數(shù)工程失效不發(fā)生宏觀塑性變形，故可采用Griffith 理論作為失效準(zhǔn)則。然而，當(dāng)應(yīng)力高于滑移系開動(dòng)的臨界分切應(yīng)力且未出現(xiàn)縮頸等宏觀塑性變形時(shí)，微觀斷口上出現(xiàn)大量解理臺(tái)階和撕裂嶺，表明此類斷裂失效受SCC 和韌性剪切的協(xié)同作用[20]。同時(shí)，基于Schmid 定律，在真空和多數(shù)環(huán)境條件下韌性材料的臨界分切應(yīng)力幾乎都低于解理應(yīng)力閾值，因此在外應(yīng)力作用下，材料首先發(fā)生以位錯(cuò)滑移為元過程的塑性變形而后裂紋形核擴(kuò)展以致失穩(wěn)斷裂，這已被大量的慢應(yīng)變速率拉伸、U 形彎曲、楔形加載等實(shí)驗(yàn)的結(jié)果所證明。據(jù)此，Irwin 和Orowan 認(rèn)為裂紋擴(kuò)展的阻力RC不僅包含新裂紋面表面能γS還包括塑性變形功γP，則將式(1)推廣至含韌性剪切裂紋形核擴(kuò)展的現(xiàn)象即為

式(2)中，塑性變形功γP既彌合了外加高應(yīng)力時(shí)SCC裂尖出現(xiàn)塑性區(qū)的現(xiàn)象，也自洽于位錯(cuò)滑移促進(jìn)SCC 的觀點(diǎn)。因此，Irwin-Orowan 理論可作為高應(yīng)力SCC 的失效準(zhǔn)則[20]，適用于發(fā)生塑性變形工程結(jié)構(gòu)或塑性、彈塑性變形階段的分析評(píng)價(jià)。

1.2 SCC 微觀基因與機(jī)理模型

實(shí)驗(yàn)研究表明，溶解陽極、氫、電負(fù)性離子、滑移位錯(cuò)、鈍化膜、晶體取向?qū)CC 脆性解理裂紋形核擴(kuò)展的微觀過程起決定性作用[19-23]，故可定義為SCC 微觀基因。已提出的SCC 機(jī)理模型，如滑移溶解模型、膜致應(yīng)力模型、膜致解理模型、腐蝕促進(jìn)塑性變形模型、氫脆模型、環(huán)境斷裂一致性模型是這些微觀基因的耦合建構(gòu)，如表1 所示[23]。一般認(rèn)為，陽極溶解（俗稱腐蝕），即M → Mn++ne 是SCC的基礎(chǔ)過程[10,23-24]，由此導(dǎo)致的SCC 裂紋擴(kuò)展速率可根據(jù)Faraday 定律求解取得；同時(shí)，陽極溶解可促進(jìn)電負(fù)性離子生成、酸性條件下氫離子還原和非強(qiáng)酸性條件下鈍化膜形成。需要說明的是，僅粒子吸附作用的SCC 不含有此微觀基因。通常，原子氫和電負(fù)性離子在應(yīng)力集中的裂尖彈性區(qū)或彈塑性區(qū)擴(kuò)散并進(jìn)行物理或化學(xué)吸附，降低鍵合力與表面能，釘扎位錯(cuò)，與空位發(fā)生交互作用，整體上使裂尖區(qū) 脆化、斷裂韌性降低。也有觀點(diǎn)認(rèn)為氫與價(jià)電子會(huì)降低錯(cuò)配能而促進(jìn)位錯(cuò)發(fā)射[25-27]，但近期實(shí)驗(yàn)研究表明多數(shù)SCC 裂紋并不沿滑移面形核擴(kuò)展[20]，因此氫和價(jià)電子促進(jìn)滑移行為是伴隨促進(jìn)脆性解理而產(chǎn)生，從此角度并不能探及SCC 本質(zhì)。同樣，只有與SCC 脆性解理交互作用的滑移位錯(cuò)才能稱之為高載荷SCC 微觀基因，其用于能量耗散部分與SCC 并不相關(guān)。而且，低載荷SCC 時(shí)固有位錯(cuò)不發(fā)生滑移，因此也不存在滑移位錯(cuò)這一基因。再者，鈍化膜能夠屏蔽陽極溶解，進(jìn)一步研究認(rèn)為鈍化膜可吸附位錯(cuò)并對(duì)SCC 裂尖產(chǎn)生壓應(yīng)力[28-35]，實(shí)驗(yàn)研究表明此SCC 微觀基因適用于某些SCC 敏感體系[18]。此外，晶體中軟取向有利于滑移面位錯(cuò)發(fā)射，而硬取向則通常會(huì)發(fā)生解理面脆性開裂，且易于優(yōu)先在低表面能晶面形核擴(kuò)展[20]，故也將晶體取向作為SCC 微觀基因之一。事實(shí)上，SCC 裂紋形核與擴(kuò)展由微觀基因的耦合作用引起，這種微觀基因的耦合狀態(tài)（如溶解陽極與氫的交互作用，氫與位錯(cuò)的交互作用，鈍化膜與位錯(cuò)的交互作用，滑移位錯(cuò)與晶體取向的交互作用，輻照脆化基體與氫、價(jià)電子的交互作用）也稱為SCC 基因組態(tài)，即構(gòu)成SCC 機(jī)理。

