1 材料应力腐蚀的特点.docx

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。 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)KK1SCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于腐蚀环境中而不发生破坏。 (2)K1SCCKK1C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110。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K1K1SCC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，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。 应力腐蚀介质有哪些 最近在学习150和容规关于热处理的规定，除了书上列举的液化石油气和液氨有应力腐蚀倾向需要热处理以外，还有哪些介质对钢材有应力腐蚀倾向？请走过的路过的，高手低手都露一手，给小弟指点一二，不胜感激。 可产生应力腐蚀破坏的金属材料与环境的组合主要有以下几种：1.碳钢和低合金钢：介质为碱液、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸等；2. 奥氏体不锈钢：氯离子、氯化物+蒸汽、湿硫化氢、碱液等；3.含钼奥氏体不锈钢：碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜的水溶液等；4.黄铜：氨气及溶液、氯化铁、湿二氧化硫等；5.钛：含盐酸的甲醇或乙醇、熔融氯化钠等；6.铝：湿硫化氢、海水等 但是无水液氨对低合金钢是没有应力腐蚀的。现在液氨罐都是用16MnR，但却从没出现过应力腐蚀。反而是氨水对碳钢会有应力腐蚀。这点化肥企业的兄弟最清楚。 铜与乙炔也不能共用可产生应力腐蚀破坏的金