應(yīng)力腐蝕開裂

1、應(yīng)力腐蝕開裂王博浩過控1201學(xué)號：201209300319摘要：工業(yè)上廣泛應(yīng)用的材料是金屬，而金屬無可避免的會面臨腐蝕問題，而在設(shè)備的腐蝕中，應(yīng)力腐蝕是在其中占有相當(dāng)大比例的一種腐蝕類型。應(yīng)力腐蝕廣泛存在于材料受到靜應(yīng)力條件下，這種腐蝕對于材料是毀滅性的腐蝕。因此，了解應(yīng)力腐蝕的機理和原因以及預(yù)防的方法是十分必要的。腐蝕導(dǎo)致經(jīng)濟的巨大損失已是眾所周知的事實。從國內(nèi)石油化工生產(chǎn)企業(yè)統(tǒng)計，1999年瀘天化年總產(chǎn)值8.284億元，而直接與間接腐蝕經(jīng)濟損失共計6010萬元，占年生產(chǎn)總值的7.25%。儀征化纖廠大修周期從1年改為2年，創(chuàng)凈利潤(2223)億/年。通常認為間接腐蝕損失比直接腐蝕損失大。根

2、據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)，石油工業(yè)的間接腐蝕損失是直接腐蝕損失的3倍。2000年，上海醫(yī)藥集團腐蝕損失是8114萬元；華東電網(wǎng)因鍋爐“四管”腐蝕爆漏導(dǎo)致非計劃停車115次，損失電量29億千瓦小時，經(jīng)濟損失7.7億元。汽車行業(yè)1999年的腐蝕損失約為242億元。以重慶汽車腐蝕調(diào)查為例，重慶市系內(nèi)陸盆地，夏季悶熱，冬天潮濕，年平均氣溫較高，其環(huán)境大氣中的Cl-、SO和HS等含量高，下雨頻率高，酸雨、大霧天氣時有發(fā)生。車輛受大氣環(huán)境的腐蝕十分嚴重，通常新車運行1年后就產(chǎn)生銹斑，2年左右就有腐蝕穿孔現(xiàn)象發(fā)生。由于大面積腐蝕和腐蝕穿孔，通常車輛每年都要進行外涂裝；2年要進行換頂；4年要進行面板、車頂?shù)母鼡Q，大梁、車身

3、骨架的維護，重慶市車輛年均總的腐蝕損失為16057.1萬元。應(yīng)力腐蝕、氫脆、孔蝕等局部腐蝕破壞的發(fā)生難以預(yù)測，極易引起生產(chǎn)設(shè)備的爆炸、火災(zāi)等突發(fā)性災(zāi)難事故，危及職工及生產(chǎn)裝置的安全。如國內(nèi)某天然氣管線曾因硫化氫應(yīng)力腐蝕破壞多次發(fā)生爆炸，其中一次引爆起特大火災(zāi)，造成20多人傷亡；某天然氣井口設(shè)備因硫化氫酸性氣體腐蝕造成井噴，大火燒了二十多天，經(jīng)濟損失慘重；某化肥廠廢熱鍋爐進口管因氫腐蝕引發(fā)爆炸，造成7人死亡等。不光在工業(yè)生產(chǎn)中，在公共設(shè)施中應(yīng)力腐蝕也有著重大的影響北京西直門立交橋1979年建成通車，1999年拆除重建，使用不到20年。除交通流量等客觀因素外，主要是因溶雪撒鹽造成的“鹽腐蝕”。二.

4、應(yīng)力腐蝕的發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂最初出現(xiàn)在19世紀后期，當(dāng)時，人們發(fā)現(xiàn)黃銅彈殼在存儲過程中發(fā)生開裂，由于影響軍事行動，兩次世界大戰(zhàn)之間，人們對此做了大量的工作。19世紀末期出現(xiàn)怫接的蒸汽鍋爐由于堿脆而發(fā)生爆炸及高強度鋼的氫脆現(xiàn)象。20世紀20年代，有報道高強度鋁合金在海水中的應(yīng)力腐蝕問題。20世紀30年代，奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂問題又引起了人們的關(guān)注。直到目前，由于金屬材料廣泛地應(yīng)用在航空、海洋、石油、化工等國民經(jīng)濟的各個部門，應(yīng)力腐蝕開裂又極具破壞性，開裂前沒有明顯的預(yù)兆，它的破壞性和危害性是最大的，所以，金屬在不同介質(zhì)中的應(yīng)力腐蝕開裂一直得到人們的重視。三.應(yīng)力腐蝕的發(fā)生應(yīng)力腐蝕是在應(yīng)力和腐

