应力腐蚀开裂

材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的开裂

材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的开裂称为应力腐蚀开裂，这是应力与腐蚀联合作用的结果。如果只有一个方面，应力或者介质的作用，破坏不会发生，但当二者联合作用时，却能很快发生开裂。因此，发生应力腐蚀时，应力是很低的，介质的腐蚀性也是很弱的，也正由于此，应力腐蚀经常受到忽视，导致“意外”事故不断发生。

简介

应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力（不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之）和特定的腐蚀介质存在。裂纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。在微观上，穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹，而沿晶界扩展的裂纹称为沿晶裂纹，当应力腐蚀开裂扩展至其一深度时（此处，承受载荷的材料断面上的应力达到它在空气中的断裂应力），则材料就按正常的裂纹（在韧性材料中，通常是通过显微缺陷的聚合）而断开。因此，由于应力腐蚀开裂而失效的零件的断面，将包含有应力腐蚀开裂的特征区域以及与已微缺陷的聚合相联系的“韧窝”区域。

分类

1、点腐蚀

是一种导致腐蚀的局部腐蚀形式。

2、晶间腐蚀

晶粒间界是结晶学取向不同的晶粒间紊乱错合的界城，因而，它们是钢中各种溶质元素偏析或金属化合物（如碳化物和δ相）沉淀析出的有利区城。因此，在某些腐蚀介质中，晶粒间界可能先行被腐蚀乃是不足为奇的。这种类型的腐蚀被称为晶间腐蚀，大多数的金属和合金在特定的腐蚀介质中都可能呈现晶间腐蚀。

3、缝隙腐蚀

是局部腐蚀的一种形式，它可能发全于溶液停滞的缝隙之中或屏蔽的表面内。这样的缝隙可以在金属与金属或金属与非金属的接合处形成，例如，在与铆钉、螺栓、垫片、阀座、松动的表面沉积物以及海生物相接烛之处形成。

4、全面腐蚀

是用来描述在整个合金表面上以比较均勺的方式所发生的腐蚀现象的术语。当发生全面腐蚀时，材料由于腐蚀而逐渐变薄，甚至材料腐蚀失效。不锈钢在强酸和强碱中可能呈现全面腐蚀。全面腐蚀所引起的失效问题并不怎么令人担心，因为，这种腐蚀通常可以通过简单的浸泡试验或查阅腐蚀方面的文献资料而预测它。

应力腐蚀开裂特点

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。

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。

4、应力腐蚀的裂纹扩展速率—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。

7、应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。

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。

应力腐蚀抗力指标

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问。用这种方法已积累了大量的数据，对于认识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

这是因为光滑试样的破坏包括了裂纹形成和裂纹扩展两个过程。而裂纹的形成受表面光洁度、表面氧化膜等因素的影响很大，使得到的试验数据分散，有时甚至给人以假象。例如美国海军实验室曾对高强度钛合金Ti-8A1-1Mo-1 V进行应力腐蚀性能研究。当用光滑试样在3.5%NaCl水溶液中进行应力腐蚀试验时，由于表面有一层致密的氧化膜，裂纹很难形成，断裂时间很长，以致人们认为这种合金将是潜艇壳体的新一代材料。可是当改用带裂纹的试样试验时，则在很短的时间内就断裂了。可见这种材料对3.5%NaCl水溶液实际上是很敏感的。

2、不能得出裂纹扩展速率的变化规律

因为这种传统的方法是以名义应力作为裂纹扩展驱动力的，它不能反映裂纹顶端的应力状态。只有把断裂力学引入应力腐蚀的研究以后，这一问题才得到解决。

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，据此得出材料的抗应力腐蚀特征。

防止应力腐蚀开裂的措施

1、合理选择材料

针对零件所受的应力和使用条件选用耐应力腐蚀的材料，这是一个基本原则。如铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的零件应避免使用铜合金；又如在高浓度氯化物介质中，一般可选用不含镍、铜或仅含微量镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢，也可选用镍基和铁一镍基耐蚀合金。

2、减少或消除零件中的残余拉应力

残余拉应力是产生应力腐蚀的重要条件。为此，设计上应尽量减小零件上的应力集中。从工艺上说，加热和冷却要均匀，必要时采用退火工艺以消除内应力。或者采用喷丸或表面热处理，使零件表层产生一定的残余压应力对防止应力腐蚀也是有效的。

3、改善介质条件

这可从两个方面考虑：一方面设法减少或消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量对预防奥氏体不锈钢的氯脆十分有效；另一方面，也可以在腐蚀介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入300×10-6mol/L的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。

4、采用电化学保护