一、影响因素

        有许多因素影响着应力腐蚀破裂的过程,弄清它们的影响规律,对于应力腐蚀失效分析和预防应力腐蚀破裂的实践都是十分有意义的,下面简要介绍对几种主要影响因素的研究结论。
        1.强度的影响
        材料强度是对应力腐蚀破裂敏感性最有影响的参数。强度越高,应力腐蚀敏感性越大,K1c和K1scc越低,裂纹扩展速度越快。钢的应力腐蚀破裂倾向性随着α0.2增高而剧烈增加,但对于某些高强铝合金也有例外的情况。
        2.显微组织的影响
        显微组织对K1scc的影响也很明显,低合金钢在低温回火脆性范围内应力腐蚀开裂敏感性很高,而等温处理的材料则不然。
        对不同组织状态的20MnvB钢在0.1NHCl水溶液中延迟断裂行为的研究证明,其断裂抗力按下列顺序增加:淬火马氏体,马氏体基体的F/M双相组织、珠光体+铁素体、铁素体基体的F/M双相组织、等温贝氏体。
        低合金钢的原始奥氏体晶粒度对K1scc影响不大,但晶粒尺寸对Cr-Ni不锈钢应力腐蚀破裂的敏感性却有影响,晶粒尺寸越大,破断时间越短。
        晶粒取向对K1scc影响极大,尤其当晶粒比较粗大时冲压成型的纤维状组织比再结晶的组织有更高的应力腐蚀敏感性。沿纤维状组织横向加载时的应力腐蚀破裂倾向性总此沿纵向加载时高。
        3.热处理的影响
        由于热处理可以改变钢的组织结构,通常对da/dt和Klscc有强烈的影响。迄今为止,人们仍采用各种强韧化处理工艺来提高钢的应力腐蚀抗力。
        一般来说,下述热处理工艺方法可以提高材料的Klscc,提高回火温度,超高温淬火、亚温淬火、形变及形变热处理,这些工艺也可有效地降低da/dt,等温淬火虽然不能提高Klscc,但却可使da/dt明显下降。上述工艺对Klscc及da/dt影响因材料不同会有差异,这方面的研究成果较多,可资参考。
        4.合金元素的影响
        一般来说,凡能影响钢的屈眼强度的台金元素及工艺都能显著影响其应力腐蚀敏感性。
        在低合金钢中,Cr,Mo,S,P,Co,Cu,Si对Klscc几乎没有影响,C和Mn对Klscc有害。一般在0.4%的碳含量以下,随着碳含量的增加,其应力腐蚀敏感性增加,见图8-29。对碳舍量高于0.4%的钢还缺乏系统的研究。
图8-29 不同碳含量对30CrMnSiNi2A应力腐蚀性能的影响
        锰含量在30%以内,对钢的抗应力腐蚀性能都有影响,随锰含量的增加,Klscc将降低。
        磷对高强度钢应力腐蚀性能的影响和碳的影响类似,见图8-30。
图8-30 磷含量对30CrMnSiNi2A钢应力腐蚀性能的影响
        Si能显著提高Cr-Ni不锈钢在浓氯化物中特别是在42%沸则MgCl2中的抗应力腐蚀能力。多数实验表明,C却有利于提高Cr-Ni不锈钢的抗应力腐蚀性能。Mo能提高不锈钢耐H2SO4及醋酸等有机酸的应力腐蚀破裂能力。但是在高浓度氯化物中含少量Mo对防止应力腐蚀破裂却是不利的。Mn的加入一般是有害的,它将加速Cr-Ni不锈钢的应力腐蚀破裂。一般认为N、P、S对Cr-Ni不锈钢应力腐蚀破裂有不良影响。Cu在氯化物中对Cr-Ni不锈钢应力腐蚀破裂无影响或影响不大。
        增加合金元素Cr、Ni、Mo的含量,可以减缓钢的裂纹扩展速度。低合金钢中加Si可以使裂纹扩展速度明显减缓。C和P对马氏体时效钢可能加速裂纹扩展。
        5.环境介质的影响
        对低合金钢而言,随着环境由无氢到水溶液介质到H2s的变化,其应力腐蚀破裂的敏感性不断增强,da/dt不断增加。