5、蝕同時作用下產(chǎn)生的。同一種合金在不同的環(huán)境中，會發(fā)生不同的情況。應(yīng)力腐蝕主要發(fā)生在合金中，純金屬一般不會發(fā)生。但并不存在絕對的純金屬,有時也會因有極少的不純物產(chǎn)生斷裂的敏感性，因而也不容忽視其應(yīng)力腐蝕。合金具有裂紋敏感性是因為合金成分中的微小偏析引起微裂紋而致，特別是晶界裂紋幾乎全部是組織的晶界偏析而引起的。另外，在金屬中加人貴金屬合金會增加其應(yīng)力腐蝕的敏感性。引起應(yīng)力腐蝕的環(huán)境是因合金而異的。如表1所示。含氯離子腐蝕介質(zhì)能引起較多種合金的應(yīng)力腐蝕，表中列舉了Hg及其化合物對應(yīng)于Cu合金，硝酸鹽對應(yīng)于鐵素體鋼，硅酸鹽對應(yīng)于Ni合金的組合情況。表1引起應(yīng)力腐性新副環(huán)境舉倒環(huán)%含鉆不鐫鋼奧氏體不橋

6、相Al會金Cu合金Au合金Mg合金Ni合金Ti合金海水="1ITITIT海岸大氣IIT1T工廠大氣IIIT水，水熬氣MH)IT(HJ1ITCH)】T1(H)討化物及水帶液一I一-I硝睢，1一-發(fā)煙硝酸楣或錯HH)IFeCh-FcCijI一就幡!IrI1鼠鼠酸TI磷酸玨at11II=_二舞&INaOH)IT(H)KH)1T(R111軾ITIT-氫國欣T1一I水銀及箕化合物I-錦I1-一1：晶界般蚊丁:晶內(nèi)裝統(tǒng)H：商混裂蚊四.材料應(yīng)力腐蝕的特點1,造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應(yīng)力（近年來，也發(fā)現(xiàn)在不銹鋼中可以有壓應(yīng)力引起）。這個應(yīng)力可以是外加應(yīng)

7、力，也可以是焊接、冷加工或熱處理產(chǎn)生的殘留拉應(yīng)力。最早發(fā)現(xiàn)的冷加工黃銅子彈殼在含有潮濕的氨氣介質(zhì)中的腐蝕破壞，就是由于冷加工造成的殘留拉應(yīng)力的結(jié)果。假如經(jīng)過去應(yīng)力退火，這種事故就可以避免。2.應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。3,只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時才會造成應(yīng)力腐蝕。例如a黃銅只有在氨溶液中才會腐蝕破壞，而B黃銅在水中就能破裂。4,應(yīng)力腐蝕的裂紋擴展速率一般在10-9-10-6m/s,有點象疲勞，是漸進緩慢的，這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發(fā)生斷裂。5,應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直

8、于拉力軸。6.應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。7,應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但不要形成絕對化的概念，應(yīng)力腐蝕裂紋并不總是分枝的。8.應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，具裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。5 .與應(yīng)力腐蝕有關(guān)的因素1 .應(yīng)力腐蝕斷裂與整體腐蝕是完全不同的腐蝕。在腐蝕性較弱，表面保護膜較穩(wěn)定的環(huán)境中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。在整體腐蝕較強的環(huán)境下應(yīng)力腐蝕反而不易發(fā)生。2 .應(yīng)力越大，越易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。在實際操作中，使用一年左右發(fā)生應(yīng)力腐蝕者居多。有學(xué)者認為是

