关于应力腐蚀的探讨

刘庆祝

关于应力腐蚀的探讨

刘庆祝

（湖南省特种设备检验检测研究院衡阳分院 湖南省衡阳市 421001）

2015年笔者应邀到某厂进行检验。设备：氨蒸发器，介质：液氨、氨气，材质：不锈钢。问题：容器管板角焊缝、封头拼接焊缝局部腐蚀。检验项目：光谱检验材质为304；磁粉检测腐蚀处有微小表面裂纹；化验介质中含水和少量氯离子。判断为材料应力腐蚀，在工艺中去除氯离子，且增加化验项目问题得到解决。

这是一起典型的应力腐蚀事故。本文就应力腐蚀的概念、特征、机理、影响因素、防护进行介绍。

1 应力腐蚀的概念

材料的腐蚀随处可见，金属材料的腐蚀更为普遍和严重。从腐蚀机理来看可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和应力腐蚀。

应力腐蚀在材料使用中经常出现，破坏表现为材料的断裂，断裂前没有明显预兆，裂纹一旦形成，扩展速度快，危害性极大。

应力腐蚀断裂是指金属材料在拉应力和特定介质共同作用下引起的断裂，简称为应力腐蚀（SCC）。

2 应力腐蚀具有以下特征

（1）应力必须在拉应力存在下才能发生，压应力下一般不发生。应力越大，断裂所需时间越短，且应力一般低于材料屈服强度。应力可以是外加应力，也可以是加工或装配过程中产生的内应力。

（2）介质一定的材料必须和特定环境相结合才会发生，例如：碳钢和低碳钢需要氢氧化钠溶液、硝酸盐溶液、海水等环境；而奥氏体不锈钢则在氯化物水溶液、熔融氯化物等中发生几率较大。

（3）速度应力腐蚀的速度约为10-8～10-6m/s，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的断裂。

（4）断裂形态宏观表现为局部由表及里的裂纹，呈树枝状，裂纹垂直于拉应力方向。微观为沿晶断裂，也可为穿晶断裂或二者混合。

3 应力腐蚀机理

应力腐蚀断裂理论很多，这里介绍主流的阳极溶解机理和氢致开裂机理。

3.1 阳极溶解机理

敏感金属在特定化学介质中在表面形成钝化膜处于钝化状态。有拉应力存在时，可使局部钝化膜破裂而露出新鲜表面。新鲜表面在电解质溶液中成为阳极，其余表面成为阴极，由于腐蚀微电池产生阳极溶解形成腐蚀坑。拉应力除使局部钝化膜破坏外，在腐蚀坑或原有裂纹尖端形成应力集中，使阳极电位下降，加速阳极的溶解，从而使裂纹扩展。

另一种情况，当材料晶间产生偏析，晶体内部形成微电池，引起微电池腐蚀，在拉应力的作用下加剧而导致断裂。

3.2 氢致开裂机理

金属材料在应力和腐蚀介质共同作用下，阴极反应产生的氢原子扩散到金属内部或裂纹尖端腐蚀区，引起材料脆性断裂，这种应力腐蚀也叫“氢脆”。如高强钢在雨水、海水等水溶液中的应力腐蚀和钛合金在海水中的的应力腐蚀都是因“氢脆”而引起的。

4 影响应力腐蚀的因素

影响应力腐蚀的因素有很多，主要与应力状况、介质环境、合金成分等因素有关。

4.1 应力因素

应力腐蚀能否发生以及发展时间都与应力大小有关。当应力达到70～90%屈服强度时，就可以发生应力腐蚀，应力越大材料断裂时间就越短。大多数合金发生应力腐蚀时都有一个临界应力，当应力低于这一临界值时，就不再发生。

4.2 介质环境因素

4.2.1 特殊离子和浓度

氧化剂的存在对应力腐蚀有明显影响。如奥氏体不锈钢在中性氯化物溶液中含氧量超过10-6时，才会发生应力腐蚀，当低于10-6时就不会发生。但在高浓度沸腾的氯化镁溶液中，发生应力腐蚀不需要氧。

氯化物浓度对奥氏体不锈钢的应力腐蚀也有很大影响。245MPa应力下，304、316不锈钢在沸腾溶液中最敏感的浓度分别是42%和45%。

4.2.2 温度

不同材料产生应力腐蚀都有温度范围。如不锈钢一般在70℃以上，奥氏体不锈钢在MgCl2中氯脆温度为120～150℃。碳钢在CO-CO2中多发生于100℃以下。镁合金应力腐蚀通常在室温下产生，大多数金属产生应力腐蚀温度低于100℃。氢脆和温度的关系也比较密切，一般认为钢的氢脆仅发生于-100～150℃之间，-30～30℃范围内敏感性最高。

4.2.3 界面电位

应力腐蚀只在一定的电位范围内发生。在钝化膜不稳定区域，表面膜易产生活化或者过钝化溶解，而其他部位仍保持钝化，从而形成应力腐蚀的起源并扩展。

4.3 合金成分

合金中的元素种类对应力腐蚀有影响，二元合金和多元合金较纯金属敏感性更高。各元素含量对应力腐蚀也有影响，如奥氏体不锈钢中Ni含量约为10%时，敏感性最大，含量小于8%时抗应力腐蚀性增强，当Ni的含量为10～12%时，敏感性降低，Ni的含量大于45%时，则不发生应力腐蚀。低碳钢应力腐蚀的敏感性随碳含量增加而上升，碳含量为0.12%时最敏感，进一步增加碳含量，敏感性反而下降。不锈钢中加入适量的Al、Si、Co；钛合金中降低氧含量和铝含量，同时加入适量的Nb、Ta、V都有利于提高抗应力腐蚀能力。在二元、三元合金中加入少量的Cr、Mn、Zr、Ti、V、Ni能够降低应力腐蚀的敏感性。

5 防止应力腐蚀的措施

根据应力腐蚀发生机理及影响因素，一般采用以下措施来防止或者降低其发生和影响。

5.1 降低和消除应力

在加工（如热处理、焊接、电镀等）和装配过程中，尽量避免产生残余应力，或在加工后采取必要的消应力措施。同时，制备和装配时尽量使结构应力集中最小，使其与介质接触部分具有最小的残余应力。

5.2 合理选材

碳钢对应力腐蚀的敏感性低，是一种抗应力腐蚀的常用材料，抗应力腐蚀的不锈钢主要有高硅奥氏体铬镍钢、镍铬铁素提纲和铁素体-奥氏体双相钢等。以双相钢的耐应力腐蚀性能最好，尤其在高温高压水体系中的抗应力腐蚀性能更为优越，同时双相钢也具有抗孔蚀、缝隙腐蚀性能。铝合金中 LD10、LY12、LF21、ZL101；钛合金中 Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-2Al-4Mo-4Zr都具有较高的抗应力腐蚀性能。

5.3 控制使用环境

除去介质中危害较大的化学成分可防止应力腐蚀和其进一步破坏。如把水中的氧降低到10-6以下，使用离子交换树脂去除氯离子等。另外应控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以外，以抑制应力腐蚀的发生。还可以采用外加电流阴极保护法等来防止材料的应力腐蚀发生，而且在裂纹形成后还可以抑制其发展。

通过以上介绍，我们可以清楚应力腐蚀是如何发生的，并且充分认识其产生的危害，这样才能在以后的工作中避免损失和事故的发生，进一步保证安全生产。

TG172.9

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1004-7344（2016）31-0323-01

2016-10-17