Grain boundary structure and intergranular stress corrosion crack initiation in high temperature water of a thermally sensitised austenitic stainless steel, observed in situ
晶界结构和热敏化奥氏体不锈钢在高温水中的晶间应力腐蚀裂纹萌生,原位观察
Highlights 要点
- •Stress corrosion crack initiation in high temperature water has been observed for the first time in situ.
首次在原位观察到高温水中的应力腐蚀裂纹萌生。 - •Grain boundary normal stress is predicted using 3D grain boundary and grain orientation data.
利用 3D 晶界和晶粒取向数据预测晶界法向应力。 - •Initiation coincided with the most highly stressed, sensitised grain boundary.
萌生发生在应力最高、敏化的晶界上。 - •This is a foundation for modelling effects of thermo-mechanical processing on IGSCC initiation.
这是模拟热机械加工对 IGSCC 起始影响的模型基础。
Abstract 摘要
通过使用时间分辨光学观察的数字图像相关技术,在高温富氧水中原位观察了热敏化 304 奥氏体不锈钢中沿晶应力腐蚀裂纹起始位置的发展。利用 Was 等人的 Schmid-Modified Grain Boundary Stress (SMGBS)模型计算了晶界法向应力,该模型采用晶界平面和晶粒取向的三维数据。起始位置与最应力集中的敏化晶界相吻合,这表明晶界结构和塑性应变不匹配对裂纹起始的综合贡献非常重要。
Graphical abstract 图示摘要
Keywords 关键词
A. 不锈钢 C. 沿晶腐蚀 C. 应力腐蚀
1. Introduction 1. 引言
晶间应力腐蚀开裂(IGSCC)需要易感材料、施加的应力和腐蚀环境[1]。为了设计耐蚀材料或通过预测服役期间失效的可能性来管理 IGSCC,有必要量化微观结构、载荷和环境对起始(例如起始位点的频率、随时间变化的起始概率)以及扩展(例如断裂力学)的影响[2]。因此,IGSCC 预测模型的开发一直是腐蚀研究的一个长期目标[3]、[4]、[5]。在热老化或快中子辐照敏化的奥氏体不锈钢中,微观结构对 IGSCC 的敏感性受晶界结构和局部变形的影响。已被确定为影响晶间裂纹起始的因素包括相邻晶粒中的 Schmid 因子[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、晶界与拉伸轴的倾角[7]、[10]以及晶界的结构[11]、[12]、[13]、[14]。
为了开发预测模型,重要的是基于对降解物理机制的全面理解,正确描述这些因素。例如,人们已经广泛观察到,晶间断裂的敏感性,如 IGSCC,是由晶界的晶体学特性决定的(例如[11]、[12]、[13])。基于“特殊”和“随机”晶界的分布,已经创建了预测模型来描述晶间降解。Watanabe[11]引入的“晶界工程”(GBE)概念提出通过增加“特殊”晶界的比例来制造耐腐蚀材料。然而,有限的实验数据使得“特殊”晶界的定义相当困难。 CSL( coincidence site lattice)模型[15]通常用于描述相邻晶粒晶体晶格之间的晶体学关系,其基于普遍观察到的现象:∑⩽29 的边界通常对空化、敏化、断裂和应力腐蚀开裂等退化机制具有更高的抗性[16]。因此,“特殊”晶界通常被归类为具有小于或等于∑29 的 CSL 值,而“随机”晶界则具有大于∑29 的值,被认为具有较低的抗性。
这种分类是一种近似:Gertsman 和 Bruemmer[14]在高温水环境(模拟压水堆环境)中测试了一种热敏化 304 奥氏体钢,观察到了晶间应力腐蚀裂纹(IGSCC),发现只有∑3 晶界是“特殊”的,但这些晶界并非全部都抵抗 IGSCC;∑9 和∑27 晶界也被发现开裂。Rahimi 等人[17]也在热敏化 304 不锈钢的酸化四硫酸钾溶液中进行原位应力腐蚀裂纹实验时观察到,微观结构在晶间开裂中起着重要作用;失效的晶界中大多数(88%)是“随机”晶界(∑ > 29),这高于微观结构中预期的比例(57%),但也有 10%的开裂晶界是∑3;所有比例均按晶界数量计算。
基于 CSL 的 GBE 方法是不完整的[18],因为它没有考虑晶界平面,而晶界平面在决定晶界特性中起着重要作用。晶界需要五个自由度来定义其几何形状;两个自由度定义晶界平面的物理取向,另外三个自由度代表晶界处的晶体取向偏差(即 CSL 描述)。King 等人[19]首次使用衍射衬度断层扫描技术,在三维尺度下观察了微观结构与 IGSCC 之间的相互作用,测量了敏化奥氏体钢中晶粒的取向和形状,并结合应力腐蚀开裂的断层扫描观察(在酸性四硫酸钾溶液中测试);对 IGSCC 具有更高抗性的晶界不一定是低∑晶界,而是那些取向接近低{hkl}米勒指数平面的晶界,例如 coherent twin boundaries。 热敏化是由沿晶界碳化物析出以及由此导致的晶界处铬浓度降低引起的;Jones 等人[20]观察到,不锈钢中的碳化物析出具有选择性,倾向于晶界平面而非仅限于 CSL 描述;非协调的∑3 孪晶并非不受析出影响,而析出则未发生在协调的∑3 孪晶界上。因此,低{hkl}晶面可能对热敏化具有较低敏感性。
