金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋的探討

陶勇

四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川德陽 618000

1 應(yīng)力腐蝕概論

應(yīng)力腐蝕指的是金屬材料或結(jié)構(gòu)處于靜載拉應(yīng)力與一定的腐蝕環(huán)境一起作用下所導(dǎo)致發(fā)生的脆性破裂。

1.1 金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋

金屬材料于一定的腐蝕環(huán)境中，被應(yīng)力作用，因著金屬本身微觀徑路在設(shè)限范圍內(nèi)產(chǎn)生腐蝕而呈現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象稱應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕裂紋的特征是金屬外表為脆性機(jī)械斷裂。裂紋只產(chǎn)生于金屬的部分區(qū)域，由內(nèi)向外發(fā)展，通常是與作用力保持垂直狀態(tài)。金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋同簡單因應(yīng)力導(dǎo)致的破壞不一樣，其腐蝕在極其微弱的應(yīng)力條件下也可以產(chǎn)生；金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋同單一因腐蝕造成的破壞也不一樣，其腐蝕性最為微弱的介質(zhì)也可以導(dǎo)致腐蝕裂紋。而處于嚴(yán)重的全面腐蝕狀況下，則不易發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕外表沒有變化，裂紋發(fā)展速度極快并且很難意料，因此可以說是一種具有極大危害性的破壞形式。它的破壞往往是無法意料的，就發(fā)展速度而言，能夠達(dá)到孔蝕的數(shù)百萬倍。導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生滲漏現(xiàn)象及至爆炸，是所有腐蝕形態(tài)中最具危害的一種。

1.2 氫脆理論

依據(jù)裂紋發(fā)展階段的電化學(xué)反應(yīng)，可將應(yīng)力腐蝕劃分成陽極和陰極兩個反應(yīng)敏感型。具體說明：1)應(yīng)力腐蝕陽極反應(yīng)敏感指的是此類應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展階段都是受裂紋處金屬的陽極溶解制約的，裂紋的發(fā)展快慢也是由金屬陽極溶解的快慢決定；2)應(yīng)力腐蝕陰極反應(yīng)敏感指的是此類應(yīng)反應(yīng)階段中因陰極吸氫而導(dǎo)致的脆性破壞，其也稱之為氫脆型應(yīng)力腐蝕。而氫脆裂紋指的是金屬材料在應(yīng)力作用下，因?yàn)楦g反應(yīng)所產(chǎn)生的氫為金屬所吸收出現(xiàn)氫蝕脆化導(dǎo)致的裂紋。

金屬材料并非是在各種腐蝕環(huán)境中均出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋。不同的金屬材料的應(yīng)力腐蝕均需一定的腐蝕環(huán)境。因各金屬材料適用范圍的逐漸擴(kuò)大，腐蝕環(huán)境的類型也呈現(xiàn)數(shù)量增加的趨勢[1]。

2 金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的特征

通常所講的應(yīng)力腐蝕，即陽極反應(yīng)敏感應(yīng)力腐蝕。對于金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕的特征，可從4個方面來加以說明。

2.1 金屬材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋必須是拉應(yīng)力

只有處于應(yīng)力(特別是拉應(yīng)力)的狀態(tài)下，才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力屬于其中的靜態(tài)部分，它既可能是外加載荷或者裝配力(包括擰螺栓、脹接力等)引發(fā)的應(yīng)力，也可能是構(gòu)件在制造、熱處理、焊接等加工階段中發(fā)生的內(nèi)應(yīng)力。不論來源怎樣，造成應(yīng)力腐蝕裂紋的應(yīng)力一定包含拉伸應(yīng)力的成分，壓縮應(yīng)力是不能引發(fā)應(yīng)力腐蝕裂紋的。而且，此種應(yīng)力往往是很輕微的，若不是在腐蝕環(huán)境條件中，此弱小的應(yīng)力是不能夠讓構(gòu)件產(chǎn)生機(jī)械性破壞的。促成破壞的應(yīng)力值要依據(jù)材料、腐蝕介質(zhì)等實(shí)際情況來定[2]。

2.2 促成一定金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境介質(zhì)是特定的

發(fā)生應(yīng)力腐蝕的材料與介質(zhì)并非任意的，只在兩者處于某種組合時才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。引發(fā)一般鋼應(yīng)力腐蝕的腐蝕介質(zhì)包括的溶液有：氫氧化物；含有硝酸、碳酸鹽、硫化氫的水；海水，硫酸與硝酸混合；融化的鋅、鋰；熱狀態(tài)的三氯化鐵；液體氨。引發(fā)奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕介質(zhì)包括的溶液有：具有酸性、中性的氯化物；海水；熱融的氯化物；熱狀態(tài)的氟化物、氫氧化物[3]。

2.3 金屬材料

通常極純的金屬不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞，只是處于合金或者包含雜質(zhì)的金屬中才能夠產(chǎn)生。因?yàn)榻饘俨牧吓c腐蝕環(huán)境互相作用的狀況不盡相同，金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋也都不盡相同。裂紋或沿晶粒邊緣發(fā)生；或延伸到晶粒內(nèi)部而又明顯分枝；裂紋或與晶粒邊緣、晶粒內(nèi)部都沒有關(guān)系。

