由于不同材料+环境体系的应力腐蚀影响因素是不一样的,故本节只介绍奥氏体不锈钢应力腐蚀的因素,分别从材料、环境和力学三个方面论述。
1. 材料因素
铬和镍是奥氏体不锈钢的基本元素。其中,铬与空气中的氧生成氧化物,提高了钝化膜的稳定性。镍使不锈钢内部形成稳定的奥氏体组织,随着镍含量的提高,不锈钢耐应力腐蚀的能力提高。钼可以强化不锈钢基体,当钼含量小于2.5%时,应力腐蚀敏感性随着钼含量增加而加大;当钼含量大于5%时,影响规律相反。适当的氮元素能够提高奥氏体不锈钢组织的稳定性,大多数研究认为氮元素的加入可以减小应力腐蚀敏感性,但是也有的研究表明:在氯离子环境中,奥氏体不锈钢耐应力腐蚀性能随氮含量的增大而降低。硫元素会增加氯脆的敏感性。
材料的耐应力腐蚀性能也与晶粒大小、组织结构密切相关。细晶粒可以降低应力腐蚀敏感性。奥氏体不锈钢中少量的铁素体组织可以提高耐应力腐蚀开裂(SCC)性能;马氏体组织会增加应力腐蚀敏感性,奥氏体不锈钢中的马氏体主要是在冷变形、焊接等过程产生的。
2. 环境因素
环境对应力腐蚀的影响较为复杂,含卤素离子的介质、高温纯水、硫化物环境等都能引起奥氏体不锈钢应力腐蚀。所有的研究一致表明:在相同的条件下,应力腐蚀敏感性随着氯离子含量的增大而升高。在不同的温度下,存在一定的氯离子临界浓度。在有些场合,介质中氯离子平均浓度很低,但是也会发生应力腐蚀断裂现象,这主要是由氯离子在局部富集引起的。温度升高,应力腐蚀敏感性增大,但是并不具有线性影响规律,当温度较高时,对应力腐蚀影响的变化程度减缓。温度对应力腐蚀的影响是因为温度升高,化学反应速率增加,金属腐蚀速率增加。pH值是影响应力腐蚀开裂的另一重要因素,材料内应力腐蚀性能随着pH的降低而降低,但当pH<2时,腐蚀类型变为全面腐蚀。图5-6是Truman对温度、氯离子浓度、pH综合影响的研究结果。从图中可以看出,随着pH的降低,引起应力腐蚀的氯离子临界浓度降低。介质中氧气浓度升高,SCC敏感性增大。
3. 力学因素
与其他腐蚀类型相比较,应力是应力腐蚀必不可少的条件。应力来源于工作应力、残余应力、热应力及结构应力,或者由于腐蚀产物引起的扩张力,一般认为应力腐蚀是由拉应力引起的,但是也有研究人员认为压应力也可以引起应力腐蚀。部分研究者认为,应变是控制SCC裂纹萌生与发展的主因,应力增大使应变速率增加。焊接残余应力和加工残余应力是引起SCC的主要原因,据统计,80%的SCC是由残余应力造成的。加工残余应力主要是由冲压成型、管和筒体冷弯、胀接、扩口等工艺引起的。压力容器和管道中,焊接部位由于存在焊接残余应力和加工应力的叠加,更是应力腐蚀易发生地,某企业2台氢化塔发生应力腐蚀的部位如图5-7所示。
对于图5-7所示的薄壁内压容器,其环向和经向应力可采用回转薄壳的薄膜应力分析理论分析,受力图如图5-8所示。环向应力。。的计算公式为
在含氯离子环境中,即使残余应力较小,也可能会引起应力腐蚀,这是因为材料表面缺陷容易引起点蚀,点蚀坑会造成应力集中,加速裂纹萌生。某一公司的换热器服役一年多后换热管因应力腐蚀造成泄漏,泄漏部位并不在焊接部位处,如图5-9所示。
奥氏体不锈钢换热管经冷拔后,经过固溶处理,再通过矫直消除管子的变形,但是矫直处理使管子产生较高的残余应力。表5-1给出了三种材料的管子经冷拔-固溶-矫直之后的残余应力值。