“災(zāi)難性的腐蝕”——應(yīng)力腐蝕面面觀
2022-03-18 14:00:42
作者：本網(wǎng)發(fā)布 來源：腐蝕與防護
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應(yīng)力腐蝕斷裂（stress corrosion cracking，簡稱SCC）是一種“災(zāi)難性的腐蝕”，如橋梁坍塌、飛機失事、油罐爆炸、管道泄漏等，究其源頭很多都是由于應(yīng)力腐蝕所引起的，一旦發(fā)生斷裂必將造成巨大的生命和財產(chǎn)損失。
應(yīng)力腐蝕是指材料、機械零件或構(gòu)件在靜應(yīng)力（主要是拉應(yīng)力）和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕是危害最大的腐蝕形態(tài)之一。
1 應(yīng)力腐蝕條件和特征
應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件：敏感的金屬材料、特定的腐蝕介質(zhì)、足夠大的應(yīng)力。
——敏感材料：一般情況純金屬不會發(fā)生SCC，含雜質(zhì)的或者合金才能發(fā)生SCC；高強度合金鋼腐蝕開裂抗力受化學(xué)成分和顯微組織控制。
——特定介質(zhì)：特定組織環(huán)境（包括腐蝕介質(zhì)性質(zhì)、濃度、溫度），特定材料對于特定的溶液介質(zhì)，才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕。 例如，奧氏體不銹鋼-Cl離子溶液、低合金高強度鋼-潮濕大氣中。
——應(yīng)力來源：機件所承受的應(yīng)力包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。工作狀態(tài)下構(gòu)件所承受的外加載荷形成的抗力；加工、制造、熱處理引起的內(nèi)應(yīng)力；裝配，安裝形成的內(nèi)應(yīng)力；溫差引起的熱應(yīng)力；裂紋內(nèi)因腐蝕產(chǎn)物的體積效應(yīng)造成的楔入作用也能產(chǎn)生裂紋擴展所需要的應(yīng)力。
不同合金腐蝕介質(zhì)表
應(yīng)力腐蝕特征：典型的滯后破壞；裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型；裂紋擴散速度比均勻腐蝕快約106倍；低應(yīng)力的脆性斷裂。
滯后破壞
孕育期：裂紋萌生階段，即裂紋源成核所需時間，約占整個時間的90％左右；
裂紋擴展期：裂紋成核→臨界尺寸；
快速斷裂期：裂紋達到臨界尺寸后，由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂。
整個斷裂時間與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)，短則幾分鐘，長可達若干年，應(yīng)力降低，斷裂時間延長。
臨界應(yīng)力σth（臨界應(yīng)力強度因子KISCC）：在此臨界值以下，不發(fā)生SCC。
裂紋形態(tài)
SCC裂紋分為三種：晶間型、穿晶型、混合型。
晶間型：裂紋沿晶界擴展，如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金；
穿晶型：裂紋穿越晶粒擴展，如奧氏體不銹鋼、鎂合金；
混合型：鈦合金。
裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì)。同一材料因介質(zhì)變化，裂紋途徑也可能改變。
應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特點是：裂紋起源于表面；裂紋的長寬不成比例，相差幾個數(shù)量級；裂紋擴展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向；裂紋一般呈樹枝狀。
裂紋擴展方向與應(yīng)力方向（垂直）
裂紋擴展速率
應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率的特點：擴展速度較快；10-6~10-3mm/min；比均勻腐蝕快約106倍；僅為純機械斷裂速度的10-10。
應(yīng)力腐蝕裂紋的da/dt-K1
當(dāng)裂紋尖端的KI＞KISCC時，裂紋就會不斷擴展。單位時間內(nèi)裂紋的擴展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率，用da/dt表示。裂紋的擴展速率da/dt隨著應(yīng)力強度因子K1而變化。
I區(qū)：當(dāng)K1稍大于KISCC時，裂紋經(jīng)過一段孕育突然加速發(fā)展，即在I區(qū)內(nèi)，裂紋生長速率對K1較敏感；
II區(qū)：da/dt與K1無關(guān)，通常說的裂紋擴展速率就是指該區(qū)速率，因為它主要由電化學(xué)過程控制，較強烈地依賴于溶液的pH值、粘度和溫度；
Ⅲ區(qū)：失穩(wěn)斷裂區(qū)，裂紋深度已接近臨界尺寸acr，當(dāng)超過這個值時，應(yīng)力強度因子達到K1c時，裂紋生長率迅速增加直至發(fā)生失穩(wěn)斷裂。
低應(yīng)力的脆性斷裂
應(yīng)力腐蝕破壞的斷口表面顏色暗淡，可見腐蝕坑和二次裂紋；應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的痕跡。
沿晶斷裂圖
穿晶斷裂圖
2 應(yīng)力腐蝕影響因素
應(yīng)力腐蝕影響因素包括：環(huán)境、電化學(xué)、力學(xué)、冶金四大方面。
應(yīng)力腐蝕影響因素示意圖
3 應(yīng)力腐蝕防治措施
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