残余应力对应力腐蚀开裂的影响及应用

当材料处于静应力的作用下，同时又处于与腐蚀性介质相接触的状态时，往往经过一定时间后，材料就会有裂纹产生，并发展到整个断面而最终破坏。这就是所谓的应力腐蚀开裂。这种开裂只有满足几个特殊条件才会发生，它的特征如下所述：

（1）拉应力和腐蚀必须共存，缺少任何一方，裂纹或者不发生，或者不扩展。其原因是拉应力对金属表面腐蚀钝化膜的破坏加速了腐蚀破坏过程。

（2）由于材料成分和组织的不同，对开裂的敏感性也就不同。

（3）裂纹在特定的腐蚀介质下更易于发生。

因为拉应力和腐蚀共存是应力腐蚀开裂的必要条件，所以在分析应力腐蚀开裂时应该把残余应力的影响考虑在内。

根据对应力腐蚀破坏实例的大量统计，产生应力腐蚀开裂的钢种主要是近年来大量应用的超低碳不锈钢。图1-44所示为18-8型和25-20型两种铬镍不锈钢的应力（R）与断裂时间（t）的关系图。应力越大，发生断裂所需要的时间越短；应力越小，发生断裂所需要的时间越长。

图1-44　18-8型和25-20型两种铬镍不锈钢的应力与断裂时间的关系图［18］(www.xing528.com)

注：在42%（质量分数）MsC12沸腾溶液中

通常情况下，达到破坏的时间取决于裂纹的产生和扩展的快慢。在拉应力作用下，裂纹的扩展在应力腐蚀开裂中是很重要的。关于其机理目前有两种说法：一种说法认为，整个过程中由于应力而加速了腐蚀，这是因为在微小凹痕处的应力集中形成了局部电池，从而促进了腐蚀。而另一种说法则认为，由于腐蚀和裂纹尖端的应力集中使小范围的脆性破坏交替发生，从而促使裂纹向前扩展。后一种说法认为裂纹本身是机械地向前扩展，而腐蚀则促使了应力集中的发生。目前支持后一种说法的人较多。

对于裂纹扩展而言，作用应力的种类，也就是说它的分布是非常重要的。图1-45所示为作用应力对应力腐蚀开裂的影响。将铝合金进行各种塑性拉伸，然后从外部施加拉应力或弯应力来研究其应力腐蚀开裂。对于承受弯应力状态的试样，裂纹在其内部扩展时，其裂纹尖端处的应力集中程度比均匀拉伸状态试样要小，则此时对应力腐蚀开裂是不敏感的。

图1-45　作用应力对应力腐蚀开裂的影响［6］

注：1.材料为铝合金［ω（Zn）为5.3%，ω（MB）为0.30%，ω（Mn）为0.30%］；腐蚀介质（质量分数）为3%NaCl＋0.1%H2O2。
2.7%、2%指塑性延伸率。三条实线为从外部施加拉应力时，塑性延伸率分别为7%、2%和没有塑性延伸时的曲线。两条虚线为从外部施加弯曲应力，塑性延伸率分别为7%和没有塑性延伸时的曲线。

仅有残余应力或外应力时，两者的裂纹扩展状态是不同的。但实际上往往在残余应力上都有外应力，这时的残余应力具有重要的意义。由于残余应力的类型、大小和分布的不同，当其与外应力叠加时，有可能成为适宜于应力腐蚀开裂的状态，也可能是相反的状态。作为残余应力效应，当有腐蚀介质接触的部位上存在残余压应力时，对防止应力腐蚀开裂是有效的。