上述的应力腐蚀断裂特征,可以帮助我们识别断裂事故是否属于应力腐蚀,但一定要综合考虑,不能只根据某一点特征,便简单的下结论。
2.应力腐蚀的机理
应力腐蚀断裂过程也包括裂纹形成和发展,可分为以下三阶段:
(1)孕育阶段:这是裂纹产生前的一段时间,在此期间主要是形成蚀坑,以作为裂纹核心,当机件表面存在可作为应力腐蚀裂纹的缺陷时(如晶界、孪晶界、夹杂等),则没有孕育期,只有裂纹扩展期,
(2) 裂纹亚稳扩展阶段:在应力和环境介质共同作用下,裂纹慢速扩展。
(3) 裂纹失稳扩展阶段:裂纹达到临界尺寸后产生的机械性断裂。
关于在应力和环境介质共同作用下裂纹的形成和扩展问题,有多种理论,迄今较公认的有阳极溶解作为断裂的控制过程的阳极溶解机理和阴极吸氢为控制过程的氢脆机理(氢脆机理将在后面讨论),这里需要注意应力腐蚀开裂(SCC)和氢致开裂(HIC)之间的关系。从逻辑上讲,它们之间是“交叉”的即它们的一部分内容是重合的。若SCC主要由腐蚀的阴极过程释氢引起的,则这种SCC也是HIC;若SCC主要由阳极溶解过程引起的,则这种SCC不是HIC。一般情况下,可采用外加电位的阴极极化的方法来判别SCC机理,即如果加速断裂,则属于HIC机制;若减慢或抑制,则属于阳极溶解机制。
使阳极电位下降,加速阳极金属的溶解,裂纹将逐步向纵深发展,如图7-2所示,上述阳极溶解机理实际上经历了滑移-膜破-阳极溶解-再钝化四个过程。应力腐蚀断裂若是穿晶型的,则保护膜的破裂是由于在应力作用下局部微区产生滑移台阶所造成的,若为沿晶型,则因晶间产生偏析或晶间有连续相析出,而在表面突出的单个晶粒形成的台阶,使表面保护膜破裂,最后导致应力腐蚀断裂。例如:马氏体不锈钢的应力腐蚀裂纹主要是沿晶扩展,但在455℃以下回火时,则又是穿晶的。
3.应力腐蚀断口特征
应力腐蚀断口的宏观型貌特征与疲劳断口颇为相似,也存在三个区:
(1) 断裂源区。一般由局部腐蚀或其它类型的裂纹引起,如点腐蚀、裂隙腐蚀等。这些源裂纹可以是焊接裂纹,疲劳裂纹,热处理裂纹等。应力腐蚀微裂纹源于表面,并呈不连续状,裂纹具有分叉较多,较尖锐(呈树枝状)的特征。
(2) 应力腐蚀裂纹的亚稳扩展区。这是应力腐蚀裂纹缓慢扩展的过程,这一过程是材料的组织与应力及环境介质相互作用的过程,从宏观上看这个过程的特征是呈脆性的,即使是具有高塑性的Cr-Ni系奥氏体不锈钢,由于裂纹是沿着材料的某一结晶学方向(如解理面),故常呈黑色或灰黑色,而这些腐蚀产物在以后的断裂事故分析中是相当重要的。
(3) 最后瞬断区。是快速拉断区或撕裂区,显示出基体材料的性质。
应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象,说明在应力腐蚀时,有一主裂纹扩展较快,其它分支裂纹扩展较慢。依据这一特征可以将应力腐蚀与应力疲劳、晶间腐蚀以及其它形式的断裂区分开来。
应力腐蚀断口的微观形貌有着非常显著的特征:腐蚀坑、腐蚀产物及泥纹花样(图9-3,图9-4,图9-5)。泥纹花样是平坦面上分布直线状的裂纹(如河底干涸状),这是一种腐蚀产物所形成的覆盖物。在穿晶断裂时,电镜下看到的断口为平坦的凹槽(深度大于宽度)、扇形花样、台阶及河流花样。凹槽区是由于应力和腐蚀介质共同作用的结果,扇形花样和台阶是由于不同平面上的应力腐蚀裂纹连接的结果,只是因为观察的方向不同呈现出不同的断口花纹。
总之,应力腐蚀的断口特征比较复杂。它与材料的晶体结构、机械性质、合金成分、热处理状态、环境气氛、温度及压力状态有关。它既可呈现脆性断口,有时也可看到延性断口,而断裂方式既可是晶间的、也可是穿晶的。例如:一般情况下,低碳钢、低合金钢、铝合金、α—黄铜是沿晶断裂,而β—黄铜和暴露在氯化物中的奥氏体不锈钢,大多数情况下是穿晶的。
由上述产生应力腐蚀机理和条件可知,防止应力腐蚀断裂的方法主要是合理选择材料,即针对零件所受的应力和使用条件选用那些应力腐蚀敏感性低的材料,例如:黄铜对氨的应力腐蚀开裂敏感性很高,因此,接触氨的构件就应尽量避免使用铜合金;其次,减少或消除零件中的残余拉应力,可降低SCC敏感性,即在设计上尽量减少零件上的应力集中,工艺上加热和冷却要均匀,必要时采用退火工艺以消除应力,由于抵消或部分地抵消了外加拉伸应力的作用,对抑制SCC是有益的;此外,改善介质条件,可以通过加缓蚀剂或保护层,以及减少和消除促进应力腐蚀的有害化学离子,通过改变介质条件来避免应力腐蚀;例如,通过水的净化处理降低冷却水与蒸汽水中的氯离子含量,对预防奥氏体不锈钢的应力腐蚀断裂是十分有效的,因此,改进金属构件的设计,防止腐蚀介质的富集,是一项重要的抑制SCC措施。
最后,从电化学防护来说也可以用阴极保护来防止应力腐蚀的发生,因为阴极极化可降低裂纹扩展速度,但是必须注意,对高强钢或其它氢脆敏感的材料,不能采用阴极保护法。