分析應(yīng)力腐蝕的條件和特征

應(yīng)力腐蝕斷裂(stress corrosion cracking，簡(jiǎn)稱(chēng)SCC)是一種“災(zāi)難性的腐蝕”，如橋梁坍塌、飛機(jī)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(cái)產(chǎn)損失。

應(yīng)力腐蝕是指材料、機(jī)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(huì)發(fā)生SCC，含雜質(zhì)的或者合金才能發(fā)生SCC；高強(qiáng)度合金鋼腐蝕開(kāi)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(duì)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(qiáng)度鋼-潮濕大氣中。

——應(yīng)力來(lái)源：機(jī)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(kuò)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(kuò)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(shí)間，約占整個(gè)時(shí)間的90%左右；

裂紋擴(kuò)展期：裂紋成核→臨界尺寸；

快速斷裂期：裂紋達(dá)到臨界尺寸后，由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂。

整個(gè)斷裂時(shí)間與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)，短則幾分鐘，長(zhǎng)可達(dá)若干年，應(yīng)力降低，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。

臨界應(yīng)力σth(臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC)：在此臨界值以下，不發(fā)生SCC。

2、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(kuò)展，如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金；

穿晶型：裂紋穿越晶粒擴(kuò)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(diǎn)是：裂紋起源于表面;裂紋的長(zhǎng)寬不成比例，相差幾個(gè)數(shù)量級(jí);裂紋擴(kuò)展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向；裂紋一般呈樹(shù)枝狀。

裂紋擴(kuò)展方向與應(yīng)力方向(垂直)

裂紋擴(kuò)展速率

應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的特點(diǎn)：擴(kuò)展速度較快;10-6~10-3mm/min;比均勻腐蝕快約106倍;僅為純機(jī)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(shí)，裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展。單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率，用da/dt表示。裂紋的擴(kuò)展速率da/dt隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子K1而變化。

I區(qū)：當(dāng)K1稍大于KISCC時(shí)，裂紋經(jīng)過(guò)一段孕育突然加速發(fā)展，即在I區(qū)內(nèi)，裂紋生長(zhǎng)速率對(duì)K1較敏感；

II區(qū)：da/dt與K1無(wú)關(guān)，通常說(shuō)的裂紋擴(kuò)展速率就是指該區(qū)速率，因?yàn)樗饕呻娀瘜W(xué)過(guò)程控制，較強(qiáng)烈地依賴(lài)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(guò)這個(gè)值時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到K1c時(shí)，裂紋生長(zhǎng)率迅速增加直至發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

3、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(jiàn)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。

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