應(yīng)力腐蝕是材料的一種退化過程，這一過程會導(dǎo)致構(gòu)件災(zāi)難性的破壞。應(yīng)力腐蝕的發(fā)生需要三個基本條件，即材料、介質(zhì)和應(yīng)力，因此每種應(yīng)力腐蝕對應(yīng)不同的體系。由于應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象發(fā)生突然且危害嚴重，促使人們對其誘發(fā)原因和破裂規(guī)律不斷進行探討。目前，大量的應(yīng)力腐蝕研究工作仍在進行。
1. 機理
奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的機理較多，主要包括滑移溶解機理、隧道、應(yīng)力吸附斷裂機理等。滑移溶解理論是較為公認的應(yīng)力腐蝕開裂機理，金屬在腐蝕介質(zhì)中會形成一層腐蝕產(chǎn)物膜，金屬表面膜的完整性因為位錯滑移而被破壞，基體材料被溶解，新的氧化膜會產(chǎn)生，經(jīng)過滑移－金屬溶解一再形成腐蝕產(chǎn)物膜過程的循環(huán)往復(fù)，使應(yīng)力腐蝕裂紋形核和擴展。滑移溶解機理得到了多數(shù)實驗的驗證，能夠說明SCC穿晶裂紋的擴展，是目前得到普遍認可的機理。但它無法解釋裂紋形核的不連續(xù)性、斷口的匹配性及解理花樣、裂紋面和滑移面的不一致性。
2. 影響因素
奧氏體不銹鋼最常見的應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在含氯離子的環(huán)境中。除了材料和受力狀態(tài)之外，介質(zhì)環(huán)境、構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)以及流場等是影響應(yīng)力腐蝕的主要因素。
①. 氯離子濃度
由于氯離子對應(yīng)力腐蝕的高度敏感性，使得臨界氯離子濃度成為研究應(yīng)力腐蝕因素的重要內(nèi)容。所有的研究表明，同等條件下隨著氯離子濃度升高，應(yīng)力腐蝕開裂敏感性增加。在某些特定的條件下，水中氯離子濃度達到5mg/kg就足以導(dǎo)致斷裂。呂國誠等試驗發(fā)現(xiàn)304不銹鋼在60℃中性溶液中氯離子濃度約為90mg/kg時就會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。而在實際事故中，溫度在80~90℃飽和氧條件下，水中氯離子濃度≤1mg/kg, 304不銹鋼長期使用后也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。
②. 溫度
溫度是不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的另一個重要參數(shù)，一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，應(yīng)力腐蝕開裂越容易。一般認為奧氏體不銹鋼，在室溫下較少有發(fā)生氯化物開裂的危險。關(guān)矞心等。對高溫水中不銹鋼應(yīng)力腐蝕研究發(fā)現(xiàn)，250℃是316L不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的敏感溫度。從經(jīng)驗上看，大約在60~70℃,長時間暴露在腐蝕環(huán)境中的材料易發(fā)生氯化物開裂。對于穿晶型應(yīng)力腐蝕來說，溫度較高時，即使C1-濃度很低，也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。
③. pH值
pH值影響的實質(zhì)是H+對應(yīng)力腐蝕的作用，影響H+的還原過程。pH值越低，開裂敏感性越大。隨著溶液pH值的升高，材料抗氯化物開裂的性能隨之得到改善。但是，pH值在2以下，應(yīng)力腐蝕將會被全面腐蝕代替。
④. 含氧量
