金属材料应力腐蚀裂纹的探讨

/ 实验教学 /

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2013年2月下 第06期（总第300期）

10.3969/j.issn.1671-489X.2013.06.131

金属材料应力腐蚀裂纹的探讨

陶勇

四川建筑职业技术学院 四川德阳 618000

摘 要 金属被环境介质的化学以及电化学作用而受破坏过程即腐蚀。根据工程实情，对应力腐蚀裂纹的形成等问题展开研究，对设计中怎样更有效地实施措施以防止金属材料应力腐蚀的现象发生以及在生产实践中怎样处理金属材料应力腐蚀裂纹的问题进行探究。关键词 金属材料；应力腐蚀；裂纹

中图分类号：T G111.91 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2013)06-0131-02Discussion of Metal Material Stress Corrosion Crack //Tao Yong

Abstract Corrosion means the process which metal is damaged by the environmental medium through chemical and electrochemical action. According to the actual project situation, with the help of the study of stress corrosion crack issues, we have explored the methods about how to deal with such problems effectively and prevent the crack in the design.Key words Metal material; stress corrosion; crack

1 应力腐蚀概论

应力腐蚀指的是金属材料或结构处于静载拉应力与一定的腐蚀环境一起作用下所导致发生的脆性破裂。1.1 金属材料应力腐蚀裂纹

金属材料于一定的腐蚀环境中，被应力作用，因着金属本身微观径路在设限范围内产生腐蚀而呈现裂纹的现象称应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹的特征是金属外表为脆性机械断裂。裂纹只产生于金属的部分区域，由内向外发展，通常是与作用力保持垂直状态。金属材料应力腐蚀裂纹同简单因应力导致的破坏不一样，其腐蚀在极其微弱的应力条件下也可以产生；金属材料应力腐蚀裂纹同单一因腐蚀造成的破坏也不一样，其腐蚀性最为微弱的介质也可以导致腐蚀裂纹。而处于严重的全面腐蚀状况下，则不易发生应力腐蚀裂纹现象。应力腐蚀外表没有变化，裂纹发展速度极快并且很难意料，因此可以说是一种具有极大危害性的破坏形式。它的破坏往往是无法意料的，就发展速度而言，能够达到孔蚀的数百万倍。导致设备发生渗漏现象及至爆炸，是所有腐蚀形态中最具危害的一种。1.2 氢脆理论

依据裂纹发展阶段的电化学反应，可将应力腐蚀划分成阳极和阴极两个反应敏感型。具体说明：1）应力腐蚀阳极反应敏感指的是此类应力腐蚀裂纹的产生与发展阶段都是受裂纹处金属的阳极溶解制约的，裂纹的发展快慢也是由金属阳极溶解的快慢决定；2）应力腐蚀阴极反应敏感指的是此类应反应阶段中因阴极吸氢而导致的脆性破坏，其也称之为氢脆型应力腐蚀。而氢脆裂纹指的是金属材料在应力作用下，因为腐蚀反应所产生的氢为金属所吸收出现氢蚀脆化导致的裂纹。

金属材料并非是在各种腐蚀环境中均出现应力腐蚀裂纹。不同的金属材料的应力腐蚀均需一定的腐蚀环境。因各金属材料适用范围的逐渐扩大，腐蚀环境的类型也呈现数量

增加的趋势[1]。

2 金属材料发生应力腐蚀的特征

通常所讲的应力腐蚀，即阳极反应敏感应力腐蚀。对于金属材料发生应力腐蚀的特征，可从4个方面来加以说明。2.1 金属材料发生应力腐蚀裂纹必须是拉应力

只有处于应力（特别是拉应力）的状态下，才会发生应力腐蚀裂纹。发生应力腐蚀的应力属于其中的静态部分，它既可能是外加载荷或者装配力（包括拧螺栓、胀接力等）引发的应力，也可能是构件在制造、热处理、焊接等加工阶段中发生的内应力。不论来源怎样，造成应力腐蚀裂纹的应力一定包含拉伸应力的成分，压缩应力是不能引发应力腐蚀裂纹的。而且，此种应力往往是很轻微的，若不是在腐蚀环境条件中，此弱小的应力是不能够让构件产生机械性破坏的。促成破坏的应力值要依据材料、腐蚀介质等实际情况来定[2]。2.2 促成一定金属材料产生应力腐蚀的环境介质是特定的

发生应力腐蚀的材料与介质并非任意的，只在两者处于某种组合时才能产生应力腐蚀。引发一般钢应力腐蚀的腐蚀介质包括的溶液有：氢氧化物；含有硝酸、碳酸盐、硫化氢的水；海水，硫酸与硝酸混合；融化的锌、锂；热状态的三氯化铁；液体氨。引发奥氏体不锈钢应力腐蚀介质包括的溶液有：具有酸性、中性的氯化物；海水；热融的氯化物；热状态的氟化物、氢氧化物[3]。2.3 金属材料

通常极纯的金属不会发生应力腐蚀破坏，只是处于合金或者包含杂质的金属中才能够产生。因为金属材料与腐蚀环境互相作用的状况不尽相同，金属材料应力腐蚀裂纹也都不尽相同。裂纹或沿晶粒边缘发生；或延伸到晶粒内部而又明显分枝；裂纹或与晶粒边缘、晶粒内部都没有关系。2.4 破坏过程

金属材料应力腐蚀裂纹，往往在没有意料的状况下突然

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参考文献

[1]祝智庭.基础教育信息化发展新模式[J].中国教育信息化,2011(18).

