當應力與腐蝕同時作用時,可以加速金屬的破壞。在最簡單的情況下,這兩個因素的破壞作用只是簡單疊加。如果是均勻腐蝕,則面積逐漸減小,使真實應力逐漸增加,最終達到材料的斷裂強度而斷裂;如果是晶間腐蝕,則晶間的結合力將會降低,外加的應力使腐蝕介質更容易沿晶界進行進一步的破壞,最終使殘余的晶間結合力不能承受外加應力而致斷裂。當應力不存在時,腐蝕甚微,施加應力并經過一段時間后,金屬會在腐蝕并不嚴重的情況下發生脆斷。這種應力腐蝕斷裂有如下五個共同特征。
一、力(li)學(xue)特征
1. 具備拉(la)應力(li)
一般(ban)應(ying)力(li)(li)(li)腐蝕都在拉應(ying)力(li)(li)(li)下才發(fa)生(sheng),而在壓應(ying)力(li)(li)(li)下不發(fa)生(sheng)應(ying)力(li)(li)(li)腐蝕,這(zhe)種拉伸應(ying)力(li)(li)(li)可以(yi)是工(gong)作狀態下材料承受外(wai)加(jia)載荷造(zao)(zao)成(cheng)的工(gong)作應(ying)力(li)(li)(li);也可以(yi)是在生(sheng)產(chan)(chan)、制造(zao)(zao)、加(jia)工(gong)和安裝過程中在材料內(nei)部形(xing)成(cheng)的熱應(ying)力(li)(li)(li)、形(xing)變應(ying)力(li)(li)(li)等殘余應(ying)力(li)(li)(li);還可以(yi)是由裂紋(wen)內(nei)腐蝕產(chan)(chan)物的體積效(xiao)應(ying)造(zao)(zao)成(cheng)的楔(xie)入作用或是陰(yin)極反應(ying)形(xing)成(cheng)的氫產(chan)(chan)生(sheng)的應(ying)力(li)(li)(li)。
2. 存在臨界應力(li)
合金所承受(shou)的應(ying)力越小,斷裂(lie)時間(jian)越長,當(dang)應(ying)力小于某一臨(lin)界(jie)(jie)值后(hou),此應(ying)力成為臨(lin)界(jie)(jie)應(ying)力。在大多數的材料(liao)-環境體系(xi)中,存(cun)在一個臨(lin)界(jie)(jie)應(ying)力,當(dang)應(ying)力低于該臨(lin)界(jie)(jie)值時,則(ze)不(bu)產生(sheng)SCC.
二、環境(jing)特性
1. 腐蝕介質的特(te)性
只(zhi)有(you)(you)在特(te)(te)(te)定(ding)的腐(fu)(fu)蝕(shi)介(jie)質(zhi)中(zhong)含有(you)(you)某(mou)些對發生應力腐(fu)(fu)蝕(shi)有(you)(you)特(te)(te)(te)效作(zuo)用的離子(zi)、分子(zi)時才會發生應力腐(fu)(fu)蝕(shi)。這種特(te)(te)(te)定(ding)的腐(fu)(fu)蝕(shi)劑并不一(yi)定(ding)要(yao)大量存在,而且往往濃度很低。表1.5列(lie)出了(le)一(yi)些金(jin)屬和合金(jin)發生應力腐(fu)(fu)蝕(shi)的特(te)(te)(te)定(ding)介(jie)質(zhi)。
2. 溶液的(de)濃度
值得指出的是(shi),即使有時整體濃(nong)度是(shi)很(hen)低的,但是(shi)由(you)于局(ju)(ju)部(bu)(bu)位(wei)置上的濃(nong)縮作用(yong),使該處極易產生局(ju)(ju)部(bu)(bu)腐蝕。
3. 具有一定的電位范圍
從(cong)電(dian)化學的(de)角度來看,材料與特定(ding)介質的(de)偶合導致應力腐蝕的(de)條件是它發生在一(yi)定(ding)的(de)電(dian)位范圍內,一(yi)般是發生在鈍化-活(huo)化的(de)過渡區或鈍化-過鈍化區。
三、冶金學特(te)性
1. 不同的化(hua)學成分和純(chun)度具有不同應力腐(fu)蝕敏感性
純(chun)(chun)金屬一度(du)被認為不(bu)發(fa)(fa)生應力腐蝕,但是通過實驗發(fa)(fa)現,純(chun)(chun)度(du)高達99.999%的(de)銅及99.99%的(de)鐵在一定條件(jian)下也發(fa)(fa)生了晶(jing)間應力腐蝕開裂,因此,認為合金比純(chun)(chun)金屬更易(yi)產生應力腐蝕是恰當的(de)。
2. 不同(tong)組織具(ju)有不同(tong)的應力腐(fu)蝕敏(min)感性(xing)
