關(guān)于應(yīng)力腐蝕的探討

劉慶祝

關(guān)于應(yīng)力腐蝕的探討

劉慶祝

（湖南省特種設(shè)備檢驗檢測研究院衡陽分院 湖南省衡陽市 421001）

2015年筆者應(yīng)邀到某廠進行檢驗。設(shè)備：氨蒸發(fā)器，介質(zhì)：液氨、氨氣，材質(zhì)：不銹鋼。問題：容器管板角焊縫、封頭拼接焊縫局部腐蝕。檢驗項目：光譜檢驗材質(zhì)為304；磁粉檢測腐蝕處有微小表面裂紋；化驗介質(zhì)中含水和少量氯離子。判斷為材料應(yīng)力腐蝕，在工藝中去除氯離子，且增加化驗項目問題得到解決。

這是一起典型的應(yīng)力腐蝕事故。本文就應(yīng)力腐蝕的概念、特征、機理、影響因素、防護進行介紹。

1 應(yīng)力腐蝕的概念

材料的腐蝕隨處可見，金屬材料的腐蝕更為普遍和嚴(yán)重。從腐蝕機理來看可分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕在材料使用中經(jīng)常出現(xiàn)，破壞表現(xiàn)為材料的斷裂，斷裂前沒有明顯預(yù)兆，裂紋一旦形成，擴展速度快，危害性極大。

應(yīng)力腐蝕斷裂是指金屬材料在拉應(yīng)力和特定介質(zhì)共同作用下引起的斷裂，簡稱為應(yīng)力腐蝕（SCC）。

2 應(yīng)力腐蝕具有以下特征

（1）應(yīng)力必須在拉應(yīng)力存在下才能發(fā)生，壓應(yīng)力下一般不發(fā)生。應(yīng)力越大，斷裂所需時間越短，且應(yīng)力一般低于材料屈服強度。應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，也可以是加工或裝配過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

（2）介質(zhì)一定的材料必須和特定環(huán)境相結(jié)合才會發(fā)生，例如：碳鋼和低碳鋼需要氫氧化鈉溶液、硝酸鹽溶液、海水等環(huán)境；而奧氏體不銹鋼則在氯化物水溶液、熔融氯化物等中發(fā)生幾率較大。

（3）速度應(yīng)力腐蝕的速度約為10-8～10-6m/s，遠大于沒有應(yīng)力時的腐蝕速度，又遠小于單純力學(xué)因素引起的斷裂。

（4）斷裂形態(tài)宏觀表現(xiàn)為局部由表及里的裂紋，呈樹枝狀，裂紋垂直于拉應(yīng)力方向。微觀為沿晶斷裂，也可為穿晶斷裂或二者混合。

3 應(yīng)力腐蝕機理

應(yīng)力腐蝕斷裂理論很多，這里介紹主流的陽極溶解機理和氫致開裂機理。

3.1 陽極溶解機理

敏感金屬在特定化學(xué)介質(zhì)中在表面形成鈍化膜處于鈍化狀態(tài)。有拉應(yīng)力存在時，可使局部鈍化膜破裂而露出新鮮表面。新鮮表面在電解質(zhì)溶液中成為陽極，其余表面成為陰極，由于腐蝕微電池產(chǎn)生陽極溶解形成腐蝕坑。拉應(yīng)力除使局部鈍化膜破壞外，在腐蝕坑或原有裂紋尖端形成應(yīng)力集中，使陽極電位下降，加速陽極的溶解，從而使裂紋擴展。

另一種情況，當(dāng)材料晶間產(chǎn)生偏析，晶體內(nèi)部形成微電池，引起微電池腐蝕，在拉應(yīng)力的作用下加劇而導(dǎo)致斷裂。

3.2 氫致開裂機理

金屬材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子擴散到金屬內(nèi)部或裂紋尖端腐蝕區(qū)，引起材料脆性斷裂，這種應(yīng)力腐蝕也叫“氫脆”。如高強鋼在雨水、海水等水溶液中的應(yīng)力腐蝕和鈦合金在海水中的的應(yīng)力腐蝕都是因“氫脆”而引起的。

4 影響應(yīng)力腐蝕的因素

影響應(yīng)力腐蝕的因素有很多，主要與應(yīng)力狀況、介質(zhì)環(huán)境、合金成分等因素有關(guān)。

4.1 應(yīng)力因素

應(yīng)力腐蝕能否發(fā)生以及發(fā)展時間都與應(yīng)力大小有關(guān)。當(dāng)應(yīng)力達到70～90%屈服強度時，就可以發(fā)生應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力越大材料斷裂時間就越短。大多數(shù)合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕時都有一個臨界應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力低于這一臨界值時，就不再發(fā)生。

