在海洋大气腐蚀环境中,除发生均匀腐蚀外,还存在各种局部腐蚀,如电偶腐蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀以及应力腐蚀等。其中,应力腐蚀是事先没有明显预兆而突然发生的脆性断裂,是破坏性和危害性极大的一种腐蚀形式。下面将从概念、特征、影响因素、机理、研究方法以及控制方法等方面详细介绍应力腐蚀。


  应力腐蚀开裂在应力和环境联合作用下往往使金属力学性能下降,比单个因素分别作用后再叠加起来要严重得多。应力腐蚀开裂并不是一个新问题。然而,人们有意识地注意和重视应力腐蚀开裂只是始于工业突飞猛进的19世纪下半叶。当时由于冲压黄铜弹壳的广泛使用,在储存过程中发生了严重的应力腐蚀开裂。1886年,人们发现含银和铜的冷拉合金丝在FeCl3溶液中具有应力腐蚀开裂敏感性。19世纪末,出现了蒸汽机车铆接锅炉的碱脆问题。20世纪20年代初,人们发现铝合金在潮湿大气中也发生了应力腐蚀开裂。1930年,镁合金军用飞机在潮湿大气中发生应力腐蚀开裂。美国路易斯安那州输气管线和阿拉伯东部阿卜凯克油田管线,分别于1965年和1977年发生油气泄露事件,在大火中丧生多人,造成了巨大的经济损失。事后经过事故分析,都是由于输油管道外侧发生应力腐蚀开裂引起的。我国的油气管线也发生过类似的事故,1968年威远至成都的输气管线发生泄露爆炸,造成了巨大的经济损失和严重的人员伤亡。


 金属材料的应力腐蚀开裂是一个很重要的实际问题。应力腐蚀开裂占不锈钢材料腐蚀破坏的20%以上,而海洋环境中含有大量氯离子,当不锈钢材料应用于海洋这种苛刻的腐蚀环境中时,应力和氯离子联合作用使不锈钢材料的力学性能下降往往比单个因素分别作用后再叠加起来的效果要严重得多,因为海洋腐蚀环境和应力的协同作用可以相互促进,加速材料的破坏。不锈钢材料在酸性含氯离子环境中的应力腐蚀开裂是科研工作者的重要研究方向。较常遇到的而又研究较多的是奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂问题。目前,在研究裂纹尖端化学和电化学状态、应力强度与裂纹扩展速率的关系、氢在裂纹扩展中的地位、应力和应变速率的作用等方面已经取得了很大的进展。科研工作者们提出了多种不同的机理来解释SCC现象,但迄今尚无公认的统一机理。应力腐蚀开裂是一个非常复杂的问题,造成裂纹的原因和裂纹扩展过程在不同条件下也是不同的,所以很多时候不能只用一种理论来解释。由于应力腐蚀开裂是一个与腐蚀有关的过程,其机理必然与腐蚀过程中发生的阳极反应和阴极反应有关,因此应力腐蚀开裂机理主要可以分为两大类:阳极溶解型机理和氢致开裂型机理,以及在这两类机理基础上发展起来的表面膜破裂理论、活性通道理论、应力吸附开裂理论、腐蚀产物楔入理论、闭塞电池理论等。



一、应力腐蚀开裂的特征


 当应力与腐蚀同时作用时,可以加速金属的破坏。在最简单的情况下,这两个因素的破坏作用只是简单叠加。如果是均匀腐蚀,则面积逐渐减小,使真实应力逐渐增加,最终达到材料的断裂强度而断裂;如果是晶间腐蚀,则晶间的结合力将会降低,外加的应力使腐蚀介质更容易沿晶界进行进一步的破坏,最终使残余的晶间结合力不能承受外加应力而致断裂。当应力不存在时,腐蚀甚微,施加应力并经过一段时间后,金属会在腐蚀并不严重的情况下发生脆断。这种应力腐蚀断裂有如下五个共同特征。


