通常情况下,影响应力腐蚀的原因有:应力的大小、金属材料的成分与组织、特定环境下腐蚀介质的种类及浓度、温度等。如果金属零部件内不存在拉应力,在材料寿命期内不会产生开裂现象。但是如果存在一定的拉应力,并且达到一定水平后,金属零部件就会产生严重的腐蚀开裂,而且毫无征兆,容易导致灾难性事故发生。
316奥氏体不锈钢、高强钢、铝合金等金属零部件,在海水环境下都会出现一定的应力腐蚀现象。为了预防这一现象发生,可以对船舶关键部位的零件进行应力大小的测量和应力性质的判定,在一定程度上预防应力腐蚀开裂,为船舶系统零部件的可靠运行提供一定的数据支持。
由于船舶系统零件的应力腐蚀时效多发生在设备交付使用后,因此船舶系统零件最好进行无损应力检测。而且,由于船舶系统中容易发生应力腐蚀的位置大多出现在船底,需要长期接触海水,所以船舶零件的应力测试设备应该具有便携性。同时,应力腐蚀失效部位往往也存在较多的腐蚀产物,由腐蚀产物构成的不导电层对应力的测试也有一定程度的影响。
常用的应力测试表征方法有机械法、磁性法、超声波法、压痕法、X射线衍射法及数字图像相关法。
1、机械法
机械法是通过机械打孔的手段对零部件进行应力测试,机械法中测试应力的常用方法是钻孔法。
钻孔法的基本原理是通过对零部件表面进行钻孔从而使其应力得到释放,依据预先贴好的应变片来测量钻孔前后的应变情况,运用相应的力学公式计算出对应的主应力值及主应力方向,从而确定出该位置的应力大小和应力性质。钻孔法具有测试精度较高、设备简单、易于现场操作、应力测试深度较深(1.5~2.0mm)、对零部件损伤程度小等特点,国内各船厂的焊接残余应力大多采用钻孔法进行测试。
但对于工程应用中的零部件,应尽量不采用钻孔法进行应力测试,因为钻孔会对零部件的表面造成损坏,在一定程度上会改变材料表面的应力分布,导致材料力学性能发生改变。因此,该方法不适用于船舶系统零部件的应力测试。
2 、磁性法
磁性法的基本原理是利用铁磁性材料的磁致伸缩效应(即铁磁性材料在应力的作用下其磁化状态会发生变化)来测量应力。当材料在受力不大时,磁导率的相对变化量与应力成正比。磁性法通过测试金属零部件内部的磁场变化情况来反映应力变化情况,常见的磁性法有金属磁记忆法、磁应变法、磁声发射法等。
磁性法与其他应力测试表征方法相比,具有无辐射、无损害、测试速度快、深度大(可达数毫米)、携带方便等特点,可以在现场对工件进行残余应力测试。但是磁性法的局限性在于其只能应用于铁磁材料,并且对材料的内部结构较敏感。因此,测试结果的准确性易受到影响,且每次测试都需事先标定。
有资料指出应力与磁导率的关系在应力小于300MPa时才近似于线形,这些都在一定程度上限制了磁性法在工业上的应用。船舶系统里大部分材料都要求是无磁性的,因此磁性法在船舶与海工领域的应用较少。
3、超声波法
超声波法可以无损地测量工件表面及内部的残余应力,是无损测量方法中很有发展潜力的一种方法。该方法是基于OKADA于1940年提出应力引起的声双折射现象和1953年美国田纳西大学HUGHE和KELLY提出的声弹性理论而发展起来的。
超声波法中最常用的是声速法和频谱法。声速法是根据超声波的弹性公式建立起的波速与应力之间的关系曲线,由超声波速度的变化推算出应力的大小与性质;频谱法是根据传播速度不同的两束波发生干涉效应,从而推算出应力的大小与性质。
超声波法测试应力目前多采用GB/T 32073—2015«无损检测残余应力超声临界折射纵波检测方法»,具有较好的方向性和较强的穿透性,能够无损地测试零件的表面应力和内部应力,并且测试的是应力传播方向的平均值。同时,超声波法的设备轻便,可以实现现场检测。但是该方法易受材料状况(组织、织构等)、零部件性质、工作环境等的影响,测试精度较低。
4、 X射线衍射法
X射线衍射法,是指使用X射线探测某些分子或晶体结构的科研方法。最早由前苏联学者AKCEHOB在1929年研究提出,而后在1961年德国学者MACHERAUCH提出了X射线衍射法,至此X射线衍射法才引起各国学者的广泛关注与深入研究。
应力的测试方法中以X射线衍射法的应用较为普遍,因为其理论推导严格成熟,测量结果准确可靠,并且在测量表面残余应力时该方法完全是无损的。X射线衍射法配合电解腐蚀剥层也可以测量应力沿层深的分布,测试光斑一般为2mm左右。
在船舶与海工领域,应力大小的测试和应力性质的评价是船舶系统零部件安全可靠运行所必须的。各种测试评价方法在有效性、准确性和操作简便性等方面都有自己的优缺点。根据其特点,只要合理运用,就可以满足不同情况下的测试需求,为船舶系统零部件的安全可靠运行提供一定的技术支持。