在中性環(huán)境中有溶解氧或有其他氧化劑的存在是引起應(yīng)力腐蝕破裂的必要條件。溶液中溶解氧增加，應(yīng)力腐蝕破裂就越容易。在完全缺氧的情況下，奧氏體不銹鋼將不會發(fā)生氯化物腐蝕斷裂。氧之所以促進應(yīng)力腐蝕的發(fā)生尖端裂紋更易形成。
⑤. H2S濃度
在含氯離子的溶液中，H2S的作用是加速陽極溶解，降低孔蝕電位，從而促進由小孔腐蝕誘發(fā)的應(yīng)力腐蝕破裂。在有氧的條件下，H2S與金屬產(chǎn)生FeS,FeS與氧和水發(fā)生反應(yīng)生成連多硫酸。同時，反應(yīng)生成的大量原子氫被吸附在金屬表面，并通過缺陷部位向金屬內(nèi)部擴散，進入金屬內(nèi)部的氫將與位錯發(fā)生交互作用，促進了位錯的發(fā)射和運動，即促進了局部塑性變形，從而降低了材料產(chǎn)生裂紋的臨界應(yīng)力值。
⑥. 應(yīng)力因素
不銹鋼應(yīng)力腐蝕一般由拉應(yīng)力引起，包括工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、溫差應(yīng)力，甚至是腐蝕產(chǎn)物引起的拉應(yīng)力，而由殘余應(yīng)力造成的腐蝕斷裂事故占總應(yīng)力腐蝕破裂事故總和的80%以上。殘余應(yīng)力主要來源于加工過程中由于焊接或其他加熱、冷卻工藝而引起的內(nèi)應(yīng)力。力的主要作用是破壞鈍化膜、加速氯離子的吸附、改變表面膜成分和結(jié)構(gòu)、加速陽極溶解等。
也有研究者認為壓應(yīng)力也可以引起應(yīng)力腐蝕。隨著對應(yīng)力腐蝕研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率才是真正控制應(yīng)力腐蝕裂紋產(chǎn)生和擴展的參數(shù)，應(yīng)力的作用在于促進應(yīng)變。對于每種材料－介質(zhì)體系，都存在一個臨界應(yīng)變速率值。在一定應(yīng)變速率內(nèi)，單位面積內(nèi)萌生的裂紋數(shù)及裂紋擴展平均速率隨應(yīng)變速率的增大而增大。
⑦. 材料因素
研究表明，細晶可以使裂紋傳播困難，提高抗應(yīng)力腐蝕斷裂的能力。奧氏體不銹鋼中少量的δ鐵素體可以提高抗應(yīng)力腐蝕能力，但過多的鐵素體會引起選擇性腐蝕。不銹鋼中的雜質(zhì)對應(yīng)力腐蝕影響也很大，雜質(zhì)的微量變化可能會引起裂紋的萌生。如，S可以增加氯脆的敏感性，MnS可以優(yōu)先被溶解形成點蝕，而氯離子擠入孔核促進點蝕擴展，造成應(yīng)力腐蝕加速。
⑧. 結(jié)構(gòu)與流場
應(yīng)力腐蝕作為一種局部腐蝕，常常受設(shè)備的幾何形狀以及流體的流速、流型等影響。例如，在廢熱鍋爐中，換熱管和管板之間存在微量的縫隙，縫隙中換熱管外壁常會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。Chen等根據(jù)廢熱鍋爐實際運行情況，通過模擬發(fā)現(xiàn)氯離子沉積位置受到管路中湍流量和流動狀態(tài)的影響，在彎曲部位沉積嚴重；對于變徑管模型，氯離子沉積主要集中在突擴處壁面。
3. 裂紋萌生和擴展
對于應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生位置，研究人員普遍認為，一般情況下，裂紋從金屬表面的點蝕坑處形核并擴展。1989年，Kondo最早提出預(yù)測點蝕向腐蝕疲勞裂紋轉(zhuǎn)化的實質(zhì)性方法，他把點蝕坑假設(shè)為與其長、深尺寸相同的二維半橢圓形表面裂紋，認為點蝕向裂紋擴展必須滿足兩個條件：點蝕深度大于門檻值；裂紋生長速率大于點蝕生長速率。在后來的疲勞裂紋產(chǎn)生研究中，該方法得到了廣泛應(yīng)用，并得到了進一步完善。然而，把微小尺寸的點蝕坑等效為裂紋，此時裂紋的應(yīng)力強度因子可能會大于微裂紋的擴展門檻值。為避免以上問題，文獻。進一步研究了應(yīng)力強度因子準則，并對其進行了改進。借鑒Kondo準則，2006年，Turnbull等建立了點蝕轉(zhuǎn)化為應(yīng)力腐蝕的準則，并根據(jù)點蝕生長率公式推導(dǎo)出裂紋萌生時點蝕坑臨界深度。
