材料的应力腐蚀

材料应力腐蚀

材料在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏叫应力腐蚀。这里需强调的是应力和腐蚀的共同作用。材料应力腐蚀具有很鲜明的特点，应力腐蚀破坏特征，可以帮助我们识别破坏事故是否属于应力腐蚀，但一定要综合考虑，不能只根据某一点特征，便简单地下结论。影响应力腐蚀的因素主要包括环境因素、力学因素和冶金因素。

原理

应力腐蚀是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。

应力腐蚀一般认为有阳极溶解和氢致开裂两种。常见应力腐蚀的机理是:零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极

处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。

影响

应力腐蚀过程试验研究表明:当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。一般存在拉应力，但实验发现压应力有时也会产生应力腐蚀。对于裂纹扩展速率，应力腐蚀存在临界KISCC，即临界应力强度因子要大于KISCC，裂纹才会扩展。一般应力腐蚀都属于脆性断裂。应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为10- 6~10-3 mm/min，而且存在孕育期，扩展区和瞬断区三部分。

容易发生应力腐蚀的设备发生这种腐蚀的主要设备有热交换器、冷却器、蒸汽发生器、送风机、干燥机和锅炉

特点

(1)造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力(近年来，也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。这个应力可以是外加应力，也可以是焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力。最早发现的冷加工黄铜子弹壳在含有潮湿的氨气介质中的腐蚀破坏，就是由于冷加工造成的残留拉应力的结果。假如经过去应力退火，这种事故就可以避免。

(2)应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性变形。

(3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。例如α黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而β黄铜在水中就能破裂。

(4)应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。

(5)应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直

于拉力轴。

(6)应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳

断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。

(7)应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，

应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。

(8)应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。如果

是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。

测试方法

早期对应力腐蚀开裂的研究是采用光滑试样，在特定介质中于不同应力下测定金属材料的滞后破坏时间。用这种方法已积累了大量的

数据，对于了解应力腐蚀破坏问题起了一定作用。但还有很多不足之处，主要有:

(1)因数据分散，有时可能得出错误的结论。

(2)不能正确得出裂纹扩展速率的变化规律。

(3)费时，且不能用于工程设计。

现在对应力腐蚀的研究，都是采用预制裂纹的试样。将这种试样放在一定介质中，在恒定载荷下，测定由于裂纹扩展引起的应力强度因子K随时间的变化关系(具体测试方法将在下面介绍)，据此得出材料的抗应力腐蚀特性。

例如图5-1所示Ti-8Al-1Mo-1V，其K1c=100MPa.m1/2。在3.5%盐水中，当初始K值仅为40MPa.m1/2时，仅几分钟试样就破坏了。如果将值K稍微降低，则破坏时间可大大推迟。当K值降低到某一临界值时，应力腐蚀开裂实际上就不发生了。这一K值我们称之为应力腐蚀门槛值，以K1SCC表示(SCC是Stress Corrosion Cracking的缩写)。

(1)K

(2)K1SCC

(3)K>K1C时，加上初始载荷后立即断裂。尽管初始K值不同，裂纹扩展速率和断裂时间也不同，但材料的最终破坏都是在K=K1C时发生的。

应该指出，高强度钢和钛合金都有一定的门槛值K1SCC，但铝合金却没有明显的门槛值，其门槛值只能根据指定的试验时间而定。一般认为对于这类试验的时间至少要1000小时，使用这类K1SCC数据时必须十分小心。特别是如果所设计的工程构件在腐蚀性环境中应用的时间比产生K1SCC数据的试验时间长时，更要小心。

除了用K1SCC来表示材料的应力腐蚀抗力外，也可测量裂纹扩展速率da/dt。

下面简单介绍应力腐蚀破裂的测试方法。

一种是载荷恒定，使K1不断增大的方法，最常用的是恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置。另一种测定K1SCC的方法是位移恒定，使K1不断减少,用紧凑拉伸试样和螺栓加载。