表1 SCC 微觀基因與機(jī)理模型的關(guān)系Table 1 Relationship between microscopic genes and mechanism models of SCC

1.3 SCC 基因測(cè)取與敏感性

從SCC 基因角度看，幾乎任何材料、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)都可能發(fā)生SCC 失效，只是不同條件下具有不同的SCC 基因組態(tài)和敏感性，因此需要在特定條件下進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。一般地，通過觀察斷裂形貌和測(cè)量化學(xué)濃度、電位/電流、應(yīng)力/應(yīng)變等方法測(cè)取SCC 基因，表征SCC 敏感性ISCC。其中，原子像、裂紋形貌至宏觀斷口的多尺寸SCC 形貌最為直觀，也較為基礎(chǔ)，多用于定性分析；而化學(xué)濃度、電位/電流、應(yīng)力/應(yīng)變則是定量表征參數(shù)。目前，普遍采用兩種或多種方法相結(jié)合的方式測(cè)取SCC 基因和ISCC。基于SCC 脆性本征，ISCC的定量表達(dá)式為

式中，X 和X0分別代表SCC 特定環(huán)境和惰性環(huán)境中的斷裂韌性KIC、斷裂強(qiáng)度σUTS、延伸率δ、斷面收縮率ψ、失效時(shí)間t、韌性斷口面積SD、撕裂嶺數(shù)目NTR、鈍化膜破裂電位EOP等。需要說明的是，不同SCC 體系的脆性斷裂基因可能不同，因此應(yīng)從以上參數(shù)中選取合適變量來表征SCC 敏感性。通常，采用兩個(gè)以上變量進(jìn)行表征，有時(shí)還輔以統(tǒng)計(jì)分析。一般認(rèn)為，ISCC＜10%時(shí)SCC 不敏感。

例如，分析高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)在潮濕或含氫環(huán)境中的SCC 時(shí)多采用鋼中氫濃度、應(yīng)力大小和斷口形貌來確定氫濃度-應(yīng)力耦合狀態(tài)的SCC 基因組態(tài)（如10-6量級(jí)的氫濃度+(0.2～0.5)σUTS），進(jìn)一步以沿晶、混晶、解理與韌窩微觀形貌分析不同氫濃度-應(yīng)力耦合狀態(tài)的SCC 敏感性，同時(shí)形成設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的氫濃度-應(yīng)力耦合狀態(tài)的SCC 不敏感區(qū)間[36]。在開路條件下，分析不銹鋼在含氯溶液中的SCC 時(shí)則采用應(yīng)力大小、晶體取向、裂紋形貌和斷口形貌來測(cè)取電負(fù)性離子濃度-應(yīng)力耦合狀態(tài)的SCC 基因組態(tài)（如25wt%～45wt%氯離子濃度+(0.1～0.2)σS），然后以解理、撕裂嶺、二次裂紋分析不同電負(fù)性離子濃度-應(yīng)力耦合狀態(tài)的SCC 敏感性，最后形成滿足設(shè)計(jì)壽命的電負(fù)性離子濃度-應(yīng)力耦合狀態(tài)的SCC 不敏感區(qū)間[19-21,37]。

