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金屬材料應(yīng)力腐蝕開裂需要哪些條件?

2017-4-14 8:57:24      點(diǎn)擊:

應(yīng)力腐蝕開裂是指由于殘余應(yīng)力或外加應(yīng)力引起的金屬的腐蝕和應(yīng)變共同作用導(dǎo)致開裂的過程。

 

盡管近年來聚合物和復(fù)合材料的就用越來越多,但金屬仍然是重要的結(jié)構(gòu)材料,這主要?dú)w因于它們的強(qiáng)度、剛度、韌性和耐高溫。


不幸的是,金屬會受到腐蝕的侵害(貴金屬除外,如黃金和鉑金,它們在常規(guī)條件下使用是相當(dāng)罕見的)。腐蝕可以有多種形式,這里要談的是腐蝕和機(jī)械應(yīng)力相互作用的開裂形式。這種類型的失效被稱為應(yīng)力腐蝕開裂,通常縮寫為SCCSCC可能在多種機(jī)制下發(fā)生,如果開裂是氫脆導(dǎo)致的,這個詞可以用來代替SCC


 

然而,這種區(qū)別是相當(dāng)武斷的,我們常常不確定SCC的機(jī)制,實(shí)際上許多氫導(dǎo)致的失效也通常會歸因于SCC。同樣,其他特定的應(yīng)力腐蝕開裂過程已經(jīng)獲得了自己的名字;“季裂”是指黃銅在含有氨的環(huán)境開裂;“堿脆”是指鋼在強(qiáng)堿中開裂等。


 

季裂最早發(fā)現(xiàn)是黃銅彈殼的一種應(yīng)力腐蝕開裂失效形式,這一現(xiàn)象來自在印度的英國軍隊。在雨季里,軍事活動會暫時性減少,彈藥被存放在馬廄里,直到干燥的天氣再取回。后來發(fā)現(xiàn)許多黃銅彈殼不明原因地發(fā)生了破裂。直到1921年,Moor, BeckinsaleMallinson等人對這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋:黃銅彈殼開裂的原因是馬尿中的氨與冷拔金屬彈殼中的殘余應(yīng)力相結(jié)合,共同導(dǎo)致了黃銅彈殼的應(yīng)力腐蝕開裂。

 

SCC是一種陰險的腐蝕形式,它會產(chǎn)生顯著的機(jī)械強(qiáng)度損失,但金屬損失很小。損壞不明顯以至于偶然檢查很難發(fā)現(xiàn),應(yīng)力腐蝕裂紋可以觸發(fā)機(jī)械快速斷裂甚至組件和結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性失效。一些重大的災(zāi)害是應(yīng)力腐蝕開裂造成的,包括高壓氣體輸送管道破裂、鍋爐爆炸以及電站和煉油廠的破壞事故。

 

幸運(yùn)的是,SCC的發(fā)生取決于三個條件必須同時達(dá)成:

 

a) 敏感材料。蒼蠅不叮無縫的雞蛋,要生發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,首先得是敏感性的材料。材料具有敏感性給我們的提示是,在一些可能發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的工況環(huán)境,選材要慎重。如304等奧氏體不銹鋼在含有氯的環(huán)境服役,應(yīng)力腐蝕開裂是尤其應(yīng)該注意的問題。奧氏體不銹鋼是面心立方金屬,面心立方金屬尤其容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,這是晶體結(jié)構(gòu)決定的。

 

b) 容易引起應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境。即使材料敏感,沒有導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)也是不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的,它好比硬幣的AB面。環(huán)境介質(zhì)也是應(yīng)力腐蝕開裂的重要條件。

 

c) 足夠的拉應(yīng)力。通常認(rèn)為靜態(tài)拉應(yīng)力是導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的充分必要條件。有人會問,那要是交變載荷呢?小編認(rèn)為可能要?dú)w于腐蝕疲勞了。為什么說發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂需要足夠的靜態(tài)拉應(yīng)力呢?因?yàn)樗枰獫M足一個腐蝕狀態(tài)下的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。

 

應(yīng)力腐蝕開裂在通常結(jié)構(gòu)材料中是比較罕見的,但在海洋、電廠、化工和石油鉆采等領(lǐng)域是非常常見的破壞形式,并且這種失效可能造成的代價是十分巨大的。