應(yīng)力腐蝕破裂是金屬材料在靜拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下導(dǎo)致的破壞現(xiàn)象,通常用SCC (Stress Corrosion Cracking)表示。廣義的應(yīng)力腐蝕破裂包括氫脆。狹義的應(yīng)力腐蝕破裂和氫脆的定義分別如下:應(yīng)力腐蝕破裂是指處于拉應(yīng)力狀態(tài)下的合金,在特定的腐蝕介質(zhì)中,由于產(chǎn)生局限于合金內(nèi)某種顯微路徑的陽極溶解(腐蝕)而導(dǎo)致破壞現(xiàn)象;氫脆是指處于拉應(yīng)力狀態(tài)下的合金,由于吸收氫(包括由腐蝕反應(yīng)生成的氫)而產(chǎn)生的脆性破壞現(xiàn)象。兩者區(qū)別是:應(yīng)力腐蝕破裂是由于定向的陽極溶解而產(chǎn)生的破裂(陽極過程);氫脆是由于陰極吸氫而產(chǎn)生的脆性破壞(陰極過程)。兩者原理示意圖見圖1-8。
金屬應(yīng)力腐蝕破裂必須有特定的條件。處于拉應(yīng)力狀態(tài)下,壓應(yīng)力不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂;腐蝕介質(zhì)和材料的組合上有選擇性,在此特定組合以外的條件下,不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂;材料必須是合金,純金屬一般不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。
應(yīng)力腐蝕裂紋的發(fā)展有貫穿晶粒型(叫做穿晶型SCC),也有沿著晶粒邊界的(叫做沿晶型SCC),還有穿晶和沿晶的混合型。
裂紋的特征:在宏觀上,是起源于金屬表面且分布具有明顯的局部性,垂直于外力或拉應(yīng)力的裂紋(指主裂紋),裂紋的寬度較小,而擴(kuò)展較深;在微觀上,裂紋既有主干又有分支,典型的金相裂紋多貌似落葉后的樹干和樹枝,裂紋尖端較銳利。
斷口形貌:應(yīng)力腐蝕破裂的宏觀斷口多呈脆性斷裂;斷口的微觀形貌,穿晶型多為準(zhǔn)解理斷裂,并常見河流、扇形、魚骨、羽毛等花樣,而沿晶型則多為冰糖塊狀花樣。
應(yīng)力腐蝕破裂影響因素很多,過程比較復(fù)雜,因此到目前為止,對不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理尚未取得統(tǒng)一的認(rèn)識。對于奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂,目前傾向于“滑移-溶解-斷裂”學(xué)說(又稱為力學(xué)化學(xué)理論 Mechano-chemical Theory)。
在介質(zhì)作用下,鉻鎳奧氏體不銹鋼表面上存在著借以耐腐蝕的保護(hù)膜(鈍化膜)。在拉伸應(yīng)力作用下,位錯沿著滑移面運(yùn)動至金屬表面,在表面產(chǎn)生滑移臺階,使表面膜產(chǎn)生局部破裂并暴露出沒有保護(hù)膜的裸金屬。有膜與無膜金屬間形成微電池,在介質(zhì)作用下,作為陽極的裸金屬產(chǎn)生陽極溶解。此時,保護(hù)膜的作用不僅為腐蝕過程提供了陰極,而且又使陽極溶解集中在局部區(qū)域。顯然,保護(hù)膜破裂后,若所暴露的裸金屬一直處于活化腐蝕狀態(tài),則腐蝕必然會同時向橫向發(fā)展,于是,裂紋尖端的曲率半徑增大,應(yīng)力集中程度隨之減小,進(jìn)而導(dǎo)致裂紋向縱向發(fā)展的速度變慢直至最后終止。但是,在實驗室內(nèi)和應(yīng)力腐蝕工程事故分析中均可看到,不銹鋼應(yīng)力腐蝕裂紋尖端非常微細(xì)。因此,一般認(rèn)為,在裸金屬受到腐蝕的同時,還存在一個能阻止腐蝕向橫向發(fā)展的過程,才能使裂紋沿縱向發(fā)展,此過程就是不銹鋼的再鈍化。因此,滑移-溶解-斷裂模型至少包括表面膜的形成、金屬產(chǎn)生滑移引起表面膜的破裂、裸金屬的陽極溶解和裸金屬的再鈍化等四個過程,這些過程的反復(fù)進(jìn)行,導(dǎo)致不銹鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂。
至于鉻鎳奧氏體不銹鋼的晶間型應(yīng)力腐蝕,目前的主要見解有:不銹鋼晶粒間界貧鉻區(qū)的選擇性溶解、不銹鋼中雜質(zhì)沿晶界偏聚而引起的優(yōu)先溶解、不銹鋼中晶界沉淀相本身的溶解等。
應(yīng)力腐蝕破裂是腐蝕破裂事故中事例最多的,約占50%,特別是焊接引起的內(nèi)應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕破裂的主要應(yīng)力來源。作為焊接技術(shù)人員,尤其要注意焊接工程中的應(yīng)力腐蝕破裂問題。
為了防止應(yīng)力腐蝕破裂,首先要消除或減少一切應(yīng)力,避免應(yīng)力集中;其次要根據(jù)介質(zhì)選用耐應(yīng)力腐蝕破裂的材料,使其不構(gòu)成能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的材料與環(huán)境組合。與奧氏體不銹鋼相比較,鐵素體不銹鋼和奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼在氯化物水溶液中的耐應(yīng)力腐蝕破裂性能要高得多。