2 無SCC 事故原則

基于SCC 基因分析，在系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行、結(jié)構(gòu)連續(xù)加載情況下，即使SCC 不敏感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生SCC 失效。實(shí)驗(yàn)研究表明SCC 穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展所需時(shí)間都很短[19-20]，幾乎是瞬態(tài)的，故工程上常用SCC 斷裂時(shí)間tF作為服役壽命，評(píng)價(jià)從開始常態(tài)服役至SCC 裂紋萌生階段的壽命時(shí)限和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的耐久性。一般情況下，航天飛行器不會(huì)全結(jié)構(gòu)、全系統(tǒng)發(fā)生SCC，時(shí)常是服役環(huán)境惡劣且承受應(yīng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)、主軸、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、緊固件、彈性元件、外殼體應(yīng)力集中部位等首先萌生SCC 裂紋，以致全結(jié)構(gòu)、全系統(tǒng)失效或過載失效[1-6,8]。

無SCC 事故原則是針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)、分析而提出的避免SCC 事故的系統(tǒng)方法，即合理設(shè)計(jì)以保證壽命和實(shí)現(xiàn)功能，精準(zhǔn)評(píng)價(jià)以驗(yàn)證設(shè)計(jì)和發(fā)現(xiàn)問題，正確失效分析以厘清原因和改進(jìn)設(shè)計(jì)。三者相輔相成，是一個(gè)整體，如圖1 所示。同時(shí)，在設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)和分析時(shí)，應(yīng)避免經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知性錯(cuò)誤，即切勿視非普適經(jīng)驗(yàn)為原理，這也是無SCC 事故的一個(gè)重要原則。細(xì)節(jié)上，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)慎重以避免選用如表2 所示的特定環(huán)境下SCC 敏感材料和工藝，其他不敏感材料和工藝也需在選用前進(jìn)行精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。

圖1 無SCC 事故原則示意Fig.1 SCC accident-free criteria

表2 航天飛行器結(jié)構(gòu)SCC 敏感體系Table 2 SCC-susceptible frame for spacecraft structures

對(duì)于SCC 評(píng)價(jià)，應(yīng)在材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)多層級(jí)展開。鑒于SCC 本身是一種物理-化學(xué)-力學(xué)耦合作用的失效類型，在評(píng)價(jià)SCC 時(shí)循環(huán)式置入腐蝕環(huán)境與應(yīng)力因素的方法并不適用，須采用多因素耦合評(píng)價(jià)方法。但在結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)評(píng)價(jià)中，由于理論模型的局限性，多因素耦合評(píng)價(jià)方法的應(yīng)用受到限制。SCC 失效現(xiàn)象可能會(huì)在評(píng)價(jià)時(shí)出現(xiàn)，此時(shí)以改進(jìn)設(shè)計(jì)為目的的失效分析成為預(yù)防設(shè)計(jì)壽命內(nèi)出現(xiàn)SCC 事故的最后一道屏障。有利于正確失效分析的方法路徑包括SCC 現(xiàn)象觀察、工況條件詢查、SCC 機(jī)理解析、SCC 現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)、設(shè)計(jì)改進(jìn)和修復(fù)驗(yàn)證6 個(gè)步驟，其中SCC 現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)是指按照解析所得的機(jī)理原因開展材料或結(jié)構(gòu)層級(jí)SCC 試驗(yàn)（批量生產(chǎn)和必要時(shí)也可做系統(tǒng)層級(jí)SCC 試驗(yàn)），當(dāng)獲得相同機(jī)理原因的SCC 失效現(xiàn)象時(shí)即可確定失效原因，進(jìn)一步為有效的設(shè)計(jì)改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

本文通過SCC 基因解析得到以下結(jié)論：

1）與理論斷裂強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度不同，SCC 應(yīng)力基因位于遠(yuǎn)低于σS的量值區(qū)間，SCC 失效準(zhǔn)則可采用Griffith 理論，發(fā)生塑性變形時(shí)可采用Irwin-Orowan 理論；

2）SCC 微觀基因包括溶解陽極、氫、電負(fù)性離子、滑移位錯(cuò)、鈍化膜、晶體取向，這些微觀基因的耦合組態(tài)即構(gòu)成SCC 機(jī)理模型，可采用相應(yīng)方法測(cè)取SCC 基因及SCC 體系的敏感性ISCC；

3）航天飛行器無SCC 事故原則由合理設(shè)計(jì)、精準(zhǔn)評(píng)價(jià)和正確失效分析構(gòu)成，且避免經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知性錯(cuò)誤是其中的重要原則。