应力腐蚀断裂(SCC)的发生条件和特征

发生SCC必须同时具备下列3项条件:特定的合金成分结构(敏感材料)、拉应力以及特定的腐蚀介质。对于某一特定材料而言,不存在拉应力时,单纯的腐蚀作用不会产生这类腐蚀,单纯的拉应力作用也不会产生这类腐蚀。具体来说,SCC具有下列一些特征。

(1)发生SCC的材料主要是合金,纯金属不发生,但即使合金元素非常微量也能引起开裂。如纯度达99.99%的纯铁在硝酸盐溶液中很难开裂,但当碳钢含有0.04%碳时,在硝酸盐溶液中就能引起破裂;纯度达99.999%的铜在含氨介质中不会发生SCC,但当含有0.04%磷或0.01%锑时,在含氨介质中就发生破裂。可以说,合金比纯金属更容易发生SCC。

(2)特定金属及合金只有在特定的环境中发生SCC,即只对某些特定的介质敏感。

(3)只有拉应力能引起SCC,拉应力越大,断裂时间越短,宏观上破裂方向与拉应力垂直。压应力不发生应力腐蚀。拉应力可能有以下几个来源:

①合金零部件、构件在冷加工、锻造、焊接、热处理、装配过程中产生的残余应力。

②工作状态下材料承受的外加载荷造成的工作应力。

③裂纹内腐蚀产物体积效应(腐蚀产物的体积往往大于其金属的体积)所造成的楔入应力等。

(4)材料和环境的交互作用反映在电位上。R. W. Staehle总结奥氏体不锈钢在各种环境下的SCC后提出:SCC发生有3个易产生破裂的电位区间,称为敏感电位区(图3.15)。即活化-阴极保护过渡区(区域1)、活化-钝化过渡区(区域2)及钝化-过钝化电位区(区域3)。上述3个电位过渡区都是钝化膜不稳定的区域,在这些电位下易使合金表面的活性点产生溶解破坏,在拉应力与腐蚀介质中易诱发SCC,其中最容易发生在活化-钝化过渡区和钝化-过钝化电位区。

图3.15 发生SCC的敏感电位区

(5)SCC是材料在拉应力和环境共同作用下经过一段时间产生裂纹,然后裂纹逐渐扩展,达到临界尺寸,裂纹尖端的应力强度达到材料的断裂韧性而发生的失稳断裂。可见,材料发生SCC通常有一个潜伏期(可能很短,也可能几年或更长时间)。这种滞后断裂过程一般分3个阶段,即裂纹的孕育期、裂纹扩展期和裂纹失稳的纯力学的快速断裂期。

①孕育期。导致应力集中的裂纹萌生阶段,又称为诱导期,约占整个时间的90%。

②裂纹扩展期。由裂纹源或蚀孔直至发展到临界尺寸所经历的时间。

③快速断裂期。裂纹达到临界尺寸后,材料在纯力学作用下的失稳断裂阶段。

后两个阶段时间短,约占整个时间的10%。在大多数系统中,存在SCC的临界应力强度因子,低于这一临界值,则不发生SCC。

(6)SCC的裂纹有晶间型、穿晶型和混合型3种类型,主干裂纹延伸的同时,还有若干分支同时扩展。晶间型裂纹沿晶界而延伸,穿晶型指裂纹穿越晶粒而延伸,混合型裂纹既有穿越晶粒而延伸的又有沿着晶界而发展的。合金发生SCC的裂纹类型,视具体合金-环境体系而定。例如,铝合金、高强度钢多半是晶间型的,奥氏体不锈钢多是穿晶型的,钛合金多为混合型的。即使是同一种合金,当环境、拉应力大小改变时,裂纹的形态也会随之改变。

(7)SCC断口呈现脆性断裂形貌,即使塑性很高的材料也无缩颈现象(在微观上,断裂面上仍有塑性流变的痕迹)。由于腐蚀介质的作用,断口表面颜色呈黑色或灰黑色,显微断口上往往可见腐蚀孔及二次裂纹。晶间断裂呈冰糖块状,穿晶断裂往往具有河流花样、扇形花样、泥状花样等形貌特征。

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