 1. 力学特征


    a. 具备拉应力


  一般应力腐蚀都在拉应力下才发生,而在压应力下不发生应力腐蚀,这种拉伸应力可以是工作状态下材料承受外加载荷造成的工作应力;也可以是在生产、制造、加工和安装过程中在材料内部形成的热应力、形变应力等残余应力;还可以是由裂纹内腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用或是阴极反应形成的氢产生的应力。


   b. 存在临界应力


  合金所承受的应力越小,断裂时间越长,当应力小于某一临界值后,此应力成为临界应力。在大多数的材料-环境体系中,存在一个临界应力,当应力低于该临界值时,则不产生应力腐蚀开裂。


2.环境特性


 a. 腐蚀介质的特性


  只有在特定的腐蚀介质中含有某些对发生应力腐蚀有特效作用的离子、分子时才会发生应力腐蚀。这种特定的腐蚀剂并不一定要大量存在,而且往往浓度很低。表1.5列出了一些金属和合金发生应力腐蚀的特定介质。


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  b. 溶液的浓度


  值得指出的是,即使有时整体浓度是很低的,但是由于局部位置上的浓缩作用,使该处极易产生局部腐蚀。


  c. 具有一定的电位范围


  从电化学的角度来看,材料与特定介质的偶合导致应力腐蚀的条件是它发生在一定的电位范围内,一般是发生在钝化-活化的过渡区或钝化-过钝化区。


 3. 冶金学特性


   a. 不同的化学成分和纯度具有不同应力腐蚀敏感性


  纯金属一度被认为不发生应力腐蚀,但是通过实验发现,纯度高达99.999%的铜及99.99%的铁在一定条件下也发生了晶间应力腐蚀开裂,因此,认为合金比纯金属更易产生应力腐蚀是恰当的。


  b. 不同组织具有不同的应力腐蚀敏感性


  金属晶体结构的差异也影响到材料的耐蚀性,体心立方晶格(铁素体和马氏体)比面心立方晶格(奥氏体)更耐应力腐蚀。一般说来,粗晶粒比细晶粒对应力腐蚀更为敏感。晶格缺陷,如晶界、亚晶界、露头的位错群等,对应力腐蚀破裂敏感,将优先溶解,常常成为应力腐蚀破裂发生的裂缝源。


 4. 应力腐蚀裂纹扩展速率


 金属在无裂纹、无蚀坑或缺陷的情况下,应力腐蚀过程可分为三个阶段:裂纹萌生阶段,即由于腐蚀引起裂纹或蚀坑的阶段;裂纹扩展阶段,即由裂纹源或蚀坑开始到达极限应力值为止的这一阶段;失稳断裂阶段。裂纹萌生阶段的长短取决于合金的性能、环境的特性和应力的大小,这一时期短的仅几分钟,长的可达几年、十几年或几十年,裂纹萌生期是服役寿命的主要部分。


 5. 应力腐蚀形态特征


  a. 应力腐蚀的宏观形态特征


  即使具有很高延性的金属,其应力腐蚀仍具有完全脆性的外观。应力腐蚀都呈脆性断裂,应力腐蚀的宏观断口常有放射花样或人字纹。


  b. 应力腐蚀的微观形态特征


   应力腐蚀断口的微观特征比较复杂,它与钢的成分、热处理、环境条件、应力状态、晶体结构以及力学性能等有关。金属材料发生应力腐蚀时,仅在局部地区出现由表及里的腐蚀裂纹,其裂纹形态主要有穿晶型、晶界型和混合型三种。不同的金属-环境体系,将出现不同的裂纹形态。例如,软钢、铜合金、镍合金多半显晶界型,奥氏体不锈钢多半显穿晶型,而钛合金多半显混合型。不论表现形式如何,裂纹的共同特点是在主干裂纹延伸的同时还有若干分支同时发展,裂纹出在与最大应力垂直的平面上,其破裂断口显现出脆性断裂的特征。



二、应力腐蚀开裂的影响因素


 应力腐蚀的主要影响因素可以分为以下三种:①. 合金成分及有关的冶金因素;②. 力学因素;③. 环境因素。这三者的组合构成了庞大的合金-环境系统。图1.2表示了产生应力腐蚀的三个基本条件-材料因素、环境因素和力学因素之间的关系,即应力腐蚀是上述三个基本条件的交集。


