材料的應(yīng)力腐蝕

1、材料應(yīng)力腐蝕材料在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的破壞叫應(yīng)力腐蝕。這里需強調(diào)的是應(yīng)力和腐蝕的共同作用。材料應(yīng)力腐蝕具有很鮮明的特點，應(yīng)力腐蝕破壞特征，可以幫助我們識別破壞事故是否屬于應(yīng)力腐蝕，但一定要綜合考慮，不能只根據(jù)某一點特征，便簡單地下結(jié)論。影響應(yīng)力腐蝕的因素主要包括環(huán)境因素、力學(xué)因素和冶金因素。原理應(yīng)力腐蝕是指在拉應(yīng)力作用下，金屬在腐蝕介質(zhì)中引起的破壞。這種腐蝕一般均穿過晶粒，即所謂穿晶腐蝕。應(yīng)力腐蝕由殘余或外加應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用產(chǎn)生的材料破壞過程。應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致材料的斷裂稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。應(yīng)力腐蝕一般認(rèn)為有陽極溶解和氫致開裂兩種。常見應(yīng)力腐蝕的機理是：零件或構(gòu)件在應(yīng)力和腐蝕介

2、質(zhì)作用下，表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞，破壞的表面和未破壞的表面分別形成陽極和陰極，陽極處的金屬成為離子而被溶解，產(chǎn)生電流流向陰極。由于陽極面積比陰極的小得多，陽極的電流密度很大，進(jìn)一步腐蝕已破壞的表面。加上拉應(yīng)力的作用，破壞處逐漸形成裂紋，裂紋隨時間逐漸擴(kuò)展直到斷裂。這種裂紋不僅可以沿著金屬晶粒邊界發(fā)展，而且還能穿過晶粒發(fā)展。影響應(yīng)力腐蝕過程試驗研究表明：當(dāng)金屬加上陽極電流時可以加劇應(yīng)力腐蝕，而加上陰極電流時則能停止應(yīng)力腐蝕。一般認(rèn)為壓應(yīng)力對應(yīng)力腐蝕的影響不大。一般存在拉應(yīng)力，但實驗發(fā)現(xiàn)壓應(yīng)力有時也會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。對于裂紋擴(kuò)展速率,應(yīng)力腐蝕存在臨界KISCC即臨界應(yīng)力強度因子要大于KISCC

3、裂紋才會擴(kuò)展。一般應(yīng)力腐蝕都屬于脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率一般為10-6-10-3mm/min,而且存在孕育期，擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)三部分。容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的設(shè)備發(fā)生這種腐蝕的主要設(shè)備有熱交換器、冷卻器、蒸汽發(fā)生器、送風(fēng)機、干燥機和鍋爐特點(1)造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)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)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

4、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(kuò)展速率一般在10-9-10-6m/s,有點象疲勞，是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r一直達(dá)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(kuò)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)

5、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(zhǔn)解理的，具裂紋有似人字形或羽毛狀的標(biāo)記。測試方法早期對應(yīng)力腐蝕開裂的研究是采用光滑試樣，在特定介質(zhì)中于不同應(yīng)力下測定金屬材料的滯后破壞時間用這種方法已積累了大量的數(shù)據(jù)，對于了解應(yīng)力腐蝕破壞問題起了一定作用。但還有很多不足之處，主要有：(1)因數(shù)據(jù)分散，有時可能得出錯誤的結(jié)論。(2)不能正確得出裂紋擴(kuò)展速率的變化規(guī)律。(3)費時，且不能用于工程設(shè)計。現(xiàn)在對應(yīng)力腐蝕的研究，都是采用預(yù)制裂紋的試樣。將這種試樣放在一定介質(zhì)中，在恒定載荷下，測定由于裂紋擴(kuò)展引起的應(yīng)力強度因子K隨時間的變化關(guān)系(具體測試方法將在下面介紹)

6、，據(jù)此得出材料的抗應(yīng)力腐蝕特性。例如圖5-1所示Ti-8Al-1Mo-1V,其K1c=100MPa.m1/2在3.5%鹽水中，當(dāng)初始K值僅為40MPa.m1/2時，僅幾分鐘試樣就破壞了。如果將值K稍微降低，則破壞時間可大大推遲。當(dāng)K值降低到某一臨界值時，應(yīng)力腐蝕開裂實際上就不發(fā)生了。這一K值我們稱之為應(yīng)力腐蝕門檻值，以K1SCCI示(SCC是StressCorrosionCracking的縮寫)。(1)K<K1SCC寸，在應(yīng)力作用下，材料或零件可以長期處于腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生破壞。(2)K1SCC<K<K1廚，在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力共同作用下，裂紋呈亞臨界擴(kuò)展，隨著裂紋不斷增長，裂

