應力腐蝕開裂

材料或零件在應力和腐蝕環境的共同作用下引起的開裂稱為應力腐蝕開裂，這是應力與腐蝕聯合作用的結果。如果只有一個方面，應力或者介質的作用，破壞不會發生，但當二者聯合作用時，卻能很快發生開裂。因此，發生應力腐蝕時，應力是很低的，介質的腐蝕性也是很弱的，也正由於此，應力腐蝕經常受到忽視，導致“意外”事故不斷發生。

基本介紹

• 中文名：應力腐蝕開裂
• 外文名：Stress corrosion cracking
• 分類：等點腐蝕、晶間腐蝕
• 特點：主裂紋擴展時常有分枝等
• 套用：冶金

簡介

應力腐蝕開裂具有脆性斷口形貌，但它也可能發生於韌性高的材料中。發生應力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應力（不論是殘餘應力還是外加應力，或者兩者兼而有之）和特定的腐蝕介質存在。裂紋的形成和擴展大致與拉應力方向垂直。這個導致應力腐蝕開裂的應力值，要比沒有腐蝕介質存在時材料斷裂所需要的應力值小得多。在微觀上，穿過晶粒的裂紋稱為穿晶裂紋，而沿晶界擴展的裂紋稱為沿晶裂紋，當應力腐蝕開裂擴展至其一深度時（此處，承受載荷的材料斷面上的應力達到它在空氣中的斷裂應力），則材料就按正常的裂紋（在韌性材料中，通常是通過顯微缺陷的聚合）而斷開。因此，由於應力腐蝕開裂而失效的零件的斷面，將包含有應力腐蝕開裂的特徵區域以及與已微缺陷的聚合相聯繫的“韌窩”區域。

應力腐蝕開裂過程示意圖

分類

1、點腐蝕

是一種導致腐蝕的局部腐蝕形式。

2、晶間腐蝕

晶粒間界是結晶學取向不同的晶粒間紊亂錯合的界城，因而，它們是鋼中各種溶質元素偏析或金屬化合物（如碳化物和δ相）沉澱析出的有利區城。因此，在某些腐蝕介質中，晶粒間界可能先行被腐蝕乃是不足為奇的。這種類型的腐蝕被稱為晶間腐蝕，大多數的金屬和合金在特定的腐蝕介質中都可能呈現晶間腐蝕。

3、縫隙腐蝕

是局部腐蝕的一種形式，它可能發全於溶液停滯的縫隙之中或禁止的表面內。這樣的縫隙可以在金屬與金屬或金屬與非金屬的接合處形成，例如，在與鉚釘、螺栓、墊片、閥座、鬆動的表面沉積物以及海生物相接燭之處形成。

4、全面腐蝕

是用來描述在整個合金表面上以比較均勺的方式所發生的腐蝕現象的術語。當發生全面腐蝕時，材料由於腐蝕而逐漸變薄，甚至材料腐蝕失效。不鏽鋼在強酸和強鹼中可能呈現全面腐蝕。全面腐蝕所引起的失效問題並不怎么令人擔心，因為，這種腐蝕通常可以通過簡單的浸泡試驗或查閱腐蝕方面的文獻資料而預測它。

應力腐蝕開裂特點

1、造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低於材料的屈服強度，而且一般是拉伸應力。

2、應力腐蝕造成的破壞，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相組合時才會造成應力腐蝕。

4、應力腐蝕的裂紋擴展速率—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，使剩餘下的斷面不能承受外載時，就突然發生斷裂。

5、應力腐蝕的裂紋多起源於表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直於拉力軸。

6、應力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產物。

7、應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。

8、應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。

產生應力腐蝕的材料一環境組合

應力腐蝕抗力指標

早期對應力腐蝕開裂的研究是採用光滑試樣，在特定介質中於不同應力下測定金屬材料的滯後破壞時問。用這種方法已積累了大量的數據，對於認識應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、因數據分散，有時可能得出錯誤的結論

這是因為光滑試樣的破壞包括了裂紋形成和裂紋擴展兩個過程。而裂紋的形成受表面光潔度、表面氧化膜等因素的影響很大，使得到的試驗數據分散，有時甚至給人以假象。例如美國海軍實驗室曾對高強度鈦合金Ti-8A1-1Mo-1 V進行應力腐蝕性能研究。當用光滑試樣在3.5%NaCl水溶液中進行應力腐蝕試驗時，由於表面有一層緻密的氧化膜，裂紋很難形成，斷裂時間很長，以致人們認為這種合金將是潛艇殼體的新一代材料。可是當改用帶裂紋的試樣試驗時，則在很短的時間內就斷裂了。可見這種材料對3.5%NaCl水溶液實際上是很敏感的。

2、不能得出裂紋擴展速率的變化規律

因為這種傳統的方法是以名義應力作為裂紋擴展驅動力的，它不能反映裂紋頂端的應力狀態。只有把斷裂力學引入應力腐蝕的研究以後，這一問題才得到解決。

3、費時，且不能用於工程設計

現在對應力腐蝕的研究，都是採用預製裂紋的試樣。將這種試樣放在一定介質中，在恆定載荷下，測定由於裂紋擴展引起的應力強度因子K隨時間的變化關係，據此得出材料的抗應力腐蝕特徵。

防止應力腐蝕開裂的措施

1、合理選擇材料

針對零件所受的應力和使用條件選用耐應力腐蝕的材料，這是一個基本原則。如銅對氨的應力腐蝕敏感性很高，因此，接觸氨的零件應避免使用銅合金；又如在高濃度氯化物介質中，一般可選用不含鎳、銅或僅含微量鎳、銅的低碳高鉻鐵素體不鏽鋼，或含矽較高的鉻鎳不鏽鋼，也可選用鎳基和鐵一鎳基耐蝕合金。

2、減少或消除零件中的殘餘拉應力

殘餘拉應力是產生應力腐蝕的重要條件。為此，設計上應儘量減小零件上的應力集中。從工藝上說，加熱和冷卻要均勻，必要時採用退火工藝以消除內應力。或者採用噴丸或表面熱處理，使零件表層產生一定的殘餘壓應力對防止應力腐蝕也是有效的。

3、改善介質條件

這可從兩個方面考慮：一方面設法減少或消除促進應力腐蝕開裂的有害化學離子，如通過水淨化處理，降低冷卻水與蒸汽中的氯離子含量對預防奧氏體不鏽鋼的氯脆十分有效；另一方面，也可以在腐蝕介質中添加緩蝕劑，如在高溫水中加入300×10^-6mol/L的磷酸鹽，可使鉻鎳奧氏體不鏽鋼抗應力腐蝕性能大大提高。

4、採用電化學保護

由於金屬在介質中只有在一定的電極電位範圍內才會產生應力腐蝕，因此採用外加電位的方法，使金屬在介質中的電位遠離應力腐蝕敏感電位區域，這也是防止應力腐蝕的一種措施，一般採用陰極保護法。不過，對高強度鋼和其他氫脆敏感的材料，不能採用這種保護方法。有時採用犧牲陽極法進行電化學保護也是很有效的。