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  1. 合金成分及有关的冶金因素


  杂质元素对钢的应力腐蚀开裂敏感性影响很大。纯铁或低碳钢中去除碳、氮后,在硝酸盐中均不发生应力腐蚀开裂。纯铁中含氮量达0.43%时,应力腐蚀抗力明显下降。氮对不锈钢有类似的有害作用。在Fe-20Cr-18Ni不锈钢中含氮量大于30x10-6可使氯脆敏感性增加。大多数杂质元素是对合金应力腐蚀开裂抗力有害,因此,提高纯度一般可改善其抗力。


   热处理对碳钢的应力腐蚀开裂敏感性影响很大,一般都认为热处理将直接影响到到碳钢的显微组织,最后导致碳钢具有不同的强度水平。对于HE型应力腐蚀开裂而言,回火的温度越低,碳钢对应力腐蚀开裂的敏感性就越大。对阳极溶解型的应力腐蚀开裂而言,钢奥氏体化的温度影响也很大。低碳钢奥氏体化温度越高,应力腐蚀开裂敏感性也越大;冷却速度越慢,则应力腐蚀敏感性越小。


  2. 环境因素的影响


  在遇水可分解为酸性的氯化物溶液中均可能引起奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂,其影响程度为MgCl2>FeCl3>CaCl2>LiCl>NaCl。奥氏体不锈钢的应力腐蚀多发生在50~300℃范围内,氯化物的浓度上升,应力腐蚀开裂的敏感性增大。大多数金属都是在低于100℃的温度下产生应力腐蚀的,不过金属在开裂前都有一个最小温度,这个温度称为开裂临界温度。高于此值时材料才发生应力腐蚀开裂,低于此值时材料则不发生应力腐蚀开裂。


  溶液中的溶解氧对钢的应力腐蚀开裂行为影响也是很大的。例如,在高温高浓度的MgCl2中,不锈钢产生应力腐蚀开裂不一定有氧的存在,而在热水和高温水中,溶解氧对应力腐蚀开裂则起着决定性作用。一般认为,在只含微量氯离子的溶液中,没有溶解氧要使Cr-Ni不锈钢产生应力腐蚀开裂几乎是不可能的。随着介质pH值的减小,H+浓度增加,应力腐蚀发生的概率也会增加。例如,在脱硫工段中,其介质中含有硫化氢、二氧化碳等,溶于水形成碳酸,释出H+,降低环境的pH值,从而增大材料的应力腐蚀开裂敏感性。电位对应力腐蚀开裂裂纹扩展速率的影响也是明显的,在临界电位范围内,裂纹扩展速率迅速加快。


  3. 应力的影响


 拉应力的方向与晶粒方向之间的关系对合金的应力腐蚀开裂也有很大影响。横向受力比纵向受力苛刻,而纵向受力又比横向受力苛刻。合金构件所受的应力低于临界应力时,发生应力腐蚀开裂的概率就极小。影响应力腐蚀开裂的因素很多,也很复杂,这些因素并不是孤立的存在,而是相互影响,因此如果想要采取有效措施减缓或抑制应力腐蚀开裂,确保化工设备、管道和海洋设施等安全正常运行,就要对应力腐蚀开裂机理进行深入的了解。



三、应力腐蚀开裂机理


 金属及其合金的应力腐蚀开裂已被广泛研究,研究应力腐蚀开裂的最基本问题是探索裂纹起源、扩展的原因和过程。目前,已经在研究裂纹尖端化学和电化学状态、应力强度与裂纹扩展速率的关系、氢在裂纹扩展中的地位、应力和应变速率的作用等方面取得了很大进展。已经提出的应力腐蚀开裂机理有阳极溶解型机理和氢致开裂型机理两大类。在这两类机理的基础上又发展了表面膜破裂理论、活性通道理论、应力吸附开裂理论、腐蚀产物楔人理论、闭塞电池理论、以机械开裂为主的两段论及开裂三阶段理论等。应力腐蚀开裂是一个非常复杂的问题,裂纹只是其形式的一种,造成裂纹的原因和裂纹进展过程在不同条件下也不同,所以很多时候不能只用一种理论来解释。以下将简要介绍应力腐蚀的相关机理。