金屬晶體(ti)(ti)結構的差異也影響到材料的耐蝕性,體(ti)(ti)心(xin)立(li)(li)方晶格(鐵素體(ti)(ti)和馬氏(shi)體(ti)(ti))比面(mian)心(xin)立(li)(li)方晶格(奧(ao)氏(shi)體(ti)(ti))更耐應力(li)(li)腐蝕。一般說來,粗晶粒比細(xi)晶粒對應力(li)(li)腐蝕更為敏感。晶格缺陷,如(ru)晶界(jie)、亞晶界(jie)、露(lu)頭(tou)的位錯(cuo)群等,對應力(li)(li)腐蝕破(po)裂(lie)敏感,將(jiang)優先溶解(jie),常常成為應力(li)(li)腐蝕破(po)裂(lie)發生的裂(lie)縫源。
四、應力腐蝕裂紋擴展速率
金屬在無(wu)(wu)裂(lie)紋、無(wu)(wu)蝕(shi)坑(keng)(keng)或缺陷(xian)的(de)(de)情(qing)況下(xia),應(ying)力腐蝕(shi)過程可(ke)分為(wei)三個階段(duan):裂(lie)紋萌生階段(duan),即由于(yu)腐蝕(shi)引起(qi)裂(lie)紋或蝕(shi)坑(keng)(keng)的(de)(de)階段(duan);裂(lie)紋擴展階段(duan),即由裂(lie)紋源或蝕(shi)坑(keng)(keng)開(kai)始到達極限應(ying)力值為(wei)止的(de)(de)這一階段(duan);失穩(wen)斷裂(lie)階段(duan)。裂(lie)紋萌生階段(duan)的(de)(de)長(chang)短取決于(yu)合金的(de)(de)性能、環境的(de)(de)特性和應(ying)力的(de)(de)大小,這一時期(qi)短的(de)(de)僅幾(ji)分鐘(zhong),長(chang)的(de)(de)可(ke)達幾(ji)年、十幾(ji)年或幾(ji)十年,裂(lie)紋萌生期(qi)是服役壽命的(de)(de)主要部分。
五、應(ying)力腐蝕形態特征
1. 應力腐蝕(shi)的宏觀形態特征
即(ji)使具(ju)有(you)很高延性(xing)的金屬,其應(ying)力(li)腐蝕仍具(ju)有(you)完全(quan)脆(cui)性(xing)的外觀。應(ying)力(li)腐蝕都呈(cheng)脆(cui)性(xing)斷(duan)裂,應(ying)力(li)腐蝕的宏觀斷(duan)口常(chang)有(you)放(fang)射花樣(yang)或人字紋。
2. 應(ying)力腐蝕的微觀(guan)形態特征
應(ying)力腐(fu)蝕斷(duan)口的(de)(de)微觀特征比較(jiao)復雜,它與(yu)鋼(gang)的(de)(de)成分(fen)、熱(re)處理、環境條件、應(ying)力狀(zhuang)態、晶體結(jie)構以及力學性能(neng)等(deng)有(you)(you)關(guan)。金屬材(cai)料(liao)發生(sheng)應(ying)力腐(fu)蝕時,僅在(zai)局部(bu)地區(qu)出(chu)現(xian)由表及里的(de)(de)腐(fu)蝕裂紋(wen),其裂紋(wen)形(xing)態主要(yao)有(you)(you)穿晶型(xing)(xing)、晶界型(xing)(xing)和混合(he)型(xing)(xing)三種。不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)金屬-環境體系,將(jiang)出(chu)現(xian)不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)裂紋(wen)形(xing)態。例如,軟鋼(gang)、銅合(he)金、鎳合(he)金多半顯(xian)(xian)晶界型(xing)(xing),奧氏(shi)體不(bu)(bu)銹(xiu)鋼(gang)多半顯(xian)(xian)穿晶型(xing)(xing),而鈦(tai)合(he)金多半顯(xian)(xian)混合(he)型(xing)(xing)。不(bu)(bu)論表現(xian)形(xing)式(shi)如何,裂紋(wen)的(de)(de)共同(tong)特點是在(zai)主干裂紋(wen)延(yan)伸的(de)(de)同(tong)時還有(you)(you)若干分(fen)支同(tong)時發展,裂紋(wen)出(chu)在(zai)與(yu)最大應(ying)力垂直的(de)(de)平面(mian)上(shang),其破裂斷(duan)口顯(xian)(xian)現(xian)出(chu)脆(cui)性斷(duan)裂的(de)(de)特征。