9、工作應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力松弛的緣故。如圖：3 .應(yīng)力腐蝕斷裂與金相組織(晶界、晶粒度、碳化物、氯化物等的析出、火雜物、多相組織等)及合金成分之間有密切的關(guān)系。4 .應(yīng)力腐蝕斷裂與水溶液的pH值有關(guān)。5 .應(yīng)力腐蝕斷裂與水溶液的氧化還原電位的高低有關(guān)。通常在鈍化電位附近的電位區(qū)域較容易裂開6 .利用陰極極化能防止裂紋擴展，且在斷裂過程中，能阻止斷裂的繼續(xù)發(fā)展。而陽極的極化會加速斷裂的發(fā)展。7 .金屬在氣相中比在液相中更易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，如液氨貯罐的斷裂部位經(jīng)常發(fā)生在氣相部位。8 .溫度對產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕有很大的影響。溫度越高，越容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。6 .引起應(yīng)力腐蝕裂紋的應(yīng)力大多數(shù)情況是只有在拉應(yīng)力的時候才發(fā)生

10、應(yīng)力腐蝕，而在壓應(yīng)力的情況下是不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕的。當(dāng)有多向應(yīng)力存在時，其最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力時，即會發(fā)生應(yīng)力腐蝕。股除不銹鋼外，金屬均存在臨界應(yīng)力值，如當(dāng)應(yīng)力低于某一值時，不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，一旦超過該值，即可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕。該值即為臨界應(yīng)力值(ThresholdStessforCracking)。Mg合金及A1合金的臨界應(yīng)力值如下圖所示1010010OO發(fā)生裂紋的時間（分）00959011(求SU蜜蜜陽)3=3圖2M&-3AI-U0306090120150180IZn-9.3Mn合金在NaCl+K£Q溶液中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋的時間與增加應(yīng)力（相對于屈服限的百分比）之間的關(guān)系圖3A

11、l-5.5Zn-2,5Mg-i.5Cu-0.5Cr合金在3.5%NaCl水溶液中反復(fù)沒漬至應(yīng)力腐蝕裂紋出現(xiàn)的天數(shù)與應(yīng)力的關(guān)系一般除不銹鋼外，金屬均存在臨界應(yīng)力值，如下圖所不3015-45Z,WUIxl?)K目留is01101011。104發(fā)生裂紋的時間（分）圖4在MgCh（42%沸騰）中的18-8-Ti（實線）與18-10-Nb（虛線）不銹鋼七.應(yīng)力腐蝕的機理應(yīng)力腐蝕裂紋是沿晶界產(chǎn)生還是在晶內(nèi)產(chǎn)生，主要取決于腐蝕環(huán)境和合金的組成。但也不完全排除由于熱處理工藝的變化而改變了裂紋的途徑。下表顯示了材料與環(huán)境的組合中產(chǎn)生晶界腐蝕和晶內(nèi)腐蝕條件的差異。材料與環(huán)城的組合晶界耍鉉晶內(nèi)里技躋役無迭釋時黃銅（

12、敏+混）好<6Ph68pk>aCu-Al合金t配始Al<3%Al>3%Mr-0-5A1-iZri_0,21Mti(NaCl+K.Cr2Or從到5七滬群從M5C水峰一就制口3%N6H）添加as加63%、£后5-SGlIMd-O3V銅凸，口）通風(fēng)添加0一5*黨想或飽和H1sMg-5A1-V純祺海赤二八.影響應(yīng)力腐蝕的因素（1）環(huán)境因素：奧氏體不銹鋼對鹵化物元素是十分敏感的；同樣，一些銅合金對含氨的環(huán)境也是很敏感的。奧氏體不銹鋼固然對氯化物產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕很敏感，但氯或鹵素離子并不是唯一的決定因素，產(chǎn)生SCCa必須有氧存在。對加鑰的18-8不銹鋼研究發(fā)現(xiàn)，只要其中有百萬

13、分之幾的氧就能和氯化物共同造成應(yīng)力腐蝕。奧氏體不銹鋼在沸騰的MgCl2溶液中，只有氮濃度超過500X10-6才產(chǎn)生SCC而在氮濃度小于500X10-6時，則不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。溶液的PH值對應(yīng)力腐蝕的敏感性也有很大的影響。（2）力學(xué)因素：經(jīng)軋制的高強度鋁合金7075-T6板材，當(dāng)沿著軋制方向取樣作拉伸試驗時，對應(yīng)力腐蝕的抗力最高，門檻應(yīng)力可達420MPa當(dāng)沿著板寬方向取樣時，其門檻應(yīng)力則為224MPa如沿板厚方向取樣作拉伸試驗時，門檻應(yīng)力只有49MPa幾乎只有軋制方向的1/10。7075-T6鋁合金所顯示的應(yīng)力方向性。應(yīng)力因素主要包括載荷類型、載荷大小、加載方向、加載速度等.就應(yīng)力腐蝕開裂而言，應(yīng)

