应力腐蚀开裂的原因和危害

一般来说，在某种特定的腐蚀介质中，材料在不受应力时腐蚀甚微；而当受到一定的拉伸应力（可远低于材料的屈服强度）时，经过一段时间后，即使是延展性很好的金属也会发生脆性断裂。在一定拉伸应力作用下，金属材料在某些特定的腐蚀介质中由于腐蚀介质和应力的协同作用而发生的脆性断裂现象称为应力腐蚀开裂（stress corrosion cracking，SCC）。SCC通常事先没有明显的征兆，易造成灾难性后果。SCC的发生需要同时具备三个条件：①金属本身对SCC具有敏感性；②存在能引起金属SCC的介质；③具有一定拉伸应力的作用。常见的SCC有：低碳钢在硝酸盐溶液中的“硝脆”、奥氏体不锈钢在氯化物水溶液中的“氯脆”、铜合金在含溶液中的“氨脆”等。

图11-3是阳极应力腐蚀开裂示意图。由于裂纹尖端的阳极反应，裂纹尖端的材料不断溶解，使得裂纹得以向前扩展。而裂纹尖端的腐蚀速率远大于裂纹表面的腐蚀速率是裂纹不断扩展的必要条件。如果裂纹尖端和裂纹表面的腐蚀速率接近，裂纹将会钝化。在SCC易于发生的环境中，金属表面包括裂纹表面通常被钝化膜（passive film）覆盖，使得金属不与腐蚀介质直接接触，从而抑制腐蚀反应的发生。然而，裂纹尖端的高应力会导致钝化膜遭受局部破坏，致使裂纹尖端的金属材料重新与腐蚀介质直接接触而发生阳极溶解，使得裂纹不断向前扩展直至最终发生断裂。因此，SCC经历了膜破裂、溶解和断裂三个阶段。

图11-3　阳极应力腐蚀开裂示意图［3］

当利用线弹性断裂力学对SCC进行分析时，裂纹尖端的应力强度因子是控制裂纹扩展的主要参量。在特定的SCC条件下，由于腐蚀环境的影响，裂纹通常会在低于材料断裂韧KⅠC的应力强度因子K作用下发生扩展。定义KⅠSCC为腐蚀环境下裂纹扩展的临界应力强度因子，当K＜KⅠSCC时，裂纹将不会扩展。图11-4是SCC环境下裂纹扩展速度随应力强度因子K变化的曲线，纵坐标为对数坐标。裂纹扩展过程可分成三个阶段：①阶段Ⅰ，在该阶段，裂纹扩展速度随应力强度因子K（K＞KⅠSCC）而迅速增加。②阶段Ⅱ，平台阶段，裂纹扩展速度与应力强度因子K无关。在这个阶段，裂纹的扩展速率主要受腐蚀介质向裂纹尖端传输速率或破坏物质向材料内部扩散速率的影响。因此，该阶段的裂纹的扩展速度对温度、压强以及酸碱度更加敏感。③阶段Ⅲ，随着K不断接近KⅠC，拉伸应力导致的裂纹扩展将占主导地位，裂纹扩展速度再次迅速增加，直至K=KⅠC，材料最终断裂。相同形式的三阶段K曲线也能在氢脆环境下获得。

图11-4　(www.xing528.com)

图11-5是7079铝合金在不同温度碘化钾溶液环境下随应力强度因子K变化的曲线，纵坐标为对数坐标。该图中仅显示了阶段Ⅰ和阶段Ⅱ的数据。从图可以看出，随着温度的升高，铝合金K曲线不断向上移动，即在应力强度因子相同的情况下，裂纹的扩展速度随温度的升高而增大。

图11-5　7079铝合金在碘化钾溶液环境下的

SCC主要受环境、应力、冶金等方面因素的影响，这些因素与应力腐蚀的关系如图11-6所示。针对这些影响因素，为了防止SCC的发生，可以采取相应的措施，包括选择合适的材料、消除或降低应力以及通过一定的手段减轻腐蚀（如敷设涂层、改善介质环境和进行电化学保护等）。

图11-6　SCC的影响因素及关系［4］