奥氏体不锈钢的塑性变形具有非均匀性,并受晶粒局部环境的影响[21]。Schmid 因子[22],用于表达施加力的方向与剪切变形模式之间的几何关系,通常被用来描述晶体材料的局部塑性变形,因为相邻晶粒间 Schmid 因子的不匹配可能是损伤起始的原因。例如,在疲劳过程中观察到应变与沿晶裂纹起始之间存在强相关性;Rho 等人[6]在对 Nb-A286 合金低循环高温疲劳引起的沿晶气孔进行研究时,观察到由于相邻晶粒屈服趋势导致的应变不匹配,在高角度晶界处加速了气孔的形成。McMurtrey 等人[7]研究了质子辐照 Fe–13Cr–15Ni 奥氏体钢的辐照辅助应力腐蚀开裂,试验在模拟沸水反应堆(BWR)高温水环境中进行,并推断沿晶裂纹起始依赖于滑移连续性。Fukuya 等人 [8] 研究了冷加工和中子辐照的 SU2316 不锈钢在高温下的晶界分离现象,得出晶界分离的倾向随着 Schmid 因子不匹配的增加而增强(即相邻晶粒的 Schmid 因子差异增大)。West 等人[9], [10]在研究超临界水中辐照的 316L 不锈钢时也观察到了同样的趋势,其中晶间裂纹倾向于发生在 Schmid 因子较高的晶粒与 Schmid 因子较低的晶粒相邻的地方。多项研究[7], [9], [10]还指出,晶界与拉伸轴的倾角是 IGSCC 的一个影响因素。
西斯特和瓦斯[9]提出的 Schmid 修正晶界应力(SMGBS)模型通过考虑晶界平面取向和晶粒取向的 Schmid 因子的综合效应来包含这些因素。该模型的基本假设是晶间开裂取决于垂直作用于晶界(即法向应力)的拉伸应力;晶间裂纹萌生更可能发生在高度受力的晶界。该模型在参考文献[9]中完整呈现,以下简要概述。
由于一个晶粒的拉伸屈服而在晶界上作用的法向应力(σ N )描述为(1)where σfg is the tensile stress required to yield the individual grain and α is the angle between the grain boundary plane normal and the tensile axis (Fig. 1), which can be obtained by trace analysis of the grain boundary on orthogonal planes with respect to the tensile direction as described by West and Was [9] and Alexandreanu and Was [23].
其中σ fg 是使单个晶粒屈服所需的拉伸应力,α是晶界平面法线与拉伸轴之间的夹角(图 1),可通过西斯特和瓦斯[9]以及亚历山大努和瓦斯[23]描述的相对于拉伸方向在正交平面上对晶界进行迹线分析来获得。(2)

Fig. 1. Definition of parameters required to calculate the normal stress on a grain boundary in the SMBGS model.
图 1. 计算 SMBGS 模型中晶界法向应力的参数定义。
为解决织构的影响,以材料平均 Schmid 因子 m avg 表示,多晶材料的拉伸流变应力(σ)与名义拉伸屈服应力(σ y )相关,(3)hence the tensile stress required to yield an individual grain, σfg, with Schmid factor mg is:
因此,使具有 Schmid 因子 m g 的单个晶粒(σ fg )屈服所需的拉伸应力为:(4)
通过流变应力进行归一化,并假设晶界上的应力取决于相邻晶粒的平均屈服行为,其 Schmid 因子分别为 m g 1 和 m g 2 ,作用在晶界上的有效法向应力为[9]:(5)
该模型首先应用于表征辐照 316L 不锈钢的晶间开裂,在 400°C 的超临界水中进行测试[9],其中分析了裂纹数量与 Schmid 因子和表面痕迹倾角的关系。由于缺乏实际晶界方向的三维数据,因此使用了假设的相对晶界方向概率分布。研究得出晶界正常应力越大,晶间开裂的趋势越强。后续研究[24]考虑了晶界和晶粒取向对滑移连续性的影响,观察到在高温脱氧水(超临界水反应堆环境)中,在慢应变率条件下测试的质子辐照不锈钢的晶间开裂起始概率,既可以用 SMGBS 模型描述,也可以用滑移不连续性的概率描述。滑移不连续性会促使晶界处产生应变集中,为敏化晶界处的腐蚀提供了一种机械机制。 作者指出,当晶界上的正应力超过临界值时,滑移不连续的倾向更高;正应力由 SMGBS 模型描述,因此晶界的 SMGBS 描述与滑移不连续之间存在现象学相关性。SMGBS 模型存在一些局限性,因为它不考虑晶界的性质或结构;仅考虑了晶界平面的取向和相邻晶粒的变形。晶界结构在滑移不连续中的精确作用很复杂,因为这与应变的吸收和传递有关[25]。尽管如此,SMGBS 提供了一个有用的分析框架。因此,在本研究中,通过晶界切片进行直接测量来表征晶界平面取向,并利用相邻晶粒的晶体取向知识应用 SMGBS 模型。此外,利用原位观察来确定在高温富氧水中形成的沿晶应力腐蚀裂纹的起始位置。 该研究的目的是测试 SMGBS 模型能否解释在已确定的起始位置发生 IGSCC 的现象。
2. Experimental details 2. 实验细节