4.2 介質(zhì)環(huán)境因素

4.2.1 特殊離子和濃度

氧化劑的存在對應(yīng)力腐蝕有明顯影響。如奧氏體不銹鋼在中性氯化物溶液中含氧量超過10-6時，才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，當(dāng)?shù)陀?0-6時就不會發(fā)生。但在高濃度沸騰的氯化鎂溶液中，發(fā)生應(yīng)力腐蝕不需要氧。

氯化物濃度對奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕也有很大影響。245MPa應(yīng)力下，304、316不銹鋼在沸騰溶液中最敏感的濃度分別是42%和45%。

4.2.2 溫度

不同材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕都有溫度范圍。如不銹鋼一般在70℃以上，奧氏體不銹鋼在MgCl2中氯脆溫度為120～150℃。碳鋼在CO-CO2中多發(fā)生于100℃以下。鎂合金應(yīng)力腐蝕通常在室溫下產(chǎn)生，大多數(shù)金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕溫度低于100℃。氫脆和溫度的關(guān)系也比較密切，一般認(rèn)為鋼的氫脆僅發(fā)生于-100～150℃之間，-30～30℃范圍內(nèi)敏感性最高。

4.2.3 界面電位

應(yīng)力腐蝕只在一定的電位范圍內(nèi)發(fā)生。在鈍化膜不穩(wěn)定區(qū)域，表面膜易產(chǎn)生活化或者過鈍化溶解，而其他部位仍保持鈍化，從而形成應(yīng)力腐蝕的起源并擴展。

4.3 合金成分

合金中的元素種類對應(yīng)力腐蝕有影響，二元合金和多元合金較純金屬敏感性更高。各元素含量對應(yīng)力腐蝕也有影響，如奧氏體不銹鋼中Ni含量約為10%時，敏感性最大，含量小于8%時抗應(yīng)力腐蝕性增強，當(dāng)Ni的含量為10～12%時，敏感性降低，Ni的含量大于45%時，則不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。低碳鋼應(yīng)力腐蝕的敏感性隨碳含量增加而上升，碳含量為0.12%時最敏感，進一步增加碳含量，敏感性反而下降。不銹鋼中加入適量的Al、Si、Co；鈦合金中降低氧含量和鋁含量，同時加入適量的Nb、Ta、V都有利于提高抗應(yīng)力腐蝕能力。在二元、三元合金中加入少量的Cr、Mn、Zr、Ti、V、Ni能夠降低應(yīng)力腐蝕的敏感性。

5 防止應(yīng)力腐蝕的措施

根據(jù)應(yīng)力腐蝕發(fā)生機理及影響因素，一般采用以下措施來防止或者降低其發(fā)生和影響。

5.1 降低和消除應(yīng)力

在加工（如熱處理、焊接、電鍍等）和裝配過程中，盡量避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力，或在加工后采取必要的消應(yīng)力措施。同時，制備和裝配時盡量使結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中最小，使其與介質(zhì)接觸部分具有最小的殘余應(yīng)力。

5.2 合理選材

碳鋼對應(yīng)力腐蝕的敏感性低，是一種抗應(yīng)力腐蝕的常用材料，抗應(yīng)力腐蝕的不銹鋼主要有高硅奧氏體鉻鎳鋼、鎳鉻鐵素提綱和鐵素體-奧氏體雙相鋼等。以雙相鋼的耐應(yīng)力腐蝕性能最好，尤其在高溫高壓水體系中的抗應(yīng)力腐蝕性能更為優(yōu)越，同時雙相鋼也具有抗孔蝕、縫隙腐蝕性能。鋁合金中 LD10、LY12、LF21、ZL101；鈦合金中 Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-2Al-4Mo-4Zr都具有較高的抗應(yīng)力腐蝕性能。

5.3 控制使用環(huán)境

除去介質(zhì)中危害較大的化學(xué)成分可防止應(yīng)力腐蝕和其進一步破壞。如把水中的氧降低到10-6以下，使用離子交換樹脂去除氯離子等。另外應(yīng)控制溫度，使材料工作在該體系的臨界溫度以外，以抑制應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。還可以采用外加電流陰極保護法等來防止材料的應(yīng)力腐蝕發(fā)生，而且在裂紋形成后還可以抑制其發(fā)展。

通過以上介紹，我們可以清楚應(yīng)力腐蝕是如何發(fā)生的，并且充分認(rèn)識其產(chǎn)生的危害，這樣才能在以后的工作中避免損失和事故的發(fā)生，進一步保證安全生產(chǎn)。

TG172.9

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1004-7344（2016）31-0323-01

2016-10-17