  1. 阳极溶解机理


  阳极溶解理论是由T.P.Hoar和 J.G.Hines提出的。本理论认为,在应力和腐蚀的联合作用下,局部位置上产生了微裂纹。这时金属的整个表面是阴极区,裂纹的侧面和尖端组成了阳极区,产生了大阴极、小阳极的电化学腐蚀。应力腐蚀开裂是由裂纹尖端的快速阳极溶解所引起的,裂纹的侧面由于有表面膜等,使得侧面方向上的溶解受到了抑制,从而比裂纹尖端处的溶解速率要小得多,这就保证裂纹能像剪刀似地向前扩展。这种理论最适用于自钝化金属。由于裂纹两侧受到钝化膜保护,更显示出裂纹尖端的快速溶解,随着裂纹向前推进,裂纹两侧的金属将重新发生钝化(即再钝化),因此这种理论与膜的再钝化过程有密切联系。如果再钝化太快,就不会产生裂缝的进一步腐蚀;如果再钝化太慢,裂缝尖部将变圆而形成活性较低的蚀孔。只有当裂缝中钝化膜破裂和再钝化过程处于某种同步条件下才能使裂纹向纵深发展,可以设想有一个使裂缝进展狭小的再钝化时间的范围。阳极溶解理论是传统的应力腐蚀开裂机理,关于它的研究比较多。


   2. 氢致开裂机理


 近年来,应力腐蚀的吸氢脆变理论研究取得了较大的进展。该理论认为,由于腐蚀的阴极反应产生氢,氢原子扩散到裂缝尖端金属内部,使这一区域变脆,在拉应力作用下脆断。此理论几乎一致的意见是:在应力腐蚀破裂中,氢起了重要的作用。由于海洋结构用钢在腐蚀很强的海洋大气环境中,在金属表面容易发生阴极析氢反应,造成氢在钢铁表面的吸附及向内部的扩散,使钢铁结构脆变;同时,在交变载荷作用下,钢铁结构很容易发生由氢脆造成的断裂,危害巨大,氢致开裂的具体机理将在以后重点介绍。


   3. 表面膜破裂机理


 在腐蚀介质中,金属表面形成具有保护能力的表面膜,此膜在应力作用下引起破坏或减弱,结果暴露出新鲜表面。此新鲜表面在电解质溶液中成为阳极,它与阴极具有表面膜的金属其余表面组成一个大面积阴极和小面积阳极的腐蚀电池;阳极部位产生坑蚀,进而萌生裂纹。表面膜破裂是由多种因素造成的,如机械损伤。在应力的作用下表面膜的破坏可以用滑移阶梯来解释。金属在应力的作用下产生塑性变形就是金属中的位错沿滑移面的运动,结果在表面汇合处出现滑移阶梯,如果表面的保护膜不能随着阶梯发生相应的变化,表面膜就要被破坏。


   4. 活性通道理论


 活性通道理论是由迪克斯、米尔斯和布朗等人最先提出的,他们认为,在发生应力腐蚀开裂的金属或合金中存在着一条易于腐蚀、基本上是连续的通道,沿着这条活性通道优先发生阳极溶解。活性通道可由以下一些不同的原因构成:①. 合金成分和显微结构上的差异,如多相合金和晶界的析出物等;②. 溶质原子可能析出的高度无序晶界或亚晶界;③. 由于局部应力集中及由此产生的应变引起的阳极晶界面;④. 由于应变引起表面膜的局部破裂;⑤. 由于塑性变形引起的阳极区等。在腐蚀环境中,当活性通道与周围的主体金属建立起腐蚀电池时,电化学腐蚀就沿着这条路线进行。


 局部电化学溶解将形成很窄的裂缝,而外加应力使裂缝顶端应力集中产生局部塑性变形,然后引起表面膜撕裂。裸露的金属成为新的阳极,而裂缝两侧仍有表面膜保护,与金属外表面共同起阴极作用。电解液靠毛细管作用渗人到裂缝尖端,使其在高电流密度下发生加速的阳极活性溶解。随着反应进行,裂缝尖端的电解质发生浓度变化,产生极化作用和表面膜的再生,腐蚀速率迅速下降。重复缓慢的活性通道腐蚀,直到裂缝尖端重新建立起足够大的应力集中,再次引起变形和裂缝产生。这个过程不断重复,直到裂缝深人到金属内部,使金属断面减小到不足以承受载荷断裂。