        介质温度是个很重要的影响因索,一般来说,随着温度的升高,材料的应力腐蚀性加强,Cr-Ni不锈钢在热水和高温水中应力腐蚀敏感性增加,但许多研究正明对不同的材料都存在一个最易产生应力腐蚀现象的温度范围,如Cr-Ni不锈钢约为180~280℃,奥氏体不锈钢氢脆多发生在50~300℃范围内,低碳钢在溶液温度接近于沸点时,最容易产生碱脆破裂,微碱性高温高压水引起的碱脆破裂,通常发生在150~300℃温度范围内。
       介质浓度对应力腐蚀的影响是显著的。一般来说,碱的浓度越高,低碳钢的碱脆越易发生.只有当碱浓度大于5%~15%时,才能发生碱脆破裂,当碱浓度达到50%时,碱脆的敏感性将大大增加。钛合金在盐酸中Klscc随HCl浓度增加而不断下降。
        电极电位、化学介质种类、溶液的pH值等也都是对材料的应力腐蚀敏感性有重要影响的因素。一般来说,不同的金属在不同的环境条件下,都存在一个较易发生应力腐蚀的电位范围。例如,低碳钢在25℃35%NaOH溶液中的破裂电位范嗣约为-1.1~0.9V,而低碳钢的硝盐破裂电位大约在-300~+1300mv之间,通常情况下,电极电位约在-0.6v~-0.9v时,多数高强钢的应力腐蚀敏感性较小,而且不管是阳极极化还是阴极极化,都将加速高强钢环境氢腑型的破裂过程,因此,阴极保护对高强钢不适用。对奥氏体不锈钢存在一个临界破裂电位,如其在沸腾的42%MgCl2溶液中临界破裂电位约为-0.13V(SHE)。电位对于钛合金在含有Cl-,Br-,I-水溶液中的应力腐蚀破裂起重要的作用。在含Cl-和含Br-的水溶液中,Ti-2Al-1Mo-lv的敏感电位约为-500mv到600mv,而在含I-的水溶液中Omv以上是最敏感的电位。
        一般认为,随着溶液pH值增加,钢的应力腐蚀破裂敏感性降低。当溶液的pH值<4~5(酸性)时,PH值越小,越容易发生应力腐蚀破裂。在pH值较大,碱性较强的情况下,可以减缓,甚至防止应力腐蚀破裂,而当pH值在3~10的中间范围时,对应力腐蚀的敏感性不大。对于Cr-Ni不锈钢,pH较低时,仅产生一般腐蚀,而当pH值为6~7时,18-8Cr-Ni不锈钢才对应力腐蚀最敏感。
        6.表面状态的影响
        钢的表面处理方法不同,表面状态不一样,其应力腐蚀敏感性亦不相同。
        一般认为不锈钢在沸MgCl2中普通机械抛光较真空退火和电解抛光应力腐蚀破裂敏感性大。不同的机械抛光方法,表面粗糙度不同,其应力腐蚀破裂倾向性也有很大差别。表面粗糙将增大应力腐蚀的倾向性。表面强度和硬度越高,钢的延迟破裂倾向性越大,采用产生压应力的热处理或喷丸、喷砂、锤打、辗压等办法可以减少应力腐蚀破裂的倾向性,化学热处理(如渗N)或镀层也可以引人压应力,产生同样效果。
        7.缺口应力集中程度的影响
         对于螺栓等结构零件,缺口的应力集中程度明显地影响其抗应力腐蚀的能力。随着缺口曲率半径的增大,Klscc急剧增高。
        表8-4所示为σb=1568MPa的30CrMnsiNi2A钢恒位移试样(B=20mm,a/w=0.3)不同曲率半径条件下的Klscc值。表8-5为不同缺口曲率半径的WOL恒位移试样在水中测定的Klscc值,式(8-1)为超高强度钢30CrMnsiNi2A缺口试样在水介质中测定的Klscc实验结果。
        以上结果都表明了缺口应力集中程度对应力腐蚀抗力的高度灵敏性。

        二、防止应力腐蚀破裂的措施

