应力腐蚀开裂.doc

应力腐蚀开裂王博浩 过控1201学号：201209300319摘要：工业上广泛应用的材料是金属，而金属无可避免的会面临腐蚀问题，而在设备的腐蚀中，应力腐蚀是在其中占有相当大比例的一种腐蚀类型。应力腐蚀广泛存在于材料受到静应力条件下，这种腐蚀对于材料是毁灭性的腐蚀。因此，了解应力腐蚀的机理和原因以及预防的方法是十分必要的。一引言腐蚀导致经济的巨大损失已是众所周知的事实。从国内石油化工生产企业统计，1999年泸天化年总产值8.284亿元，而直接与间接腐蚀经济损失共计6010万元，占年生产总值的7.25%。仪征化纤厂大修周期从1年改为2年，创净利润（2223）亿/年。通常认为间接腐蚀损失比直接腐蚀损失大。根据现有数据，石油工业的间接腐蚀损失是直接腐蚀损失的3倍。2000年，上海医药集团腐蚀损失是8114万元；华东电网因锅炉“四管”腐蚀爆漏导致非计划停车115次，损失电量29亿千瓦小时，经济损失7.7亿元。汽车行业1999年的腐蚀损失约为242亿元。以重庆汽车腐蚀调查为例，重庆市系内陆盆地，夏季闷热，冬天潮湿，年平均气温较高，其环境大气中的Cl-、SO2和H2S等含量高，下雨频率高，酸雨、大雾天气时有发生。车辆受大气环境的腐蚀十分严重，通常新车运行1年后就产生锈斑，2年左右就有腐蚀穿孔现象发生。由于大面积腐蚀和腐蚀穿孔，通常车辆每年都要进行外涂装；2年要进行换顶；4年要进行面板、车顶的更换，大梁、车身骨架的维护，重庆市车辆年均总的腐蚀损失为16057.1万元。应力腐蚀、氢脆、孔蚀等局部腐蚀破坏的发生难以预测，极易引起生产设备的爆炸、火灾等突发性灾难事故，危及职工及生产装置的安全。如国内某天然气管线曾因硫化氢应力腐蚀破坏多次发生爆炸，其中一次引爆起特大火灾，造成20多人伤亡；某天然气井口设备因硫化氢酸性气体腐蚀造成井喷，大火烧了二十多天，经济损失惨重；某化肥厂废热锅炉进口管因氢腐蚀引发爆炸，造成7人死亡等。不光在工业生产中，在公共设施中应力腐蚀也有着重大的影响北京西直门立交桥1979年建成通车，1999年拆除重建，使用不到20年。除交通流量等客观因素外，主要是因溶雪撒盐造成的“盐腐蚀”。二应力腐蚀的发现应力腐蚀开裂最初出现在19世纪后期,当时,人们发现黄铜弹壳在存储过程中发生开裂,由于影响军事行动,两次世界大战之间,人们对此做了大量的工作。19世纪末期出现铆接的蒸汽锅炉由于碱脆而发生爆炸及高强度钢的氢脆现象。20世纪20年代,有报道高强度铝合金在海水中的应力腐蚀问题。20世纪30年代,奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂问题又引起了人们的关注。直到目前,由于金属材料广泛地应用在航空、海洋、石油、化工等国民经济的各个部门,应力腐蚀开裂又极具破坏性,开裂前没有明显的预兆,它的破坏性和危害性是最大的,所以,金属在不同介质中的应力腐蚀开裂一直得到人们的重视。三应力腐蚀的发生应力腐蚀是在应力和腐蚀同时作用下产生的。同一种合金在不同的环境中,会发生不同的情况。应力腐蚀主要发生在合金中,纯金属一般不会发生。但并不存在绝对的纯金属,有时也会因有极少的不纯物产生断裂的敏感性,因而也不容忽视其应力腐蚀。合金具有裂纹敏感性是因为合金成分中的微小偏析引起微裂纹而致,特别是晶界裂纹几乎全部是组织的晶界偏析而引起的。另外,在金属中加人贵金属合金会增加其应力腐蚀的敏感性。引起应力腐蚀的环境是因合金而异的。如表1所示。含氯离子腐蚀介质能引起较多种合金的应力腐蚀,表中列举了Hg及其化合物对应于Cu合金,硝酸盐对应于铁素体钢,硅酸盐对应于Ni合金的组合情况。四材料应力腐蚀的特点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。例如黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而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。