 活性通道假说强调了应力作用下表面膜的破裂与电化学活性溶解的联合作用。因此,这个理论提出了发生应力腐蚀开裂必须具备的两个基本条件:一是合金中预先要存在一条对腐蚀敏感的、多少带有连续性的通道,这条通道在特定的环境介质中对于周围组织是腐蚀电池的阳极;二是合金表面上要有足够大的基本上是垂直于通道的张应力,在该张应力作用下裂缝尖端出现应力集中区,促使表面膜破裂。在平面排列的位错露头处,或新形成的滑移台阶处,处于高应变状态的金属原子发生择优腐蚀,沿位错线向纵深发展,形成隧洞。在应力作用下,隧洞间的金属产生机械撕裂。当机械撕裂停止后,又重新开始隧道腐蚀,此过程的反复发生导致裂纹的不断扩展,直到金属不能承受载荷而发生过载断裂。此模型虽然有一定的实验基础,但属于一种伴生现象,并非是应力腐蚀开裂的必要条件,不能成为应力腐蚀的主要机理。


  5. 应力吸附开裂理论


 上述几种理论都包含电化学过程,但是应力腐蚀过程的一些现象,如腐蚀介质的选择性、破裂临界电位与腐蚀电位的关系等,用电化学理论不能圆满解释。为此,尤利格提出应力吸附破裂理论。他认为,应力腐蚀开裂一般并不是由于金属的电化学溶解所引起的,而是由于环境中某些破坏性组分对金属内表面的吸附,削弱了金属原子间的结合力,在拉应力作用下引起破裂。这是一种纯机械性破裂机理。此模型为纯机械开裂模型,该模型得到的最大支持是许多纯金属和合金在液态金属中的脆断。吸附使金属表面能降低,降低得越多,应力腐蚀开裂敏感性越高,但有的现象却是相反的,缺乏广泛的实验支持,在水介质的应力腐蚀开裂理论中所占的比例不大。


  6. 腐蚀产物楔入理论


 腐蚀产物楔入理论是由N.Nielsen首先提出的,他认为,腐蚀产物沉积在裂纹尖端后面的阴极区。这种腐蚀产物有舌状、扇状等。在未加应力时,腐蚀产物杂乱分布;加应力后,不仅使腐蚀产物沿晶体缺陷,特别是沿位错线排列,而且舌状、扇状等也发展得更突出。腐蚀产物的沉积对裂纹起了楔子作用,产生了应力。当沉积物造成的应力达到临界值后,裂纹向前扩展,新产生的裂纹内吸人了电解质溶液,使得裂纹尖端阳极溶解继续进行,这就产生了更多的可溶性金属离子,这些离子扩散至阴极区并生成氧化物和氢氧化物等沉积下来,因此而产生的应力又引起裂纹向前扩展,如此反复,直至开裂。


  7. 闭塞电池理论


 闭塞电池理论(Occluded Cell Corrosion)认为,由于金属表面某些选择性腐蚀的结果,或者由于某些特殊的几何形状,使电解液中这些部位的流动性受到限制,造成这些部位的液体化学成分与整体化学成分有很大差异,从而降低了这些部位的电位,加速该区域的局部腐蚀,形成空洞,这些空洞就是所谓的闭塞电池。闭塞电池内,阳极反应的结果使酸度增加,从而加速了孔蚀的速率,在应力的作用下孔蚀可扩展为裂纹。


  8. 以机械开裂为主的两段论


 以机械开裂为主的两段论认为:应力腐蚀开裂首先由于电化学的腐蚀作用形成裂纹源,然后在应力的作用下迅速扩展而开裂。当裂纹扩展遇到析出物或不规则取向晶粒时而停止,然后再进行电化学腐蚀,这样交替进行,直至开裂。


  9. 开裂三段论理论


 左景伊提出开裂三阶段理论,其要点是解释所谓的特性离子作用。这三个阶段是:材料表面生成钝化膜或保护膜,全面腐蚀速率比较低,使腐蚀只发生在局部区域;保护膜局部破裂,形成孔蚀或裂纹源;缝内环境发生关键性的变化,裂缝向纵深发展,而不是在表面径向扩散。