受觀測技術(shù)的影響，在裂紋萌生研究的早期，人們認為裂紋萌生于點蝕坑底部，并且點蝕坑要超過一定深度裂紋才萌生。然而，隨著觀測技術(shù)的發(fā)展，研究人員發(fā)現(xiàn)，實際的裂紋萌生情況并不像以前推測的那樣。從21世紀初期開始，研究人員借助成像技術(shù)加大了對裂紋萌生過程的觀察。Turnbull和 Horner等通過X射線計算機斷層成像技術(shù)觀察到：裂紋主要萌生于點蝕坑開口部位或者附近。他們對于所觀察到的這一現(xiàn)象，無法從電化學角度來解釋，因此試圖從力學角度出發(fā)尋求解答。于是，Turnbull等采用有限元模擬了圓柱形試樣表面正在生長的半球形點蝕坑受拉伸應(yīng)力時應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，結(jié)果表明：塑性應(yīng)變出現(xiàn)在坑口下面的壁面，而不是坑底。隨著外加應(yīng)力的降低，裂紋發(fā)生在坑口的比例增加，當外加應(yīng)力為50%屈服強度時，沒有裂紋起源于坑底;
因此，Turnbull等認為，在外載荷下點蝕生長引起的動態(tài)塑性應(yīng)變可能是引起裂紋的主要原因，同時，他們也認為不能忽略環(huán)境的作用。另外，Acuna等發(fā)現(xiàn)裂紋萌生主要受合應(yīng)力的方向和點蝕坑深徑比的影響。Zhu等通過對材料施加超低彈性應(yīng)力（20MPa),發(fā)現(xiàn)裂紋優(yōu)先在肩部形核而不是在坑底，因此處應(yīng)力和應(yīng)變較大。Turnbull的研究把淺坑等效為半球形、深坑等效為子彈形，這與實際的點蝕形貌有一定的距。但是，他們對傳統(tǒng)的裂紋萌生模型提出了質(zhì)疑，這給了我們很大的啟示。由于裂紋萌生的復(fù)雜性，最終沒有給出明確的裂紋萌生新模型。
目前，最具代表性應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率定量預(yù)測理論公式是 Ford-Andre-sen公式和FRI公式（也稱為Shoji公式）。但是由于這兩個公式中一些參數(shù)不易確定，很難應(yīng)用到實際工程中。工程中應(yīng)用比較廣泛的應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率經(jīng)驗公式是Clark公式和Paris公式。Clark公式確定了材料的屈服強度和環(huán)境溫度兩個參數(shù)對裂紋擴展速率的影響；Paris公式建立了應(yīng)力強度因子和裂紋擴展速率之間的關(guān)系。以上公式考慮的都是高溫水環(huán)境，對于氯離子環(huán)境下應(yīng)力腐蝕裂紋擴展，這些公式是否適合，還需要進一步的研究。
4. 隨機特性
參數(shù)的不確定性引起對應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生、裂紋尺寸以及應(yīng)力腐蝕失效分析結(jié)果的隨機性。斷裂韌度、屈服強度、缺陷增長率、初始缺陷形狀和尺寸分布以及載荷是應(yīng)力腐蝕隨機性分析所涉及的主要隨機變量。
目前，有關(guān)應(yīng)力腐蝕裂紋萌生、擴展隨機性的研究較少。Turnbull通過分析實驗數(shù)據(jù)，給出了點蝕轉(zhuǎn)化為應(yīng)力腐蝕裂紋可能性的三參數(shù) Weibull分布函數(shù)。1996年，Scarf對焊縫處裂紋萌生和擴展的隨機性進行了研究，他認為裂紋萌生服從齊次泊松過程，裂紋生長滿足Weibull分布，他所建立的概率模型屬于經(jīng)驗公式，沒有考慮裂紋產(chǎn)生的物理過程。
