關于應力腐蝕的探討

劉慶祝

關于應力腐蝕的探討

劉慶祝

（湖南省特種設備檢驗檢測研究院衡陽分院 湖南省衡陽市 421001）

2015年筆者應邀到某廠進行檢驗。設備：氨蒸發器，介質：液氨、氨氣，材質：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：光譜檢驗材質為304；磁粉檢測腐蝕處有微小表面裂紋；化驗介質中含水和少量氯離子。判斷為材料應力腐蝕，在工藝中去除氯離子，且增加化驗項目問題得到解決。

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

1 應力腐蝕的概念

材料的腐蝕隨處可見，金屬材料的腐蝕更為普遍和嚴重。從腐蝕機理來看可分為化學腐蝕、電化學腐蝕和應力腐蝕。

應力腐蝕在材料使用中經常出現，破壞表現為材料的斷裂，斷裂前沒有明顯預兆，裂紋一旦形成，擴展速度快，危害性極大。

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

2 應力腐蝕具有以下特征

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

（2）介質一定的材料必須和特定環境相結合才會發生，例如：碳鋼和低碳鋼需要氫氧化鈉溶液、硝酸鹽溶液、海水等環境；而奧氏體不銹鋼則在氯化物水溶液、熔融氯化物等中發生幾率較大。

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

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

3 應力腐蝕機理

應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介質中在表面形成鈍化膜處于鈍化狀態。有拉應力存在時，可使局部鈍化膜破裂而露出新鮮表面。新鮮表面在電解質溶液中成為陽極，其余表面成為陰極，由于腐蝕微電池產生陽極溶解形成腐蝕坑。拉應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，當材料晶間產生偏析，晶體內部形成微電池，引起微電池腐蝕，在拉應力的作用下加劇而導致斷裂。

3.2 氫致開裂機理

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

4 影響應力腐蝕的因素

影響應力腐蝕的因素有很多，主要與應力狀況、介質環境、合金成分等因素有關。

4.1 應力因素

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

4.2 介質環境因素

4.2.1 特殊離子和濃度

氧化劑的存在對應力腐蝕有明顯影響。如奧氏體不銹鋼在中性氯化物溶液中含氧量超過10-6時，才會發生應力腐蝕，當低于10-6時就不會發生。但在高濃度沸騰的氯化鎂溶液中，發生應力腐蝕不需要氧。

氯化物濃度對奧氏體不銹鋼的應力腐蝕也有很大影響。245MPa應力下，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

不同材料產生應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中多發生于100℃以下。鎂合金應力腐蝕通常在室溫下產生，大多數金屬產生應力腐蝕溫度低于100℃。氫脆和溫度的關系也比較密切，一般認為鋼的氫脆僅發生于-100～150℃之間，-30～30℃范圍內敏感性最高。

4.2.3 界面電位

應力腐蝕只在一定的電位范圍內發生。在鈍化膜不穩定區域，表面膜易產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%時抗應力腐蝕性增強，當Ni的含量為10～12%時，敏感性降低，Ni的含量大于45%時，則不發生應力腐蝕。低碳鋼應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能夠降低應力腐蝕的敏感性。

5 防止應力腐蝕的措施

根據應力腐蝕發生機理及影響因素，一般采用以下措施來防止或者降低其發生和影響。

5.1 降低和消除應力

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

5.2 合理選材

碳鋼對應力腐蝕的敏感性低，是一種抗應力腐蝕的常用材料，抗應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。以雙相鋼的耐應力腐蝕性能最好，尤其在高溫高壓水體系中的抗應力腐蝕性能更為優越，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都具有較高的抗應力腐蝕性能。

5.3 控制使用環境

除去介質中危害較大的化學成分可防止應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。另外應控制溫度，使材料工作在該體系的臨界溫度以外，以抑制應力腐蝕的發生。還可以采用外加電流陰極保護法等來防止材料的應力腐蝕發生，而且在裂紋形成后還可以抑制其發展。

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

TG172.9

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1004-7344（2016）31-0323-01

2016-10-17