五与应力腐蚀有关的因素1. 应力腐蚀断裂与整体腐蚀是完全不同的腐蚀。在腐蚀性较弱，表面保护膜较稳定的环境中容易发生应力腐蚀。在整体腐蚀较强的环境下应力腐蚀反而不易发生。2. 应力越大，越易发生应力腐蚀破坏。在实际操作中，使用一年左右发生应力腐蚀者居多。有学者认为是工作应力导致应力松弛的缘故。如图：3. 应力腐蚀断裂与金相组织(晶界、晶粒度、碳化物、氯化物等的析出、夹杂物、多相组织等) 及合金成分之间有密切的关系。4. 应力腐蚀断裂与水溶液的pH值有关。5. 应力腐蚀断裂与水溶液的氧化还原电位的高低有关。通常在钝化电位附近的电位区域较容易裂开6. 利用阴极极化能防止裂纹扩展，且在断裂过程中，能阻止断裂的继续发展。而阳极的极化会加速断裂的发展。7. 金属在气相中比在液相中更易发生应力腐蚀，如液氨贮罐的断裂部位经常发生在气相部位。8. 温度对产生应力腐蚀有很大的影响。温度越高，越容易产生应力腐蚀。六引起应力腐蚀裂纹的应力 大多数情况是只有在拉应力的时候才发生应力腐蚀，而在压应力的情况下是不会发生应力腐蚀的。当有多向应力存在时，其最大主应力为拉应力时，即会发生应力腐蚀。般除不锈钢外，金属均存在临界应力值，如当应力低于某一值时，不会发生应力腐蚀，一旦超过该值，即可能发生应力腐蚀。该值即为临界应力值(Threshold Stess for Cracking)。 Mg合金及A1合金的临界应力值如下图所示一般除不锈钢外，金属均存在临界应力值，如下图所示七应力腐蚀的机理应力腐蚀裂纹是沿晶界产生还是在晶内产生，主要取决于腐蚀环境和合金的组成。但也不完全排除由于热处理工艺的变化而改变了裂纹的途径。下表显示了材料与环境的组合中产生晶界腐蚀和晶内腐蚀条件的差异。八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。应力因素主要包括载荷类型、载荷大小、加载方向、加载速度等.就应力腐蚀开裂而言,应力方向必须与晶界相垂直,以便能够使其分离.产生应力腐蚀的关键因素之一就是要有应力作用.而不同的应力作用会产生不同的效果, 交变应力和环境共同作用产生腐蚀疲劳, 它和固定应力产生的应力腐蚀破裂通常有明显区别. 通常腐蚀疲劳比应力腐蚀产生的后果更严重. 此外, 加载速度的不同也会影响合金应力腐蚀的敏感性.(3) 冶金因素：冶金因素主要包括铸造方式、加工方式和热处金应力腐蚀的影响, 发现阴极极化使铝合金应力腐蚀敏感性增大, 摩擦搅拌焊接的应力腐蚀敏感性比熔焊的低.九应力腐蚀的防护(1) 设计合理的结构：在压力容器中应尽量使应力分布均匀，避免局部应力集中。如：不等壁厚的连接应采用缓慢过度连接，其斜度一般为1：4；对于卧式设备的开孔和焊缝应避免可能产生拉应力处；避免采用角焊缝，尽量采用对接焊缝(如下图)对于立式设备不要采用悬挂式支座或塔接式裙座；不要采用不连续的加强筋或由间断焊，点焊连接的加强筋；使设备的边、孔、角等危险部位处于低应力或压应力区。避免采用间隙结构，由于间隙的存在，不仅使设备不连续，易出现应力集中，而且为腐蚀介质中的特效离子浓缩提供了条件，是间隙中介质的特效离子浓度高于临界浓度，降低了间隙中介的PH值，从而在电化学方面满足了应力腐蚀的条件。因此焊缝结构应设计成全焊透结构；换热管与管板的连接应采用焊胀并用的结构；接管不能用承插焊。(2) 选择适用耐腐蚀材料: 耐蚀材料的选择包括金属材料和非金属材料。这些材料虽然耐腐蚀，但其强度却很低，在设计时可将受力件和耐蚀件分开，用耐蚀件做衬里，用高强度材料承受载荷。下表是依稀常用材料产生应力破坏的环境：(3) 通过热处理消除残余应力: 对冷加工件和焊接件进行热处理，将有助于消除残余应力，从而也有助于防止应力腐蚀的产生。大多数压力容器都是焊接而成的，由于焊接时焊缝的热影响区存在着焊接残余应力，这种应力有时会高达材料的屈服极限，因此