讲述材料的应力腐蚀.docVIP

材料应力腐蚀 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。材料应力腐蚀具有很鲜明的特点，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。 影响应力腐蚀的因素主要包括环境因素、力学因素和 冶金因素。 原理 应力腐蚀是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。 应力腐蚀一般认为有阳极溶解和氢致开裂两种。常见应力腐蚀的机理是:零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。 影响 应力腐蚀过程试验研究表明:当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。一般存在拉应力，但实验发现压应力有时也会产生应力腐蚀。对于 裂纹扩展速率，应力腐蚀存在临界KISCC，即临界应力强度因子要大于KISCC，裂纹才会扩展。 一般应力腐蚀都属于脆性断裂。应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为10- 6~10-3 mm/min，而且存在孕育期，扩展区和瞬断区三部分。 容易发生应力腐蚀的设备发生这种腐蚀的主要设备有热交换器、冷却器、蒸汽发生器、送风机、干燥机和锅炉 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。 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，在腐蚀性环境和应力共同作用下，裂纹呈亚临界扩展，随着裂纹不断增长，裂纹尖端K值不断增大，达到K1C时即发生断裂。 (3)KK1C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