该材料为热轧型 304 奥氏体不锈钢(Cr:18.15, Ni:8.60, C:0.055, Mn:1.38, P:0.032, S:0.005, Si:0.45, N:0.038, Fe:余量, wt.),初始厚度为 13 mm。该特定板材的微观结构和敏化行为已在文献[26]、[27]中详细描述。样品在 650 °C 下敏化 24 小时以降低其对晶间腐蚀的抵抗能力,然后切割成最终尺寸约为 90 mm × 10 mm × 7 mm(L × W × T)。拉伸表面经过机械抛光,然后在 92%醋酸和 8%高氯酸混合溶液中于 42 V 下电解抛光 60 秒,随后在同一溶液中于 13 V 下电解腐蚀 20 秒,以提供适合光学显微图像数字图像相关分析的斑点表面图案。
应力腐蚀试验使用带窗口的加压釜进行,试样为四点弯曲试样,在 200 MPa 的静态应力下加载 30 天,该应力高于室温屈服应力。加压釜环境为 250°C 的高纯水,溶解氧含量为 1000 p.p.b.,压力为 50 个大气压(给水电导率 5.5 μS/m)。加压釜及其光学系统已在文献[28]中描述;简而言之,它允许在加压釜运行过程中对试验试样的受应力拉伸表面进行高分辨率原位光学观察。
应力腐蚀试验后,对拉伸表面进行硅溶胶抛光,直至获得镜面,以便进行电子背散射衍射(EBSD)分析。使用 JOEL-6500F 扫描电子显微镜和 TSL OIM DC v4 软件收集 EBSD 数据,采用标准参数;电压为 20 kV,探针电流约为 1 nA。相机分幅为 2 × 2,曝光时间约为 0.5 s。网格映射区域为 600 × 1400 μm,步长为 0.3 μm。计算了面心立方晶格的 12 个滑移系统<0 1 1>{1 1 1}相对于拉伸加载方向的 Schmid 因子;确定最大分应力滑移系统为主要活性滑移系统,并报告了其 Schmid 因子。
数字图像相关(DIC)是一种利用特征对比来映射连续图像间位移的技术。通过 DIC 测量裂纹张开位移可以检测并量化原本不可见的裂纹;它特别适用于应力腐蚀开裂的原位研究[29], [17], [30]。在窗口式高压釜的操作条件下,亚微米位移可以轻易测量[31],该高压釜此前已用于研究腐蚀疲劳短裂纹行为[28]。使用×20 物镜几乎每日拍摄图像,图像视场约为 450 μm × 450 μm,像素大小为 0.23 μm。这些图像通过 Davis Strain Master 2D 软件(版本 7.2)进行 DIC 分析,最终查询子集大小为 64 × 64 像素,重叠率为 87%。在这些条件下位移测量的不确定性估计优于 0.07 μm[28]。
3. Results and analysis 3. 结果与分析
在实验开始 22 天后,首次使用 DIC 检测到单条应力腐蚀裂纹;其他时间点未见裂纹。图 2 展示了通过 DIC 分析在不同时间间隔获得的最大主应变的一系列图。这些应变是根据测量位移矢量的梯度计算得出的,可定性指示裂纹张开位移;DIC 的参考图像是在测试开始时记录的。应变图叠加在 30 天时记录的表面光学图像上,此时裂纹已显著扩展,导致裂纹张开位移大幅增加。这表明由于裂纹张开引起的高应变区域大致对应于沿晶裂纹路径;由于位移网格较粗,存在位置不确定性,这是需要大尺寸查询子集(~15 μm)进行亚像素位移测量的结果。通过其裂纹张开位移局部增大的判断,裂纹起始位置在图中已标记。 2 通过矩形显示:在裂纹起始位置测得的最大裂纹开口在 22 天时为 0.2 μm,24 天时为 0.6 μm,26 天时为 0.9 μm。相同位置在测试后抛光后的样品表面扫描电子显微镜观察中显示(图 3a)。

Fig. 2. Visualisation of crack openings at different time intervals, represented as strains calculated from the digital image correlation measured displacements. The crack initiation site is indicated by the red rectangle. The strain map is superposed on an optical observation of the sample at the end of the test. The strain scale is qualitative and indicates the magnitude of crack opening displacement; dark blue represents low strain and red represents high strain. The maximum crack opening increased from 0.2 μm at Day 22–0.9 μm at Day 26. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 2. 不同时间间隔的裂纹开口可视化,表示为从数字图像相关测量的位移计算出的应变。裂纹起始位置由红色矩形指示。应变图叠加在测试结束时的样品光学观察上。应变刻度是定性的,表示裂纹开口位移的大小;深蓝色代表低应变,红色代表高应变。最大裂纹开口从 22 天的 0.2 μm 增加到 26 天的 0.9 μm。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网页版本。)

