应力腐蚀破裂(stress corrosion cracking,SCC)是静拉应力与腐蚀共同作用下导致的一种损坏,表现为断裂,断口呈脆性断裂的形态。腐蚀对断裂的影响可以是通过对裂纹前端的阳极溶解,也可以是通过氢原子的作用使裂纹前端变脆。
不锈钢在拉应力状态下,在某些介质中经过一段不长时间,就会发生破裂,随着拉应力的加大,发生破裂的时间缩短。当取消拉应力时,钢的腐蚀量很小,并且不发生破裂。应力的来源通常是由于金属经过不正确的热处理或焊接和冷加工过程产生的残余应力,也可能是外加负荷,或者二者同时存在。
应力腐蚀破坏的特征是裂缝和拉应力方向垂直,断口呈脆性破坏,显微分析可在断口附近发现许多裂纹,它们多沿晶界分布,也有穿晶分布,或晶界与穿晶混合分布。
应力腐蚀破裂时,腐蚀介质是特定的,只有某些金属一介质的组合才产生应力腐蚀破裂,如奥氏体不锈钢的氯脆、高强度钢的氢脆等。
一般认为,产生奥氏体不锈钢应力腐蚀是应力和电化学腐蚀共同作用的结果。奥氏体不锈钢在介质中形成钝化膜,在应力的作用下出现滑移台阶导致表面膜破裂,膜的局部破坏造成裸露金属成为小阳极,小阳极的溶解逐步形成裂纹,在应力与环境的共同作用下,破裂过程加速发展。应力腐蚀的另一种机制是氢脆机制,认为蚀坑或裂纹内形成闭塞电池,使裂纹尖端或蚀坑底的介质具有低的pH,满足了阴极析氢的条件,氢原子吸附于金属表面引起氢脆,而导致应力腐蚀。
在介质的影响下,裂纹可以在低于Kic时扩展而导致断裂,如图9.5所示。人们定义裂纹“长”时间或给定时间不扩展的应力场强度因子K1值为KIscc,Kiscc也是一种韧性参量,它与Kic的差异便是介质的影响。Kiscc/Kic则是衡量材料应力腐蚀敏感性的指标。
当应力腐蚀裂纹前端的K1>K1scc时,裂纹会随时间而长大,裂纹扩展速率以da/dt断裂时间表示。应力腐蚀的发展通常分为三个阶段:第一阶段包括孕育期、表面膜的蚀穿、裂纹的形核;第二阶段为裂纹相对稳定扩展阶段;第三阶段为裂纹快速扩展和断裂阶段。实践中,第一阶段往往最长,成为整个过程的控制阶段。
18Cr-8Ni奥氏体不锈钢对氯脆的敏感性很大。镍含量高于8%时,镍含量越高,抗氯脆能力越大。镍含量低于8%时,镍含量越低,抗氯脆能力越大。这是由于生成的复相钢和铁素体不锈钢的氯脆趋势较小。用锰氮代替镍的铬锰氮奥氏体不锈钢有较好的抗氯脆性能。在18Cr-8Ni奥氏体不锈钢中加入1%~2%Mo将增加氯脆趋势。钛和铌都增加铬镍奥氏体不锈钢对氯脆的敏感性。
无论在奥氏体钢或复相钢中加入1.5%以上的硅均能显著改善钢的抗应力腐蚀断裂性能。硅能显著缩小y区,因此含硅较高的钢会含有8相,形成复相钢。
有关奥氏体不锈钢氯脆各种影响因素的深入分析及其机理的研究可参阅有关文献。
测量Kiscc比较简单,最常用的是悬臂梁弯曲试验,试样采用和测Kic的标准三点弯曲试样相同,但要长一些。样品一端固定于立柱上,另一端与一个力臂相连,力臂的另一端加上载荷。在样品的预裂纹周围配置所研究的环境,还可以同时测出da/dt-K1曲线。我国于1995年开始,制定了国家推荐标准GB/T 15970-1995《金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验》,直至2007年先后发布了第1~第9共9个部分。