7、紋尖端K值不斷增大，達(dá)到K1C時即發(fā)生斷裂。K>K1C時，加上初始載荷后立即斷裂。盡管初始K值不同，裂紋擴(kuò)展速率和斷裂時間也不同，但材料的最終破壞都是在K=K1CM發(fā)生的。應(yīng)該指出，高強度鋼和鈦合金都有一定的門檻值K1SCC但鋁合金卻沒有明顯的門檻值，其門檻值只能根據(jù)指定的試驗時間而定。一般認(rèn)為對于這類試驗的時間至少要1000小時，使用這類K1SC嗷據(jù)時必須十分小心。特別是如果所設(shè)計的工程構(gòu)件在腐蝕性環(huán)境中應(yīng)用的時間比產(chǎn)生K1SC嗷據(jù)的試驗時間長時，更要小心。除了用K1SCC表示材料的應(yīng)力腐蝕抗力外，也可測量裂紋擴(kuò)展速率da/dt。下面簡單介紹應(yīng)力腐蝕破裂的測試方法。一種是載荷恒定，使K

8、1不斷增大的方法，最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗裝置。另一種測定K1SCC勺方法是位移恒定，使K1不斷減少，用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。這兩種方法各有其優(yōu)缺點。用懸臂梁彎曲方法可得到完整的K1初始-斷裂時間曲線，能夠較準(zhǔn)確的確定K1SCC缺點是所需試樣較多。恒位移法不需特殊試驗機，便于現(xiàn)場測試，原則上用一個試樣即可測定K1SCC直，缺點是裂紋擴(kuò)展趨向停止的時間很長。當(dāng)停止試驗時，擴(kuò)展的裂紋前沿有時不太規(guī)整，在判定裂紋究竟是擴(kuò)展了還是已停止擴(kuò)展發(fā)生困難，因此在計算K1SCC寸就有一定誤差。影響因素環(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

9、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SCC®必須有氧存在。對加銀的18-8不銹鋼研究發(fā)現(xiàn)，只要其中有百萬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。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(dá)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

10、只有軋制方向的1/10。7075-T6鋁合金所顯示的應(yīng)力方向性。圖5-3表示四種高強度鋼淬火回火至大約抗拉強度為1650MPa寸,它們的應(yīng)力強度因子和斷裂時間的關(guān)系。試樣經(jīng)預(yù)制裂紋在蒸儲水中施加不同載荷，可看出四種鋼均有一恒定的K1SCC在K1SCCZ下試樣不斷裂。在這四種鋼處理成相同的抗拉強度時，它們的K1SCC&相同，但是當(dāng)K1>K1SCCf,這四種鋼的斷裂時間相差還是較多的。熱處理成不同強度的40CrNiMo(4340),其應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力強度因子的關(guān)系，可見當(dāng)屈服強度較高時，裂紋擴(kuò)展表現(xiàn)出兩個階段，開始時裂紋擴(kuò)展速率隨應(yīng)力強度因子的增加而升高，當(dāng)應(yīng)力強度因子增

11、加到一定數(shù)值時，裂紋擴(kuò)展速率便保持恒定不再與應(yīng)力強度因子有關(guān)了。這一實驗結(jié)果具有一定的典型性，幾乎所有的高強度鋼包括馬氏體時效鋼，還有高強度鋁合金都有此規(guī)律。冶金因素(1)材料成份的影響；材料組織的影響；材料強度的影響。機理應(yīng)力腐蝕機理就是滑移-溶解理論。它可以簡單地歸結(jié)為四個過程，這就是滑移-膜破-陽極溶解-再鈍化。這一機理所提出的基本概念廣為多數(shù)人接受。但是，滑移-溶解機理只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕，而對穿晶型斷裂如奧氏體不銹鋼的氯脆，卻遇到了很大困難。因為穿晶斷裂型的應(yīng)力腐蝕，其斷裂表面不是在滑移面上，斷裂具有類似解理的特征。防止應(yīng)力腐蝕的辦法要視具體的材料-介質(zhì)而定。例如低碳鋼容易產(chǎn)生堿脆和硝脆。在鍋爐的鐘接和焊接部位，少量的滲漏使溶融的鹽形成局部高濃度的苛性鈉，易產(chǎn)生堿脆。對于堿脆就要時時注意鍋爐用水處理，減少PH值或加入強氧化劑使鋼表面鈍化，加入一些抑制劑如硝酸鹽、硫酸鹽、