Fig. 3. (a) Scanning electron microscopy observation of the tensile surface, polished after testing. The crack initiation site is marked by the red rectangle and (b) example FIB-milled trench across a grain boundary to measure the trace orientation angles. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
图 3. (a) 拉伸表面扫描电子显微镜观察,测试后抛光。裂纹起始位置用红色矩形标记,(b) 跨越晶界的 FIB 铣削沟槽示例,用于测量痕迹取向角。(对于本图例中颜色引用的解释,读者请参阅本文的网络版本。)
接下来的分析旨在探究机械驱动的 SMGBS 模型,在获得晶界三维表征信息后,是否能够解释观察到的裂纹起始位置;预期该起始位置应与普通晶界群体有显著差异。研究考虑了样品表面两种晶界群体。这些包括(i)从三个未失效样品区域随机选取的 50 条晶界,这些晶界均位于距离起始位置 5-10 个晶粒处;(ii)沿裂纹路径的 25 条晶界,其中包括起始位置。分别将前者称为“完好”组(i),后者称为“裂纹”组(ii)。采用聚焦离子束(FIB)铣削技术,在每个晶界上切割一条沟槽(图 3b),以在两个正交平面上暴露晶界痕迹,并允许测量角度θ和φ(扫描电镜图像中进行了倾斜校正)。 在 FIB 铣削之前进行的 EBSD 分析提供了晶粒取向,这些取向被用于计算由于拉伸表面应力而产生的每个晶粒的 Schmid 因子。所得 Schmid 因子图(图 4)中标记了起始位置,显示 Schmid 因子范围在 0.27 到 0.5 之间。基于 EBSD 角度测量精度,Schmid 因子的误差为 0.01。在起始位置处识别了数条晶界(AA′到 EE′),其 Schmid 因子不匹配值在 0.01 到 0.17 之间。所有这些晶界都具有 CSL 特征,且∑>29,这些晶界的数据汇总于表 1。在检查区域内随机选取的晶界的晶界特征分布中,存在大量低∑CSL 晶界,包括 39%的∑3、2%的∑9 和 2%的∑27(均以数量分数表示,而非边界长度比例)。这与 Rahimi 等人[17]在同一块板上获得的数据一致。

Fig. 4. (a) Schmid factor map of the region of the crack initiation site; the observed values range from ∼0.27 to 0.5, (b) five grain boundaries (AA′, AB′, CC′, CD′ and EE′) are identified and (c) their positions relative to the strain map indicated.
图 4. (a) 裂纹起始部位的 Schmid 因子图;观测值范围从~0.27 到 0.5,(b) 识别出五个晶界(AA′, AB′, CC′, CD′和 EE′),(c) 它们相对于应变图的位置。
Table 1. Data for the grain boundaries in the region of the initiation site.
表 1. 起始部位晶界的数据。
Grain boundary 晶界 | θ (°) | φ (°) | mg1 | mg2 | Δm | σN | Angle to closest low index plane (hkl) 与最近低指数晶面(hkl)的夹角 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
AA′ | 68 | 87 | 0.28 | 0.45 | 0.17 | 1.12 | 8°: |
AB′ | 68 | 86 | 0.45 | 0.45 | 0.01 | 0.86 | 39°: |
CC′ | 39 | 76 | 0.42 | 0.46 | 0.04 | 0.40 | 42°: |
CD′ | 88 | 78 | 0.45 | 0.45 | 0.01 | 0.95 | 41°: |
EE′ | 52 | 66 | 0.38 | 0.46 | 0.08 | 0.59 | 29°: |
将邻近(i)组完整晶界的晶粒的 Schmid 因子值与约 2000 个晶粒的较大群体(如图 4 所示)的值进行比较。Schmid 因子分布(图 5)非常相似,表明(i)组中随机选取的这些晶粒足以代表该材料的 Schmid 因子分布。同样,比较了(i)组完整晶界和(ii)组裂纹晶界的微量角度(θ和φ)(图 6),发现没有显著差异。沿裂纹路径靠近起始位置(ii)组晶界的θ和φ数据见表 1。这些值的误差估计为 3°。

Fig. 5. Normalised frequency distributions of the Schmid factor (m) measured for a population of 2000 grains, a randomly selected population of 50 grains adjacent to intact grain boundaries and 25 grains adjacent to the crack path. The Schmid factor data are binned in ranges of 0.2.
