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。
一、力学特征
1. 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。
2. 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SCC.
二、环境特性
1. 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。
2. 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。
3. 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。
三、冶金学特性
1. 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。
2. 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。
四、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。
五、应力腐蚀形态特征
1. 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。
2. 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。