[2]李才俊.综合实践活动课程的实施与学生学习方式的转变[J].课程・教材・教法,2007(10):14-18.[3]佐藤学.学习的快乐[M].横滨:世织书房,1999:177-183,59.

[4]陈功.保罗・莱文森的媒介演进线路图谱[J].新闻与传播研究.2012(2):27-29,38.[5]张传燧.论综合实践活动的实施[J].课程・教材・教法,2002(7):16-20.

产生，因此危害性非常大。具体表现为3个阶段：1）孕育阶段，系金属材料在应力腐蚀裂纹发生之前的时段，也是裂纹的成核前的准备时段；2）裂纹稳定发展阶段，在金属材料应力与腐蚀介质的互相作用下，裂纹渐渐发展时段；3）裂纹缺少稳发展阶段，此为最终的机械性破坏。此外，金属材料的应力腐蚀裂纹还具有一个特性——金属的裂纹同其自身厚度无关。

3 影响金属材料应力腐蚀裂纹的因素

3.1 环境方面

奥氏体不锈钢针对卤化物元素比较敏感。同理，有些铜合金针对含氨的环境也敏感。奥氏体不锈钢原本针对氯化物发生应力腐蚀十分敏感，可氯或者卤素离子并非唯一的决断因素，发生SCC 还应当有氧存在。从对加铌的18-8不锈钢分析中得出结论，只需其中拥有百万分之几的氧就可以与氯化物一同促成应力腐蚀。奥氏体不锈钢于沸腾的MgCl 2溶液内，唯氮浓度超出500×10-6

才出现SCC；若氮浓度低于500×10-6时，就不产生应力腐蚀。溶液的pH 值针对金属材料应力腐蚀的敏感性也具有非常大的影响[4]。3.2 力学方面

通过对高强度铝合金7075-T6板材实验，若顺着轧制方向取样板实施拉伸试验，对应力腐蚀的抗力达到最强，门槛应力为420 MPa；若顺着板宽方向取样板实施拉伸试验，其门槛应力达224 MPa；若顺着板厚方向取样板实施拉伸试验，门槛应力只达49 MPa，几乎只达到轧制方向的十分之一。

热处理金属材料的不同强度，影响着金属材料应力腐蚀的裂纹发展速度与应力强度因素的关系。由此可见，当金属材料屈服强度居高时，裂纹发展呈现出两个阶段：开始阶段裂纹发展速率随应力强度因素的增多而增高；当应力强度因素增添到一定的数据时，裂纹发展速率便持续恒定，不再同应力强度因素有关。此实验结果很具有典型性，几乎全部的高强度钢包含马氏体时效钢，以及高强度铝合金均具有如此规律。3.3 冶金方面

共包括三方面的影响：1）金属材料成份；2）金属材料组织；3）金属材料强度。

4 金属材料应力腐蚀裂纹控制途径

金属材料应力腐蚀裂纹是应力与腐蚀环境互相作用导致的。因此，只要去除应力与腐蚀环境二者其中的任一因素，就能够防止裂纹的出现。现实上既没有办法全部去除装置于建造时的残留应力，又没有办法让装置全部甩脱腐蚀性环境。采取以上办法防止应力腐蚀是不能够做到的。所以，往往是利用改变材料的办法克服这个问题。除此之外，焊缝部位因为热应变功效会发生较大的残余应力，而添加热量及冷却的热循环阶段，也会让金属材质出现变化。因此，针对焊缝部分应比针对焊接本体更为注意，应当细致检查是否产生金属材料应力腐蚀裂纹。具体可从4个方面进一步说明：1）应力抑制，降下拉伸应力，去除残余应力，可压低金属材料应力腐蚀裂纹敏感性；2）材料抑制，选取耐应力腐蚀金属材料，在金属材料应力腐蚀体系中，金属材料的屈服强度越高，就越低；3）采取阴极保护的措施；4）腐蚀抑制，有效改进设计，添充缓蚀剂或者消除介质内有害成分。

参考文献

[1]王丽,陈振茂.基于裂纹精细数值模型的应力腐蚀裂纹重构[J].无损检测,2010(9):675-677.[2]杨光辉.浅谈焊接接头应力腐蚀控制方法[J].城市建设理论研究,2011(19).[3]贾宝华,俞海涛.海中钢结构焊接工程技术[J].电焊机,2012(3):1-8.[4]平志刚.奥氏体不锈钢消毒器应力腐蚀断裂分析[J].天津科技,2011(4):89.

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