1 材料应力腐蚀的特点

1 材料应力腐蚀的特点

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。

材料应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点：

(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。

上述的应力腐蚀破坏特征，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。

2 材料应力腐蚀抗力指标及测试方法

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。

3 影响应力腐蚀的因素

1.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。

2.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。

3.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。

5.1.4 应力腐蚀机理及防止办法

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，