图 5. 2000 个晶粒群体的 Schmid 因子(m)的归一化频率分布,包括邻近完整晶界的 50 个随机晶粒和邻近裂纹路径的 25 个晶粒。Schmid 因子数据按 0.2 的范围分组。

Fig. 6. Cumulative probability distributions of the grain boundary trace angles; (a) θ and (b) φ for the intact and cracked boundaries.
图 6. 晶界微量角度的累积概率分布;(a) θ和(b) φ对于完整和裂纹晶界。
Schmid 因子失配,Δm(即|m g 1 − m g 2 |),被计算用于完整和开裂的晶界群体。相似的分布(图 7a)表明,集合(i)和集合(ii)之间没有明显的偏差。开裂群体中获得了最高的失配值 0.17,这是对于晶界 AA′(表 1)。使用 SMGBS 模型从测量的晶界平面和晶向计算两个群体中每个晶界的法向应力σ N ;采用平均 Schmid 因子 0.45 的公式(5)。从晶界迹线的测量误差,σ N 的不确定性约为 2%。两个晶界群体的分布(图 7b)非常相似;尽管集合(i)完整晶界有更高值的趋势,但这并不显著。最高值是在集合(ii)的晶界 AA′(表 1)获得的。Schmid 因子失配和单个晶界的晶界应力在图 7c 中进行了比较;数据是分散的,有较高值相关的趋势。 边界 AA′具有最高值,位于一对具有低和高 Schmid 因子(0.28 和 0.45)的晶粒之间。相邻晶粒的 Schmid 因子之和与正应力的关系如图 7d 所示;两者没有强相关性,但具有最高正应力的边界 AA′具有最低的 Schmid 因子之和。计算的正应力仅代表裂纹萌生点之前的条件;因此,预期(i)完整边界和(ii)失效边界的分布相似。在某个边界萌生裂纹后,扩展裂纹的变形场决定了随后失效的边界所承受的应力,这取决于它们的应力腐蚀敏感性。然而值得注意的是,最高正应力值位于失效边界群体中。

Fig. 7. Schmid factor mismatch (Δm) and normalised grain boundary stress (σN) data for the intact and cracked grain boundaries; (a) cumulative probability distribution of Schmid factor mismatch, (b) cumulative probability distribution of grain boundary stress, (c) relationship between Schmid factor mismatch and grain boundary stress and (d) relationship between Schmid factor sum and grain boundary stress.
图 7. 完整和开裂晶界的 Schmid 因子失配(Δm)和标准化晶界应力(σ N )数据;(a)Schmid 因子失配的累积概率分布,(b)晶界应力的累积概率分布,(c)Schmid 因子失配与晶界应力的关系,(d)Schmid 因子总和与晶界应力的关系。
如前所述,SMGBS 模型未考虑晶界的性质,然而对于易感晶界的 IGSCC 存在需求。对失效晶界的检查证实,CSL 表征是对易感程度的一种近似;晶界法向应力的数据如图 8a 所示,标出了∑<29 的晶界。在失效组(ii)晶界中,仅有 16%的晶界∑<29,且未观察到∑3、∑9 或∑27 晶界开裂,而组(i)完好晶界中∑<29 的比例为 28%,这与晶界的总体情况一致。这表明裂纹沿受晶界易感影响路径扩展。已有研究表明,取向接近低密勒指数{hkl}平面(即低能平面)的晶界对敏化和 IGSCC 具有抗性[32][19]。 为识别这些边界,计算了晶界平面法线与指数平面(至{hkl}={3 3 2})之间的角度;如果角度小于任意小的值(6°),则认为晶界接近于特定平面。数据显示(图 8b),12%的完整边界在相邻晶粒中接近此类低指数平面,而 20%的裂纹边界属于此类。裂纹边界 AA′至 EE′中,没有一个是低∑ CSL 边界,也没有一个接近任何低指数平面。

Fig. 8. Positions of nominally special boundaries within the cumulative probability distribution of normal grain boundary stress, σN, for intact and cracked boundaries; (a) boundaries with CSL < ∑ 29 and (b) boundaries close to low Miller index planes (the angle to the nearest plane is labelled).
