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應力腐蝕斷裂影響因素及作用機理
應力腐蝕斷裂(SCC) 是應力與腐蝕介質協同作用下引起的金屬斷裂現象(見金屬腐蝕)。它有三個主要特征:①應力腐蝕斷裂是時間的函數。拉伸應力越大,則斷裂所需時間越短;斷裂所需應力一般都低于材料的屈服強度。這種應力包括外加載荷產生的應力、殘余應力、腐蝕產物的楔形應力等。②腐蝕介質是特定的,只有某些金屬-65Mn鋼板廠家介質的組合(見表)情況下,才會發生應力腐蝕斷裂。若無應力,金屬在其特定腐蝕介質中的腐蝕速度是微小的。③斷裂速度在純腐蝕及純力學破壞之間,斷口一般為脆斷型。


  氫脆(HE) 又稱氫致開裂或氫損傷,是一種由于金屬材料中氫引起的材料塑性下降、開裂或損傷的現象。所謂“損傷”,是指材料的力學性能下降。在氫脆情況下會發生“滯后破壞”,因為這種破壞需要經歷一定時間才發生。氫的來源有“內含”的及“外來”的兩種:前者指材料在冶煉及隨后的機械制造(如焊接、酸洗、電鍍等)過程中所吸收的氫;而后者是指材料在致氫環境的使用過程中所吸收的氫(見金屬中氫)。致氫環境既包括含有氫的氣體,如H2、H2S;也包括金屬在水溶液中腐蝕時陰極過程所放出的氫。
  金屬的應力腐蝕斷裂和氫脆是兩種既經常相關而又不同的現象。在高溫高壓氫氣中結構件的開裂,既是HE,又是SCC;水溶液中應力腐蝕時,若陰極過程析出的氫對斷裂起了決定性作用,則這種破壞既是SCC,也是HE;這兩個實例便位于圖1所示的重疊區內。


  試驗方法和工程參量 應力腐蝕試驗一般采用光滑或缺口試樣,固定環境條件(即腐蝕介質和溫度),采用斷裂為臨界點、測定固定應力下的斷裂時間(tf)或固定tf下的斷裂應力(σf),用 tf的長短或σf的高低,來衡量65Mn鋼板廠家材料抗應力腐蝕斷裂能力的大小。70年代以來,人們廣泛地運用了斷裂力學研究應力腐蝕斷裂;用預制裂紋的試樣進行應力腐蝕試驗,如圖2所示。斷裂時間tf是隨著應力場強度因子(KI)的降低而增加的;隨著 tf的增加,KI下降并趨近于一穩定值K(曲線a),或采用給定的tf來確定K(曲線b)。K叫作應力腐蝕斷裂的臨界應力場強度因子,也稱應力腐蝕臨界應力強度因子。根據斷裂力學公式,可以計算它與斷裂應力σf及臨界裂紋深度ac之間的關系:


(1)

式中α為形狀因子,可從斷裂力學手冊中查到。裂紋深度(a)的擴展速度(da/dt)隨KI的變化,一般有圖3所示的三階段的關系,依據Ⅱ階段的da/dt以及(1)式,可以估算壽命。


  上述各種試驗方法也適用于氫脆,這時,試樣或預先充氫,或在致氫環境(氣相或液相)中加載,一般也獲得類似圖2及圖3的結果。此外,對于預先充氫的試樣,也采用一般的抗拉試驗,用斷面收縮率(ψ)的變化來確定脆化系數I:
(2)

式中ψ0及ψH分別是未充氫及充氫試樣的ψ值。很明顯,I愈大,則氫脆敏感性愈大。
  影響因素及作用機理 陽極溶解機理 應力腐蝕斷裂必須首先發生選擇性腐蝕,而金屬的腐蝕又受圖4所示的陽極極化曲線的影響。以不銹鋼為例,增加介質中Cl-含量,降低介質中O2含量及pH值,都會使圖4a中陽極極化曲線從左向右移動,這四根曲線分別對應于蝕坑或裂紋區(圖4b)的不同位置。應力的主要作用在于使金屬發生滑移或使裂紋擴展,這兩種力學效應都可破壞鈍化膜,從而使陽極過程得以恢復,促進局部腐蝕。鈍化膜破壞以后,可以再鈍化。若再鈍化速度低于鈍化膜破壞速度,則應力與腐蝕協同作用,便發生應力腐蝕斷裂。

  陽極溶解機理說明了應力腐蝕斷裂的主要特征──腐蝕介質是特定的。因為只有在活化-鈍化或鈍化-再活化的很窄電位范圍(圖5)內,才能產生應力腐蝕斷裂;而給定的金屬介質組合,具有固定的開路電位,若這個電位落在圖5所示的金屬的應力腐蝕斷裂電位區內,便會發生應力腐蝕斷裂。這個機理還可說明許多新的實驗現象。例如,Cr17~25%-Mo5%-Cu0.37%(或Ni1%)鐵素體不銹鋼的陽極極化曲線與Cr18%-Ni8%奧氏體不銹鋼的相近,在熱濃的MgCl2水溶液中,這兩種不銹鋼盡管組織不同,同樣都發生應力腐蝕斷裂。又例如 α黃銅在含 NH嬋的堿性水溶液中發生應力腐蝕斷裂(見前表),但是,通過陽極極化,α黃銅在含No婣及SO娹的酸性水溶液中,也能發生應力腐蝕斷裂。

  曾經將陽極溶解機理叫作“活化途徑機理”,認為這種活化途徑是預先存在的。例如高強度鋁合金、α 黃銅、低碳鋼的晶界區。但是,預先存在的活化途徑并不是必要條件。例如,α黃銅在氧化性的含NH嬋的水溶液中,SCC是沿晶的;而在非氧化性的含NH嬋的水溶液中,SCC卻是穿晶的。
  氫致開裂機理 或稱氫脆機理,是應力腐蝕斷裂的第二種機理。這種機理承認 SCC必須首先有腐蝕,但是,純粹的電化學溶解,在很多情況下,既不易說明SCC速度,也難于解釋SCC的脆性斷口形貌。氫脆機理認為,蝕坑或裂紋內形成閉塞電池,局部平衡使裂紋根部或蝕坑底部具備低的pH值,這是滿足陰極反應放氫的必要條件。這種氫進入金屬所引起的氫脆,是SCC的主要原因。這種機理取決于氫能否進入金屬以及金屬是否有高度的氫脆敏感性。高強度鋼在水溶液中的 SCC以及鈦合金在海水中的SCC是氫脆引起的。
  氫致開裂機理又可從三方面考慮:①推動力理論?;瘜W反應所形成的氣體(CH4)、H2O與沉淀反應所析出的氫氣團和H2氣的內在應力以及氫致馬氏體相變應力,都可與外加的或殘余應力疊加,引起開裂。②阻力理論。氫引起的相變產物如馬氏體或氫化物,固溶氫引起的金屬結合能及表面能下降,都可降低氫致開裂阻力,促進開裂。③過程理論。氫在裂紋尖端區多方向應力梯度下的擴散和富集,表面膜對氫滲入和滲出的影響,氫在金屬內部缺陷的陷入和躍出,氫對裂紋尖端塑性區的影響等,都是氫致開裂或氫脆的過程理論。上述的三種機理不是相互矛盾對立的,而是相輔相成的。對于具體的體系,應從氫所造成的變化去確定起決定作用的機理。

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