什么是應(yīng)力腐蝕？應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件

金屬材料作為一種人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的腐蝕每年都給人類社會(huì)帶來(lái)了巨大的財(cái)產(chǎn)損失，也造成了大量的腐蝕失效事故。腐蝕失效有多種形式，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，應(yīng)力腐蝕引起的金屬材料失效所占比例是最大的。

應(yīng)力腐蝕開裂是一種“災(zāi)難性的腐蝕”，跟應(yīng)力腐蝕有關(guān)的橋梁坍塌，飛機(jī)失事，油罐爆炸，管道泄漏等都曾給人類帶來(lái)巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

應(yīng)力腐蝕

金屬材料在各種環(huán)境中服役時(shí)，即使無(wú)載荷也會(huì)發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致失重，當(dāng)存在應(yīng)力時(shí)，在特定環(huán)境中的腐蝕會(huì)引起裂紋形核擴(kuò)展，導(dǎo)致滯后開裂，稱為應(yīng)力腐蝕。

應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)與單純應(yīng)力引起的開裂不同，它在很低的負(fù)載應(yīng)力下也可以發(fā)生開裂;它與單純的腐蝕也不同，即使腐蝕性很弱的介質(zhì)也能引起應(yīng)力腐蝕開裂。

應(yīng)力腐蝕開裂是一種“陰險(xiǎn)”的腐蝕形式，它會(huì)產(chǎn)生顯著的機(jī)械強(qiáng)度降低，但金屬損失量很小。損壞不明顯以至于偶然檢查很難發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力腐蝕裂紋可以觸發(fā)機(jī)械快速斷裂甚至組件和結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性失效。

在應(yīng)力腐蝕過(guò)程中，若有微裂紋形成，其擴(kuò)展速度比其他類型的局部腐蝕速度要快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件

應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生需要同時(shí)滿足三個(gè)必要條件：

a) 敏感材料。俗話說(shuō)，蒼蠅不叮無(wú)縫的雞蛋，要生發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，首先得是具備敏感性的材料。材料具有敏感性給我們的提示是，在一些可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的工況環(huán)境，選材要慎重。如304等奧氏體不銹鋼在含有氯的環(huán)境服役，應(yīng)力腐蝕開裂是尤其應(yīng)該注意的問(wèn)題。奧氏體不銹鋼是面心立方金屬，面心立方金屬尤其容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，這是晶體結(jié)構(gòu)決定的。

b) 容易引起應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境。即使材料敏感，沒(méi)有導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)也是不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的，它好比硬幣的A/B面。環(huán)境介質(zhì)也是應(yīng)力腐蝕開裂的重要條件。

c) 足夠的拉應(yīng)力。通常認(rèn)為靜態(tài)拉應(yīng)力是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。有人會(huì)問(wèn)，那要是交變載荷呢?我認(rèn)為可能要?dú)w于腐蝕疲勞了。為什么說(shuō)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需要足夠的靜態(tài)拉應(yīng)力呢?因?yàn)樗枰獫M足腐蝕狀態(tài)下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC。

我們一起來(lái)看看，其開裂過(guò)程

應(yīng)力腐蝕裂紋特征

裂紋形態(tài)主要包括以下幾個(gè)方面：

1、裂紋通常起源于金屬表面。裂紋走向呈“樹枝狀”，樹干為主裂紋，沿收斂方向指向裂紋源

2、裂紋擴(kuò)展可能是穿晶的、也可能是沿晶的、還可能是混合型的;斷口表面常有腐蝕產(chǎn)物

3、穿晶擴(kuò)展斷口多半呈解理、準(zhǔn)解理，有時(shí)混有沿晶或韌窩

4、沿晶擴(kuò)展斷口呈冰糖狀，有時(shí)也混有少量準(zhǔn)解理或沿晶、韌窩

不同合金腐蝕介質(zhì)表

案例展示

下面我們來(lái)看一個(gè)實(shí)際案例：

某氣體機(jī)進(jìn)行缸蓋密封性水壓試驗(yàn)時(shí)，出現(xiàn)漏水問(wèn)題，拆檢后發(fā)現(xiàn)火花塞襯套開裂。襯套材料是鑄造黃銅ZCuZn38(H62)，為工業(yè)上廣泛使用的有色金屬合金。工藝流程是：鑄造銅棒→熱壓力加工→機(jī)械加工→裝試。

仔細(xì)觀察襯套，發(fā)現(xiàn)表面有兩條裂紋，從襯套臺(tái)肩沿軸向向下延伸，裂紋較平直，近乎平行，向臺(tái)肩內(nèi)側(cè)延伸并逐漸變窄。

隨后利用金相顯微鏡進(jìn)行金相檢驗(yàn)，可見(jiàn)斷口顯示為脆性斷裂。沿軸向研磨、拋光、腐蝕，觀察裂紋及金相組織情況，裂紋呈不規(guī)則連續(xù)狀，有分叉、尾部較尖銳呈樹枝狀，與應(yīng)力腐蝕裂紋的典型特征相吻合。

之后進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)。經(jīng)測(cè)，襯套臺(tái)肩上方外壁與倒角外壁處和細(xì)頸內(nèi)表面的拉應(yīng)力較大，與實(shí)際裂紋起源位置一致。結(jié)合襯套的工作環(huán)境，該襯套在機(jī)械加工過(guò)程中，與刀具頻繁接觸、受力，尺寸發(fā)生變化，必然產(chǎn)生一定數(shù)量的殘余應(yīng)力;數(shù)控機(jī)床精加工使用的切削液含有S、鹵族元素等添加劑，使得襯套在一定時(shí)間內(nèi)處在潮濕、腐蝕環(huán)境中。由此可推測(cè)出結(jié)論：襯套裂紋機(jī)制為應(yīng)力腐蝕沿晶脆性開裂。

應(yīng)力腐蝕預(yù)防措施

最后，說(shuō)一說(shuō)應(yīng)力腐蝕的預(yù)防措施。一般情況，可以從三方面進(jìn)行預(yù)防：

①選材：根據(jù)所使用的環(huán)境和腐蝕介質(zhì)選擇合適的材料。

②消除應(yīng)力：改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積存，盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。

③改善介質(zhì)環(huán)境：控制或降低介質(zhì)中有害的成分;在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑;通過(guò)改變電位、促進(jìn)成膜、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等，影響電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而起到緩蝕作用;改變環(huán)境的敏感性。

審核編輯：劉清