應(yīng)力腐蝕失效的隨機性與失效形式有關(guān)，不同的場合，應(yīng)力腐蝕失效有不同的形式和準則。黃洪鐘和馮蘊雯等認為，當應(yīng)力強度因子KI大于應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強度因子Kiscc 時構(gòu)件就發(fā)生應(yīng)力腐蝕失效。應(yīng)力腐蝕失效更普遍ISCC的形式是泄漏失效和斷裂失效。當裂紋穿透壁厚時長度方向尺寸小于裂紋失穩(wěn)擴展的臨界長度，此時只引起設(shè)備的泄漏，不會產(chǎn)生爆破，這種現(xiàn)象也稱為“未爆先漏（leak before burst,LBB)”［105].從1963年Irwin率先提出未爆先漏的概念。至今，已形成了不同形式的LBB安全評定準則。其中，1990年，Sharp-les等提出的含缺陷結(jié)構(gòu)安全評定的LBB評定圖技術(shù)是應(yīng)用較方便的、較能適合工程安全評定的LBB準則，但是目前該評定圖還只是一種靜態(tài)評定。
當裂紋長度達到一定值時，裂紋便失穩(wěn)擴展，導(dǎo)致設(shè)備應(yīng)力腐蝕斷裂失效。目前，采用斷裂力學理論分析應(yīng)力腐蝕斷裂失效問題已經(jīng)很成熟，同時概率斷裂力學可以很好地解決應(yīng)力腐蝕斷裂失效的隨機性。應(yīng)力腐蝕斷裂失效概率計算中，主要的隨機變量是材料的斷裂韌度。1999年，張鈺等把應(yīng)力強度因子K1和斷裂韌度KIC作為隨機變量，利用兩端截尾分布理論及應(yīng)力－強度干涉模型建立了斷裂韌度的概率設(shè)計方法。材料斷裂韌度是材料固有的特性值，由于分散性較大，一般被認為是服從Weibull分布或正態(tài)分布的隨機變量。應(yīng)力強度因子的分布函數(shù)與材料屈服強度、裂紋形狀和尺寸、應(yīng)力等變量的隨機性有關(guān)。2000年，劉敏等通過分析實驗數(shù)據(jù)，給出了小樣本下焊縫金屬斷裂韌度JIC概率分布函數(shù)的確定方法，得出SUS316L不銹鋼焊縫金屬斷裂韌度的最優(yōu)概率分布函數(shù)為Weibull分布。2010年，Onizawa等考慮焊接殘余應(yīng)力的分布，采用概率斷裂力學分析方法估算了奧氏體不銹鋼管道應(yīng)力腐蝕失效概率。
2001年，薛紅軍等采用概率有限元方法，計算了由載荷隨機性、材料特性隨機性和裂紋幾何形狀隨機性所引起的應(yīng)力強度因子隨機性的統(tǒng)計量，并利用一階可靠性理論確定結(jié)構(gòu)脆性斷裂的失效概率。2009年，Tohgo等采用蒙特卡羅法模擬了敏化304不銹鋼光滑表面應(yīng)力腐蝕過程，微裂紋的萌生率由指數(shù)分布的隨機數(shù)產(chǎn)生，裂紋萌生位置和裂紋尺寸分別由均勻隨機數(shù)和正態(tài)隨機數(shù)生成。祖新星等利用Clark公式計算了裂紋擴展速率，采用蒙特卡羅方法在抽樣及單次時長計算基礎(chǔ)上，對一定年限內(nèi)轉(zhuǎn)子應(yīng)力腐蝕失效的概率進行了預(yù)測，并計算了應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生飛射物的概率。
5. 模糊特性
隨著對結(jié)構(gòu)可靠性的深入研究，在考慮參數(shù)隨機性的同時，人們逐漸認識到結(jié)構(gòu)工程中存在的另一種不確定性，即模糊性。模糊性是指事物概念本身是模糊的，也就是說概念內(nèi)涵模糊，邊界不清楚，在質(zhì)上沒有確切的含義，在量上沒有明確的界限。目前，模糊數(shù)學可以解決由模糊性引起的不確定性問題，其中隸屬函數(shù)可以使模糊性在形式上轉(zhuǎn)化為確定性。陳國明認為在斷裂力學中，一些參數(shù)不僅存在隨機性，而且具有模糊性，并提出了模糊概率斷裂力學分支。在很多研究中，研究人員把裂紋尺寸作為模糊變量，并給出了相應(yīng)的隸屬函數(shù)。周劍秋等同時考慮參數(shù)的隨機性和失效模式模糊性，提出了計算含缺陷壓力管道模糊失效概率的方法。李強等把斷裂事件視為一個模糊事件，計算了模糊疲勞斷裂失效概率。Anoop等對奧氏體不銹鋼管道應(yīng)力腐蝕開裂進行了研究，把溫度作為模糊變量，其余參數(shù)作為隨機變量，給出了在一定載荷下應(yīng)力腐蝕裂紋失效概率的隸屬度函數(shù)。相對于一般概率理論，模糊概率理論起步較晚，尚處于探索階段。