图 8. 完整和裂纹边界在法向晶界应力σ N 的累积概率分布中的名义特殊边界位置;(a) CSL < ∑ 29 的边界和(b)接近低米勒指数平面的边界(与最近平面的角度标注)。
4. Discussion 4. 讨论
本研究旨在应用 SMGBS 模型解释热敏化 304 不锈钢中 IGSCC 的萌生现象。利用裂纹迹线角、拉伸方向与晶界平面之间的角度以及相邻晶粒的 Schmid 因子等三维数据,计算晶界法向应力σ N 。原位光学观察的数字图像相关分析,使高温水溶液晶间应力腐蚀裂纹的萌生位置得以定位(图 2);此前仅能在常温环境下实现这一目标[17]。晶界位置并未明确确定,但基于裂纹开口位移的局部增加,可识别萌生位置位于晶界子集 AA′至 EE′(图 4)内。与普通晶界相比,这些晶界在最大受力滑移系统的 Schmid 因子表示的相邻晶粒取向方面并无显著差异(图)。 5), 这些晶界的取向也并非相对于应力拉伸轴特别显著(图 6)。从晶界结构来看,这些失效的晶界并不被视为特殊:它们都不是位于具有低∑取向关系的晶粒之间,也都不靠近其相邻晶粒中的低米勒指数晶面(表 1);因此,它们可能因碳化物析出而热敏化,并易受晶间腐蚀。
从晶界法向应力和 Schmid 因子不匹配的角度考虑,可以观察到一些明显的模式:与完整和失效晶界的总体分布相比,AB′到 EE′的晶界均无特殊之处;CC′和 EE′的法向应力和 Schmid 因子不匹配值处于中等水平(图 7);CD′和 AB′的 Schmid 因子不匹配值相当低(图 7),尽管它们具有较高的法向应力,但存在具有更高应力且未失效的特殊(即敏化)晶界(图 8)。然而,在所有检查的晶界(共 75 个)中,AA′晶界具有最高的 Schmid 因子不匹配值和晶界法向应力(图 7)。因此得出结论,AA′晶界是裂纹的起始点。这与易感晶界发生 IGSCC 的要求以及局部变形产生的足够机械应力相一致。
晶界法向应力取决于相邻晶粒的相对 Schmid 因子。图 7c 中的数据显示,随着 Schmid 因子不匹配的增加,σ值呈现普遍但分散的趋势。已有研究[7]、[9]表明,相邻晶粒的 Schmid 因子之和是裂纹萌生的重要因素,值得注意的是,最高的晶界应力也伴随着最低的 Schmid 因子之和(图 7d)。由于存在式(5)中的关系,这些参数大致相关。在本实验中,样品的应力超过了体屈服应力,因此可以假设所有晶粒都发生塑性变形;在 Schmid 因子较高的变形晶粒中产生更高的拉伸应力,并且在 Schmid 因子不匹配较高的晶界处局部晶界法向应力增加。为了说明这一点,考虑了三种不同 Schmid 因子不匹配和取向的晶界相对于拉伸轴的法向应力变化;硬-硬(Δm = 0)、软-软(Δm = 0)和硬-软(Δm = 0.23)(图 9)。 在这种情况下,硬代表一个 Schmid 因子较低的晶粒,该晶粒对施加的应力变形具有抗性,而软则相反。预测的晶界应力随着拉伸应力变得垂直于晶界平面而增加,但其大小对 Schmid 因子不匹配和 Schmid 因子的绝对值都很敏感;对于硬-硬组合,获得晶界法向应力的最大值,但硬-软组合引起的法向应力高于软-软组合。因此,Schmid 因子不匹配或总和只是对晶界机械力的不完全但近似的描述,而通过 SMGBS 模型获得的晶界法向应力能更好地提供这种机械力。因此,在边界 AA′处观察到的起始现象与 West 和 Was[9]的研究结果一致,即在辐照不锈钢中,沿垂直于拉伸轴且邻近低 Schmid 因子晶粒的晶界优先发生沿晶开裂;这些是导致高晶界法向应力的因素。

Fig. 9. Variation of grain boundary normal stress, σN, with orientation, φ, relative to the tensile stress, for three different combinations of Schmid factor mismatch and orientation: hard–hard, soft–soft and hard–soft.
