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应力腐蚀

应力腐蚀是指在拉应力作用下,金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒,即所谓穿晶腐蚀。应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。
应力腐蚀一般认为有阳极溶解和氢致开裂两种。常见应力腐蚀的机理是:零件或构件在应力和腐蚀介质作用下,表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解,产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多,阳极的电流密度很大,进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用,破坏处逐渐形成裂纹,裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展,而且还能穿过晶粒发展。
容易发生应力腐蚀的设备主要有热交换器、冷却器、蒸汽发生器、送风机、干燥机和锅炉。
材料应力腐蚀引起的破坏,常有以下特点:
(1)造成应力腐蚀破坏的是静应力,远低于材料的屈服强度,而且一般是拉伸应力(近年来,也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。这个应力可以是外加应力,也可以是焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力。最早发现的冷加工黄子弹壳在含有潮湿的氨气介质中的腐蚀破坏,就是由于冷加工造成的残留拉应力的结果。假如经过去应力退火,这种事故就可以避免。
(2)应力腐蚀造成的破坏,是脆性断裂,没有明显的塑性变形。
(3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。例如α黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏,而β黄铜在水中就能破裂。
(4)应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s,有点象疲劳,是渐进缓慢的,这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸,使剩余下的断面不能承受外载时,就突然发生断裂。
(5)应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处,而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。
(6)应力腐蚀破坏的断口,其颜色灰暗,表面常有腐蚀产物,而疲劳断口的表面,如果是新鲜断口常常较光滑,有光泽。
(7)应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念,应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。
(8)应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂,也可以是晶间断裂。如果是穿晶断裂,其断口是解理或准解理的,其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。
为防止零件的应力腐蚀,首先应合理选材,避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。
其次应合理设计零件和构件,减少应力集中。改善腐蚀环境,如在腐蚀介质中添加缓蚀剂,也是防止应力腐蚀的措施。采用金属或非金属保护层,可以隔绝腐蚀介质的作用。此外,采用阴极保护法见电化学保护也可减小或停止应力腐蚀。
       现在对应力腐蚀的研究,都是采用预制裂纹的试样。将这种试样放在一定介质中,在恒定载荷下,测定由于裂纹扩展引起的应力强度因子K随时间的变化关系(具体测试方法将在下面介绍),据此得出材料的抗应力腐蚀特性。

方法标准:不锈钢在沸腾氯化镁溶液中应力腐蚀试验方法YB/T 5362-2006
                 
铁-铬-镍合金在高温水中应力腐蚀试验方法YB/T 5344-2006

          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第1 部分:试验方法总则 GB/T 15970.1-1995
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第2 部分:弯梁试样的制备和应用 GB/T 15970.2-2000
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第3 部分:U 型弯曲试样的制备和应用 GB/T 15970.3-1995
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第4 部分:单轴加载拉伸试样的制备和应用 GB/T 15970.4-2000
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第5 部分:C 型环试样的制备和应用  GB/T 15970.5-1998
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第6 部分:恒载荷或恒位移下的预裂纹试样的制备和应用  GB/T 15970.6-2007
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分:慢应变速率试验GB/T 15970.7-2000
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第8 部分 焊接试样的制备和应用GB/T 15970.8-2005
          金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第9 部分:渐增式载荷或渐增式位移下的预裂纹试样的制备和应用 GB/T 15970.9-2007
                 硫化氢环境中硫化物应力腐蚀开裂和应力腐蚀开裂实验室试验方法  NACE TM0177-2005
                 确定不锈钢及镍-铬-铁合金在连多硫酸中的应力腐蚀开裂敏感性的实验方法  ASTM G35-1998(2010)
                 测定高强度铝合金制品应力腐蚀断裂敏感性的标准试验方法    ASTM G47-1998(2011)

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