2.4 破壞過程

金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋，往往在沒有意料的狀況下突然產(chǎn)生，因此危害性非常大。具體表現(xiàn)為3個階段：1)孕育階段，系金屬材料在應(yīng)力腐蝕裂紋發(fā)生之前的時段，也是裂紋的成核前的準(zhǔn)備時段；2)裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段，在金屬材料應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)的互相作用下，裂紋漸漸發(fā)展時段；3)裂紋缺少穩(wěn)發(fā)展階段，此為最終的機(jī)械性破壞。此外，金屬材料的應(yīng)力腐蝕裂紋還具有一個特性——金屬的裂紋同其自身厚度無關(guān)。

3 影響金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋的因素

3.1 環(huán)境方面

奧氏體不銹鋼針對鹵化物元素比較敏感。同理，有些銅合金針對含氨的環(huán)境也敏感。奧氏體不銹鋼原本針對氯化物發(fā)生應(yīng)力腐蝕十分敏感，可氯或者鹵素離子并非唯一的決斷因素，發(fā)生SCC還應(yīng)當(dāng)有氧存在。從對加鈮的18-8不銹鋼分析中得出結(jié)論，只需其中擁有百萬分之幾的氧就可以與氯化物一同促成應(yīng)力腐蝕。奧氏體不銹鋼于沸騰的MgCl2溶液內(nèi)，唯氮濃度超出500×10-6才出現(xiàn)SCC；若氮濃度低于500×10-6時，就不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。溶液的pH值針對金屬材料應(yīng)力腐蝕的敏感性也具有非常大的影響[4]。

3.2 力學(xué)方面

通過對高強(qiáng)度鋁合金7075-T6板材實(shí)驗(yàn)，若順著軋制方向取樣板實(shí)施拉伸試驗(yàn)，對應(yīng)力腐蝕的抗力達(dá)到最強(qiáng)，門檻應(yīng)力為420 MPa；若順著板寬方向取樣板實(shí)施拉伸試驗(yàn)，其門檻應(yīng)力達(dá)224 MPa；若順著板厚方向取樣板實(shí)施拉伸試驗(yàn)，門檻應(yīng)力只達(dá)49 MPa，幾乎只達(dá)到軋制方向的十分之一。

熱處理金屬材料的不同強(qiáng)度，影響著金屬材料應(yīng)力腐蝕的裂紋發(fā)展速度與應(yīng)力強(qiáng)度因素的關(guān)系。由此可見，當(dāng)金屬材料屈服強(qiáng)度居高時，裂紋發(fā)展呈現(xiàn)出兩個階段：開始階段裂紋發(fā)展速率隨應(yīng)力強(qiáng)度因素的增多而增高；當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度因素增添到一定的數(shù)據(jù)時，裂紋發(fā)展速率便持續(xù)恒定，不再同應(yīng)力強(qiáng)度因素有關(guān)。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果很具有典型性，幾乎全部的高強(qiáng)度鋼包含馬氏體時效鋼，以及高強(qiáng)度鋁合金均具有如此規(guī)律。

3.3 冶金方面

共包括三方面的影響：1)金屬材料成份；2)金屬材料組織；3)金屬材料強(qiáng)度。

4 金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋控制途徑

金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋是應(yīng)力與腐蝕環(huán)境互相作用導(dǎo)致的。因此，只要去除應(yīng)力與腐蝕環(huán)境二者其中的任一因素，就能夠防止裂紋的出現(xiàn)。現(xiàn)實(shí)上既沒有辦法全部去除裝置于建造時的殘留應(yīng)力，又沒有辦法讓裝置全部甩脫腐蝕性環(huán)境。采取以上辦法防止應(yīng)力腐蝕是不能夠做到的。所以，往往是利用改變材料的辦法克服這個問題。除此之外，焊縫部位因?yàn)闊釕?yīng)變功效會發(fā)生較大的殘余應(yīng)力，而添加熱量及冷卻的熱循環(huán)階段，也會讓金屬材質(zhì)出現(xiàn)變化。因此，針對焊縫部分應(yīng)比針對焊接本體更為注意，應(yīng)當(dāng)細(xì)致檢查是否產(chǎn)生金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋。具體可從4個方面進(jìn)一步說明：1)應(yīng)力抑制，降下拉伸應(yīng)力，去除殘余應(yīng)力，可壓低金屬材料應(yīng)力腐蝕裂紋敏感性；2)材料抑制，選取耐應(yīng)力腐蝕金屬材料，在金屬材料應(yīng)力腐蝕體系中，金屬材料的屈服強(qiáng)度越高，就越低；3)采取陰極保護(hù)的措施；4)腐蝕抑制，有效改進(jìn)設(shè)計(jì)，添充緩蝕劑或者消除介質(zhì)內(nèi)有害成分。

[1]王麗,陳振茂.基于裂紋精細(xì)數(shù)值模型的應(yīng)力腐蝕裂紋重構(gòu)[J].無損檢測,2010(9):675-677.

[2]楊光輝.淺談焊接接頭應(yīng)力腐蝕控制方法[J].城市建設(shè)理論研究,2011(19).

[3]賈寶華,俞海濤.海中鋼結(jié)構(gòu)焊接工程技術(shù)[J].電焊機(jī),2012(3):1-8.

[4]平志剛.奧氏體不銹鋼消毒器應(yīng)力腐蝕斷裂分析[J].天津科技,2011(4):89.