图 9. 晶界法向应力σ N 随取向φ相对于拉伸应力的变化,对于三种不同的 Schmid 因子失配和取向组合:硬-硬、软-软和硬-软。
一种更复杂的建模方法,基于晶体塑性以及晶粒及其界面的完整三维表征(例如[33]、[34]、[35]),这可能影响滑移连续性并从而影响应变局部化[24],将适合进一步发展这项工作。尽管如此,SMGBS 模型为裂纹起始可能性模型提供了一个有用的框架[9]。这里获得的观察结果表明,SMGBS 模型应该增加对易损晶界的比例的考虑,因为并非所有高度受力的边界都会失效。这可以提供一个改进的工具来评估热力-机械微结构对 IGSCC 的易损性排序。
晶间敏化受合金化学成分[36]的影响;晶界结构,如前所述,决定了偏析和析出行为,而这一行为受热机械加工的影响。目前尚无法可靠预测敏化钢中易感晶界的比例和分布,尽管通过标准 DL-EPR 等电化学测试的图像分析,可以量化此类晶界的网络及其敏化程度[26],这为预测提供了途径。为了量化晶间应力腐蚀裂纹(IGSCC)的起始阈值应力,并确定其受敏化程度的影响,需要进一步进行此类工作所述的观察和分析。对晶界偏析的直接分析,可以在选定的晶界处通过 FIB 剥离切片进行测量,这可以与晶界平面的分析相结合,以增进我们对控制敏化因素的理解。这些数据对于 IGSCC 起始的预测模型是必要的。
总之,在这项工作中,观察了在高温富氧水中测试的热敏化 304 奥氏体不锈钢中沿晶应力腐蚀裂纹萌生位置的发展。通过时间分辨的原位光学观测的数字图像相关技术测量了裂纹的开口位移,这些位移原本无法观察到。因此,可以识别和表征萌生位置处的晶界,以确定该位置与其他观察区域内的位置有何不同。利用 EBSD 测量晶粒取向,并使用聚焦离子束刻蚀进行晶界轨迹分析,根据 Was 等人提出的 Schmid-Modified Grain Boundary Stress (SMGBS)模型计算晶界法向应力。此外,还可以通过测量相邻晶粒的 CSL 取向偏差以及晶界平面相对于任一晶粒的取向来定义晶界结构,从而确定晶界的热敏化倾向。 利用 SMGBS 模型,敏化晶界中最受应力集中的位置位于裂纹起始处。该起始处是一种非特殊晶界,从晶界结构来看,其晶界法线与拉伸应力轴接近。它位于一对 Schmid 因子较低(0.28)和较高(0.45)的晶粒之间。这表明晶界结构和塑性应变不匹配对裂纹起始的综合贡献的重要性,以及 SMGBS 模型在评估裂纹起始可能性方面的适用性。建议对模型进行扩展,使其能够结合微观结构中测量的敏化程度。
5. Conclusion 5. 结论
在高温水中对热敏化不锈钢的晶间应力腐蚀起始进行了原位研究,采用光学图像的数字图像相关技术,并结合三维表征来确定晶界结构。裂纹起始的位置与 SMGBS(Schmid-Modified Grain Boundary Stress)模型所描述的最高应力晶界相吻合。
Acknowledgements 致谢
作者感谢史蒂夫·罗伯茨教授(牛津大学材料系)的有益讨论。AS 感谢 Areva UK 对其研究奖学金的资助。TJM 感谢牛津大学马丁学院的鼎力支持。
References
- [1]Corrosion Processes, Applied ScienceElsevier Science Pub, Canada (1982)
- [2]Corrosion Science in the 21st CenturyJ. Corros. Sci. Eng, 6 (2003)
- [3]Predictive approaches to stress corrosion cracking failureCorros. Sci., 20 (1980), pp. 147-166
- [4]Quantitative prediction of environmentally assisted crackingCorrosion., 52 (1996), pp. 375-395
- [5]Y.S. Garud, SCC Initiation Model and Its Implementation for Probabilistic Assessment, in: ASME 2010 Pressure Vessels and Piping Division/K-PVP Conference, American Society of Mechanical Engineers, 2010.
- [6]Analysis of the intergranular cavitation of Nb-A 286 alloy in high temperature low cycle fatigue using EBSD techniqueScr. Mater., 43 (2000), pp. 167-173
- [7]Relationship between localized strain and irradiation assisted stress corrosion cracking in an austenitic alloyMater. Sci. Eng., A, 528 (2011), pp. 3730-3740
- [8]An EBSD examination of SUS316 stainless steel irradiated to 73 dpa and deformed at 593 KJ. Nucl. Mater., 417 (2011), pp. 958-962
- [9]A model for the normal stress dependence of intergranular cracking of irradiated 316 L stainless steel in supercritical waterJ. Nucl. Mater., 408 (2011), pp. 142-152
- [10]Role of localized deformation in irradiation-assisted stress corrosion cracking initiationMetall. Mater. Trans. A, 43 (2012), pp. 136-146
- [11]An approach to grain boundary design for strong and ductile polycrystalsRes. Mechanica., 11 (1984), pp. 47-84
- [12]Grain boundary design and control for intergranular stress-corrosion resistanceScr. Metall. Mater., 25 (1991), pp. 1775-1780
- [13]On the relationship between grain boundary connectivity, coincident site lattice boundaries, and intergranular stress corrosion crackingCorros. Sci., 46 (2004), pp. 2383-2404
- [14]Study of grain boundary character along intergranular stress corrosion crack paths in austenitic alloysActa Mater., 49 (2001), pp. 1589-1598
- [15]The Measurement of Grain Boundary GeometryInstitute of Physics Pub, Bristol (1993)
- [16]Applications for grain boundary engineered materialsJOM, 50 (1998), pp. 40-43
- [17]In situ observation of intergranular crack nucleation in a grain boundary controlled austenitic stainless steelJ. Microsc., 233 (2009), pp. 423-431
- [18]Twinning-related grain boundary engineeringActa Mater., 52 (2004), pp. 4067-4081
- [19]Observations of intergranular stress corrosion cracking in a grain-mapped polycrystalScience, 321 (2008), pp. 382-385
- [20]Carbide precipitation and grain boundary plane selection in overaged type 316 austenitic stainless steelMater. Sci. Eng., A, 496 (2008), pp. 256-261