这两种方法各有其优缺点。用悬臂梁弯曲方法可得到完整的K1初始-断裂时间曲线，能够较准确的确定K1SCC，缺点是所需试样较

多。恒位移法不需特殊试验机，便于现场测试，原则上用一个试样即可测定K1SCC值，缺点是裂纹扩展趋向停止的时间很长。当停止试验时，扩展的裂纹前沿有时不太规整，在判定裂纹究竟是扩展了还是已停止扩展发生困难，因此在计算K1SCC时就有一定误差。

影响因素

环境因素

奥氏体不锈钢对卤化物元素是十分敏感的;同样，一些铜合金对含氨的环境也是很敏感的。奥氏体不锈钢固然对氯化物产生应力腐蚀很敏感，但氯或卤素离子并不是唯一的决定因素，产生SCC还必须有氧存在。对加铌的18-8不锈钢研究发现，只要其中有百万分之几的氧就能和氯化物共同造成应力腐蚀。奥氏体不锈钢在沸腾的MgCl2溶液中，只有氮浓度超过500X10-6才产生SCC，而在氮浓度小于

500X10-6时，则不发生应力腐蚀。溶液的PH值对应力腐蚀的敏感性也有很大的影响。

力学因素

经轧制的高强度铝合金7075-T6板材，当沿着轧制方向取样作拉伸试验时，对应力腐蚀的抗力最高，门槛应力可达420MPa;当沿着板宽方向取样时，其门槛应力则为224MPa;如沿板厚方向取样作拉伸试验时，门槛应力只有49MPa，几乎只有轧制方向的1/10。7075-T6铝合金所显示的应力方向性。

图5-3表示四种高强度钢淬火回火至大约抗拉强度为1650MPa时，它们的应力强度因子和断裂时间的关系。试样经预制裂纹在蒸馏水中施加不同载荷，可看出四种钢均有一恒定的K1SCC，在K1SCC以下试样不断裂。在这四种钢处理成相同的抗拉强度时，它们的K1SCC也相同，但是当K1>K1SCC时，这四种钢的断裂时间相差还是较多的。

热处理成不同强度的40CrNiMo(4340)，其应力腐蚀的裂纹扩展

速率和应力强度因子的关系，可见当屈服强度较高时，裂纹扩展表现出两个阶段，开始时裂纹扩展速率随应力强度因子的增加而升高，当应力强度因子增加到一定数值时，裂纹扩展速率便保持恒定不再与应力强度因子有关了。这一实验结果具有一定的典型性，几乎所有的高强度钢包括马氏体时效钢，还有高强度铝合金都有此规律。

冶金因素

(1)材料成份的影响;

(2)材料组织的影响;

(3)材料强度的影响。

机理

应力腐蚀机理就是滑移-溶解理论。它可以简单地归结为四个过程，这就是滑移-膜破-阳极溶解-再钝化。这一机理所提出的基本概念广为多数人接受。但是，滑移-溶解机理只能很好地解释沿晶断裂

的应力腐蚀，而对穿晶型断裂如奥氏体不锈钢的氯脆，却遇到了很大困难。因为穿晶断裂型的应力腐蚀，其断裂表面不是在滑移面上，断裂具有类似解理的特征。

防止应力腐蚀的办法要视具体的材料-介质而定。例如低碳钢容易产生碱脆和硝脆。在锅炉的铆接和焊接部位，少量的渗漏使溶融的盐形成局部高浓度的苛性钠，易产生碱脆。对于碱脆就要时时注意锅炉用水处理，减少PH值或加入强氧化剂使钢表面钝化，加入一些抑制剂如硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐都可减缓应力腐蚀，也可用阴极保护的办法。而对于硝脆则正相反，要增加溶液的PH值，或加入苛性钠等碱性物质延缓应力腐蚀，当然，从电化学防护来说也可用阴极保护。对奥氏体不锈钢的氯脆，首先从合金的成分加以改进，如从低镍的18-8型(304、302型)改变成高镍并加钼的316型，进而采用A+F的双相钢。对奥氏体不锈钢也要特别注意冷变形或者焊接后的去除应力处理。