四、应力腐蚀研究方法


 所有的应力腐蚀开裂实验的最终目的都是测定合金在特定应用环境中的抗应力腐蚀开裂性能。应力腐蚀开裂实验是根据应力腐蚀开裂的特征和实验目的而设计的。鉴于材料、介质、应力状态和实验目的的多样性,现已发展了多种应力腐蚀开裂实验方法。概括起来,按照实验地点和环境性质可将实验方法分为现场实验、实验室实验和实验室加速实验;按照加载方式不同,可将其分为恒负荷实验、恒变形实验、断裂力学实验和慢应变速率拉伸实验。不同的试样类型、加载系统及环境系统的组合,构成了众多的实验方法。


 1. 应力腐蚀实验的试样


 应力腐蚀实验的试样一般可分为三类:光滑试样、缺口试样和预制裂纹试样。


  a. 光滑试样。


光滑试样是在传统力学实验中常用的试样,也是应力腐蚀开裂实验中用得最多的试样类型。应力腐蚀实验中静止加载的光滑试样可以分为三大类:弹性应变试样、塑性应变试样和残余应力试样。弹性应变试样包括弯梁试样、C形环试样、O形环试样、拉伸试样和音叉试样。


   b. 缺口试样。


  缺口试样是模拟金属材料中宏观裂纹和各种加工缺口效应以考察材料应力腐蚀开裂敏感性的专门试样。使用缺口效应有以下优点:①. 缩短孕育期,加速应力腐蚀开裂进程;②. 使应力腐蚀开裂限定于缺口区域;③. 改善测量数据的重现性;④便于测量某些参数,如裂纹扩展速率。


   c. 预制裂纹试样。


  预制裂纹试样是预开机械缺口并经疲劳法处理产生裂纹的试样,通过应力腐蚀实验和断裂力学分析,测试结果可用于工程设计、安全评定和寿命设计。这种基于断裂力学的预制裂纹试样,由于显著地缩短了孕育期而加速应力腐蚀破坏,测试时间短,数据比较集中,便于研究裂纹扩展动力学过程。


 2. 应力腐蚀实验的加载方式


  在应力腐蚀开裂实验中,应根据实验目的选择合适的试样类型和加载方式。加载方式通常可以分为恒载荷、恒变形和慢应变速率拉伸加载三种方式。


   a. 恒载荷加载方式


   利用砝码、力矩、弹簧等对试样施加一定的载荷进行应力腐蚀实验。这种加载应力的方式往往用于模拟工程构件可能受到的工作应力和加工应力。可采用直接拉伸加载,如在一端固定的试样上直接悬挂砝码;也可采用杠杆系统加载,这种方式始终具有恒定的外加载荷。恒载荷应力腐蚀开裂实验虽然外加载荷是恒定的,但试样在暴露过程中由于腐蚀和产生裂纹使其横截面积不断减小,从而使断裂面上的有效应力不断增加。与恒变形实验相比,必然导致试样过早断裂。恒载荷实验条件更为严苛,试样寿命更短,应力腐蚀开裂的临界应力更低。


  b. 恒变形加载方式


   通过直接拉伸或弯曲使试样变形而产生拉应力,利用具有足够刚性的框架维持这种变形或者直接采用加力框架,以保证试样变形恒定,此为恒变形加载方式。这种加载应力方式的试样类型及恒变形加载的预制裂纹试样等均属于恒变形加载方式。恒变形应力腐蚀开裂实验过程中,当裂纹产生后还会引起应力下降,这是因为应力在裂尖高度集中,使裂纹张开,而且有一部分外加弹性应变转变成为塑性应变,应力下降使裂纹的发展放慢或终止,因此可能观察不到试样完全断裂的现象,只能借助微观金相检查分析裂纹的生成。此外,为确定裂纹最初出现的时间,经常需要中断实验,取出试样观察。