14、力方向必須與晶界相垂直，以便能夠使其分離.產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的關(guān)鍵因素之一就是要有應(yīng)力作用.而不同的應(yīng)力作用會產(chǎn)生不同的效果，交變應(yīng)力和環(huán)境共同作用產(chǎn)生腐蝕疲勞，它和固定應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕破裂通常有明顯區(qū)別.通常腐蝕疲勞比應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的后果更嚴重.止匕外，加載速度的不同也會影響合金應(yīng)力腐蝕的敏感性.(3)冶金因素：冶金因素主要包括鑄造方式、加工方式和熱處金應(yīng)力腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)陰極極化使鋁合金應(yīng)力腐蝕敏感性增大，摩擦攪拌焊接的應(yīng)力腐蝕敏感性比熔焊的低.九.應(yīng)力腐蝕的防護(1)設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)：在壓力容器中應(yīng)盡量使應(yīng)力分布均勻，避免局部應(yīng)力集中。如：不等壁厚的連接應(yīng)采用緩慢過度連接，其斜度一般為1:4;對

15、于臥式設(shè)備的開孔和焊縫應(yīng)避免可能產(chǎn)生拉應(yīng)力處；避免采用角焊縫，盡量采用對接焊縫(如下圖)對于立式設(shè)備不要采用懸掛式支座或塔接式裙座；不要采用不連續(xù)的加強筋或由間斷焊，點焊連接的加強筋；使設(shè)備的邊、孔、角等危險部位處于低應(yīng)力或壓應(yīng)力區(qū)。圖三花)A好3,一不若圖三a.ffa1一不好避免采用間隙結(jié)構(gòu)，由于間隙的存在，不僅使設(shè)備不連續(xù)，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，而且為腐蝕介質(zhì)中的特效離子濃縮提供了條件，是間隙中介質(zhì)的特效離子濃度高于臨界濃度，降低了間隙中介的PH值，從而在電化學(xué)方面滿足了應(yīng)力腐蝕的條件。因此焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成全焊透結(jié)構(gòu)；換熱管與管板的連接應(yīng)采用焊脹并用的結(jié)構(gòu)；接管不能用承插焊。(2)選擇適用耐腐蝕

16、材料：耐蝕材料的選擇包括金屬材料和非金屬材料。這些材料雖然耐腐蝕，但其強度卻很低，在設(shè)計時可將受力件和耐蝕件分開，用耐蝕件做襯里，用高強度材料承受載荷。下表是依稀常用材料產(chǎn)生應(yīng)力破壞的環(huán)境:合金材料工作環(huán)境灰鑄欷、含惶鑄鐵NaOH成蛾鋼OH(NaOH.KOH),K:CO.,COf+HCO'.NO：,NaOH+N/SiOj注液NO/HCN水落液，Mg口fHNOj+HFOeN/P。海液、伐金金鋼CaCl:漆液、無水液氧、紅發(fā)燃黃，CO.+H:0,H/O.HCLCHrOOH.NaOH+iLOJ4馬氏像及鐵素焦木鑄堀NaOH+H,0.C|FarHzS+HQ,NH+H.O.(NHjHOpH.SOHNO,奧氏年不密鋼含量的有機化合物,F、BrH；S+H0,含氯化物的冷凝東.HF。,、NaOH+HpNH3+CO.+HQ,水蕃汽,AgNOy苣H多水家捕合金FeCl產(chǎn)H：0,HC1+HQ,含鼠的有機化合物、MgCkfHQ.HgCI；+HtO(3)通過熱處理消除殘余應(yīng)力：對冷加工件和焊接件進行熱處理，將有助于消除殘余應(yīng)力，從而也有助于防止應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生。大多數(shù)壓力