- [21]Plastic strain mapping with sub-micron resolution using digital image correlationExp. Mech., 2 (2013), pp. 1-12
- [22]Plasticity of CrystalsF.A, Hughes (1950)
- [23]Grain boundary deformation-induced intergranular stress corrosion cracking of Ni–16Cr–9Fe in 360 °C waterCorrosion., 59 (2002), pp. 705-720
- [24]Strain incompatibilities and their role in intergranular cracking of irradiated 316 L stainless steelJ. Nucl. Mater., 441 (2013), pp. 623-632
- [25]Accumulation of geometrically necessary dislocations near grain boundaries in deformed copperPhil. Mag. Lett., 92 (2012), pp. 580-588
- [26]A new approach for DL-EPR testing of thermo-mechanically processed austenitic stainless steelCorros. Sci., 53 (2011), pp. 4213-4222
- [27]Effects of orientation, stress and exposure time on short intergranular stress corrosion crack behaviour in sensitised type 304 austenitic stainless steelFatigue Fract. Eng. Mater. Struct., 35 (2012), pp. 359-373
- [28]In-situ observation of short fatigue crack propagation in oxygenated water at elevated temperature and pressureCorros. Sci., 68 (2013), pp. 34-43
- [29]Preliminary evaluation of digital image correlation for in-situ observation of low temperature atmospheric-induced chloride stress corrosion cracking in austenitic stainless steels, 216th ECS Meeting 2009ECS Trans. (2010), pp. 119-132
- [30]Correlations of electrochemical noise, acoustic emission and complementary monitoring techniques during intergranular stress-corrosion cracking of austenitic stainless steelCorros. Sci., 52 (2010), pp. 2015-2025
- [31]P. Wood, J. Duff, T. Marrow, Imaging Autoclave Development for In-Situ Optical Measurement of High Temperature Aqueous Corrosion Processes, in: 12th International Conference on Fracture, ICF12, 12–17 July, Ottawa, Canada, 2009.
- [32]Three dimensional observations and modelling of intergranular stress corrosion cracking in austenitic stainless steelJ. Nucl. Mater., 352 (2006), pp. 62-74
- [33]Intergranular and intragranular behavior of polycrystalline aggregates. Part 1: FE modelInt. J. Plast., 17 (2001), pp. 513-536
- [34]I. Simonovski, L. Cizelj, T. Marrow, J.Q. da Fonseca, A. King, Towards Modelling Intergranular Stress-Corrosion Cracks Using Experimentally Obtained Grain Topologies, in: ASME 2009 Pressure Vessels and Piping Conference, American Society of Mechanical Engineers, 2009.
- [35]D. Gonzalez, I. Simonovski, P.J. Withers, J. Quinta da Fonseca, Modelling the effect of elastic and plastic anisotropies on stresses at grain boundaries, Int. J. Plasticity, in press. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijplas.2014.03.012.
- [36]An improved depleted-zone theory of 18.8 intergranular corrosion of stainless steelJ. Iron Steel Inst., 207 (1969), pp. 77-85
Cited by (90)
Current developments of nanoscale insight into corrosion protection by passive oxide films
被动氧化物膜对腐蚀防护的纳米尺度洞察2018, Current Opinion in Solid State and Materials Science
2018,《固体与材料科学前沿》A mechanistic study of SCC in Alloy 600 through high-resolution characterization
对合金 600 的应力腐蚀开裂的机理研究通过高分辨率表征2018, Corrosion Science 2018,《腐蚀科学》Corrosion evaluation of alloys and MCrAlX coatings in molten carbonates for thermal solar applications
热太阳能应用中熔融碳酸盐中合金和 MCrAlX 涂层的腐蚀评估2016, Solar Energy Materials and Solar Cells
2016,《太阳能材料与太阳能电池》Implication of grain boundary engineering on high temperature hot corrosion of alloy 617
晶粒边界工程对合金 617 高温热腐蚀的影响2016, Corrosion Science 2016,《腐蚀科学》Modelling the effect of elastic and plastic anisotropies on stresses at grain boundaries
模拟弹性与塑性各向异性对晶粒边界处应力的影响2014, International Journal of Plasticity
2014,《国际塑性学杂志》J-Integral Calculation by Finite Element Processing of Measured Full-Field Surface Displacements
通过有限元处理测量全场表面位移的 J 积分计算2017, Experimental Mechanics
2017,《实验力学》
版权所有 © 2014 Elsevier Ltd. 保留所有权利。