        防止或减缓应力腐蚀破裂现象不仅是必要的,也是可能的,只要搞清应力腐蚀发生的基本条件及各种影响因素对K1scc及da/dt的影响规律,就可以设法减缓甚至防止应力腐蚀破裂现象。但是由于应力腐蚀现象的复杂性,到目前为止,也还有大量的问题没有解决,因此,人们目前只能就已知的规律,采取有限的措施,更完善的办法有待进一步的深入探索。下述几项措施是较有普遍指导意义的手段。
        1.控制和降低应力
        拉应力足应力腐蚀发生的条件之一,设法有效地控制和降低拉应力,是有效的保护措施;
        一方面在零构件的设汁时不仅要使工作应力远远低于材料的屈服强度,而且要远远低于材料应力腐蚀临界断裂应力,考虑到材料的微观裂纹.缺陷的存在,应利用断裂力学方法,根据在腐蚀环境中测定的K1scc和da/dt等参数,确定在使用条件下裂纹尖端的载荷应力强度因子以及构件允许的临界裂纹尺寸,要力戒应力集中,对必须的缺口要选用较大曲率半径,避免尖角、棱角和结构的厚薄悬殊,采用封闭对称结构,应尽量避免缝隙和可能造成腐蚀液残留的死角,防止有害离子的浓缩。另一方面要从材料加工、制造工艺和结构设计方而尽量降低加工应力、热处理应力、装配应力和其它残余应力。采用退火等手段消除残余应力,采用滚压、喷丸、超声波、振动等方法也能减少残余应力或使材料表层产生压应力,也是提高材料应力腐蚀抗力行之有效的方法。
        2.改善腐蚀性环境、采取必要的保护措施
        (l) 改变介质条件,在可能的情况下,应避免活性腐蚀介质或减少和控制有害介质的数量。设法消除或减少产生腐蚀破裂的有害化学离子;
        (2) 改变生产过程中溶液的温度、浓度、杂质含量和pH值。根据实验结果和经验数据,适当调控上述参数,使之处于最不利于应力腐蚀现象发生的水半上。当然,不一定几个参数同时达理想值,需根据实际需要与可能,抓主要矛盾;
        (3) 正确地利用缓蚀剂,改变腐蚀环境的性质。针对实际情况,恰当地选用缓蚀剂可以明显减缓应力腐蚀过程。任一种缓蚀剂都叮能改变介质的pH值;促进阴极或者阳极极化,阻止氧的侵人或有害物质的吸附等。缓蚀剂的选择可参阅确关资料;
        (4) 采取外加电位的方法,使金属在介质巾的电位远离应力腐蚀破裂敏感电位区,如较常用的阴极保护和阳极保护法等,具体方法的选择应依实际材料和介质情况而定。
        3.合理选材和采取适当的表面处理及热处理工艺
        (1) 由于应力腐蚀过程取决于敏感金属和特定腐蚀环境的特殊组合,合理地选材就成为防止或减缓应力腐蚀现象最基础的工作。应尽量选择在所用介质中尚未发现应力腐蚀破裂现象或不太敏感的材料,K1scc较高的材料。通常应选用真空熔炼、真空重熔、真空浇注等工艺隹产的台金材料,以保证较高的纯净度,防止过多的非金属夹杂物。还应注意到,许多合金在常温或较高温度下沉淀硬化可大大提高应力腐蚀敏感性,而过时效、分级时效或形变时效却可显著提高高强铝台金的抗应力腐蚀性能;
        (2) 通过采用各种强韧化处理新工艺(如超高温淬火、亚温淬火等),改变合金相的相组成、相形态及分布。即面过改变合金的成分和组织结构,消除杂质元素的偏析,细化晶粒,提岛成分和组织的均匀性,提高材料韧性,进而改善合金的抗应力腐蚀性能,
        (3) 采用有机涂层,无机涂层或覆以金属涂层,或用隋性气体覆盖金属表层以及采用擦油,加阻化剂等方法阻止金属与可能产生应力腐蚀破裂的腐蚀剂直接接触。高强度钢用环氧漆聚氨酯涂层、聚烃氧类保护十分有效。铝涂层对上业大气中高强钢及酪锌底漆对Al台金保护也很有效。镀镉,镀锌也可以防止各种材料的应力腐蚀破裂,但采用镀镉、镀锌或无机锌涂层可能会引起电镀件的氢脆,电镀后应热处理去氢。