陶勇

四川建筑職業(yè)技術學院 四川德陽 618000

1 應力腐蝕概論

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

1.1 金屬材料應力腐蝕裂紋

金屬材料于一定的腐蝕環(huán)境中，被應力作用，因著金屬本身微觀徑路在設限范圍內(nèi)產(chǎn)生腐蝕而呈現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象稱應力腐蝕裂紋。應力腐蝕裂紋的特征是金屬外表為脆性機械斷裂。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)。金屬材料應力腐蝕裂紋同簡單因應力導致的破壞不一樣，其腐蝕在極其微弱的應力條件下也可以產(chǎn)生；金屬材料應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)也可以導致腐蝕裂紋。而處于嚴重的全面腐蝕狀況下，則不易發(fā)生應力腐蝕裂紋現(xiàn)象。應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，能夠達到孔蝕的數(shù)百萬倍。導致設備發(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)展階段的電化學反應，可將應力腐蝕劃分成陽極和陰極兩個反應敏感型。具體說明：1)應力腐蝕陽極反應敏感指的是此類應力腐蝕裂紋的產(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)應力腐蝕陰極反應敏感指的是此類應反應階段中因陰極吸氫而導致的脆性破壞，其也稱之為氫脆型應力腐蝕。而氫脆裂紋指的是金屬材料在應力作用下，因為腐蝕反應所產(chǎn)生的氫為金屬所吸收出現(xiàn)氫蝕脆化導致的裂紋。

金屬材料并非是在各種腐蝕環(huán)境中均出現(xiàn)應力腐蝕裂紋。不同的金屬材料的應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)生應力腐蝕的特征

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

2.1 金屬材料發(fā)生應力腐蝕裂紋必須是拉應力

只有處于應力(特別是拉應力)的狀態(tài)下，才會發(fā)生應力腐蝕裂紋。發(fā)生應力腐蝕的應力屬于其中的靜態(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)應力。不論來源怎樣，造成應力腐蝕裂紋的應力一定包含拉伸應力的成分，壓縮應力是不能引發(fā)應力腐蝕裂紋的。而且，此種應力往往是很輕微的，若不是在腐蝕環(huán)境條件中，此弱小的應力是不能夠讓構(gòu)件產(chǎn)生機械性破壞的。促成破壞的應力值要依據(jù)材料、腐蝕介質(zhì)等實際情況來定[2]。

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

發(fā)生應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)生應力腐蝕。引發(fā)一般鋼應力腐蝕的腐蝕介質(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。因為金屬材料與腐蝕環(huán)境互相作用的狀況不盡相同，金屬材料應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)部都沒有關系。

2.4 破壞過程

金屬材料應力腐蝕裂紋，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，系金屬材料在應力腐蝕裂紋發(fā)生之前的時段，也是裂紋的成核前的準備時段；2)裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段，在金屬材料應力與腐蝕介質(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，此為最終的機械性破壞。此外，金屬材料的應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。

3 影響金屬材料應力腐蝕裂紋的因素

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還應當有氧存在。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)生應力腐蝕。溶液的pH值針對金屬材料應力腐蝕的敏感性也具有非常大的影響[4]。

3.2 力學方面

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

熱處理金屬材料的不同強度，影響著金屬材料應力腐蝕的裂紋發(fā)展速度與應力強度因素的關系。由此可見，當金屬材料屈服強度居高時，裂紋發(fā)展呈現(xiàn)出兩個階段：開始階段裂紋發(fā)展速率隨應力強度因素的增多而增高；當應力強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，不再同應力強度因素有關。此實驗結(jié)果很具有典型性，幾乎全部的高強度鋼包含馬氏體時效鋼，以及高強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)金屬材料強度。

4 金屬材料應力腐蝕裂紋控制途徑

金屬材料應力腐蝕裂紋是應力與腐蝕環(huán)境互相作用導致的。因此，只要去除應力與腐蝕環(huán)境二者其中的任一因素，就能夠防止裂紋的出現(xiàn)。現(xiàn)實上既沒有辦法全部去除裝置于建造時的殘留應力，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，焊縫部位因為熱應變功效會發(fā)生較大的殘余應力，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，針對焊縫部分應比針對焊接本體更為注意，應當細致檢查是否產(chǎn)生金屬材料應力腐蝕裂紋。具體可從4個方面進一步說明：1)應力抑制，降下拉伸應力，去除殘余應力，可壓低金屬材料應力腐蝕裂紋敏感性；2)材料抑制，選取耐應力腐蝕金屬材料，在金屬材料應力腐蝕體系中，金屬材料的屈服強度越高，就越低；3)采取陰極保護的措施；4)腐蝕抑制，有效改進設計，添充緩蝕劑或者消除介質(zhì)內(nèi)有害成分。

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

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

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

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