   c. 慢应变速率加载方式


  慢应变速率实验(Slow Strain Rate Test,SSRT)方法是由P.N.Parkins 和 Honthorne等人提出,并作为实验室实验方法而建立起来的,1977年统一命名为SSRT.作为实验室实验方法,最初应用于快速选材、判断不同合金成分和不同结构等对应力腐蚀的敏感性或对各类电化学参数的影响等,近年来已用于理论研究,并逐渐成为研究应力腐蚀行为的经典方法,已被ISO和ASTM定为判断应力腐蚀开裂的一种标准方法。SSRT方法提供了在传统应力腐蚀实验不能迅速激发应力腐蚀的环境里确定延性材料应力腐蚀开裂敏感性的快速实验方法,由于它具有可大大缩短应力腐蚀开裂实验周期,并且可以采用光滑小试样等一系列优点,因而被广泛应用于各种材料一介质的应力腐蚀研究。


   一些研究者认为:在发生应力腐蚀开裂的体系中,应力的作用是为了促进应变速率,真正控制应力腐蚀开裂裂纹发生和扩展的参数是应变速率而不是应力本身。事实上,在恒载荷和恒应变实验中以及在实际发生应力腐蚀的设备部件中,裂纹扩展的同时也或多或少地伴有缓慢的动态应变,应变速率取决于初始应力值和控制蠕变的各冶金参量。电子金相研究表明,应力腐蚀开裂是通过外加应力所产生的滑移台阶上的腐蚀产生的,某一体系的应力腐蚀开裂只在某一应变速率范围内才显示出来。


  慢应变速率实验中,最重要的变量是应变速率的大小。一般发生应力腐蚀的应变速率为10-7~10-4s-1,在这一应变速率范围内,将使裂纹尖端的变形、溶解、成膜和扩展处于产生应力腐蚀破裂的临界平衡状态。除了进行专门的研究,通常推荐使用标准的拉伸试样(ASTME8),其标距长度、半径等都做了具体的规定。由于SSRT方法本身就具有加速作用,因此对实验介质一般要求不是特别苛刻,可以采用实际应用的介质。


  SSRT最常用的加载方式是采用单轴拉伸方法。这种加载方法是在拉伸机上将试样的卡头以一定唯一速度移动,使试样发生慢应变,其应变速率在10-7~10-3s-1变化,直至把试样拉断。图中即为一种单轴拉伸SSRT试验机。对一台SSRT所用的单轴向拉伸试验机的要求是:①. 在试样所承受的载荷下,设备有足够的刚性,不致变形;②. 能提供可重现的恒应变速率,范围为10-8~10-4S-1; ③. 备有能维持实验条件的实验容器及其他控制和记录的仪器、仪表。慢应变速率实验结果通常与在不发生应力腐蚀的惰性介质(如油或空气)中的实验结果进行比较,以两者在相同温度和应变速率下的实验结果的相对值表征应力腐蚀的敏感性。主要有以下几个评定指标。研究应力腐蚀行为、规律和机理时,还经常辅以金相观察、断口分析和扫描电镜等多种现代研究分析手段。



五、 应力腐蚀开裂控制方法


  由于应力腐蚀开裂涉及材料、应力和环境三个方面,因此消除这三方面中一切可能导致应力腐蚀开裂的因素就能控制应力腐蚀开裂。或从内因人手,合理选材、降低和消除材料的残余应力;或从外因人入手,控制外应力、介质、外加极化电位等。图1.4为控制应力腐蚀开裂的措施。


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  1. 合理选材


   在设计金属构件时首先应明确地选用金属或合金材料,尽量避免金属或合金在易发生应力腐蚀的环境介质中使用。


  2.控制应力


   在制备和装配金属构件时,应尽量使结构具有最小的应力集中系数,并使与介质接触的部分具有最小的残余应力。例如,选用大的曲率半径,采用流线设计,关键部位适当增加壁厚。


  3. 改变环境介质


   通过除气、脱氧、除去矿物质或蒸馏等办法可除去环境中危害较大的介质组分,还可控制温度、pH值,添加适当的缓蚀剂来达到改变环境介质的目的。


  4. 电化学保护


   通过电化学极化的办法使金属的电位离开敏感电位范围,有可能抑制应力腐蚀开裂,阴极保护和阳极保护在不同场合的使用都是有效的。

 

  5. 保护镀层或涂层


   良好的镀层和涂层可使金属表面和环境隔离,从而避免产生应力腐蚀。