應力腐蝕破裂是金屬材料在靜拉伸應力和腐蝕介質共同作用下導致的破壞現象,通常用SCC (Stress Corrosion Cracking)表示。廣義的應力腐蝕破裂包括氫脆。狹義的應力腐蝕破裂和氫脆的定義分別如下:應力腐蝕破裂是指處于拉應力狀態下的合金,在特定的腐蝕介質中,由于產生局限于合金內某種顯微路徑的陽極溶解(腐蝕)而導致破壞現象;氫脆是指處于拉應力狀態下的合金,由于吸收氫(包括由腐蝕反應生成的氫)而產生的脆性破壞現象。兩者區別是:應力腐蝕破裂是由于定向的陽極溶解而產生的破裂(陽極過程);氫脆是由于陰極吸氫而產生的脆性破壞(陰極過程)。兩者原理示意圖見圖1-8。


圖 1-8.jpg


 金屬應力腐蝕破裂必須有特定的條件。處于拉應力狀態下,壓應力不會產生應力腐蝕破裂;腐蝕介質和材料的組合上有選擇性,在此特定組合以外的條件下,不產生應力腐蝕破裂;材料必須是合金,純金屬一般不產生應力腐蝕破裂。


  應力腐蝕裂紋的發展有貫穿晶粒型(叫做穿晶型SCC),也有沿著晶粒邊界的(叫做沿晶型SCC),還有穿晶和沿晶的混合型。


  裂紋的特征:在宏觀上,是起源于金屬表面且分布具有明顯的局部性,垂直于外力或拉應力的裂紋(指主裂紋),裂紋的寬度較小,而擴展較深;在微觀上,裂紋既有主干又有分支,典型的金相裂紋多貌似落葉后的樹干和樹枝,裂紋尖端較銳利。


  斷口形貌:應力腐蝕破裂的宏觀斷口多呈脆性斷裂;斷口的微觀形貌,穿晶型多為準解理斷裂,并常見河流、扇形、魚骨、羽毛等花樣,而沿晶型則多為冰糖塊狀花樣。


  應力腐蝕破裂影響因素很多,過程比較復雜,因此到目前為止,對不銹鋼應力腐蝕破裂的機理尚未取得統一的認識。對于奧氏體不銹鋼應力腐蝕破裂,目前傾向于“滑移-溶解-斷裂”學說(又稱為力學化學理論 Mechano-chemical Theory)。


   在介質作用下,鉻鎳奧氏體不銹鋼表面上存在著借以耐腐蝕的保護膜(鈍化膜)。在拉伸應力作用下,位錯沿著滑移面運動至金屬表面,在表面產生滑移臺階,使表面膜產生局部破裂并暴露出沒有保護膜的裸金屬。有膜與無膜金屬間形成微電池,在介質作用下,作為陽極的裸金屬產生陽極溶解。此時,保護膜的作用不僅為腐蝕過程提供了陰極,而且又使陽極溶解集中在局部區域。顯然,保護膜破裂后,若所暴露的裸金屬一直處于活化腐蝕狀態,則腐蝕必然會同時向橫向發展,于是,裂紋尖端的曲率半徑增大,應力集中程度隨之減小,進而導致裂紋向縱向發展的速度變慢直至最后終止。但是,在實驗室內和應力腐蝕工程事故分析中均可看到,不銹鋼應力腐蝕裂紋尖端非常微細。因此,一般認為,在裸金屬受到腐蝕的同時,還存在一個能阻止腐蝕向橫向發展的過程,才能使裂紋沿縱向發展,此過程就是不銹鋼的再鈍化。因此,滑移-溶解-斷裂模型至少包括表面膜的形成、金屬產生滑移引起表面膜的破裂、裸金屬的陽極溶解和裸金屬的再鈍化等四個過程,這些過程的反復進行,導致不銹鋼的應力腐蝕斷裂。


  至于鉻鎳奧氏體不銹鋼的晶間型應力腐蝕,目前的主要見解有:不銹鋼晶粒間界貧鉻區的選擇性溶解、不銹鋼中雜質沿晶界偏聚而引起的優先溶解、不銹鋼中晶界沉淀相本身的溶解等。


  應力腐蝕破裂是腐蝕破裂事故中事例最多的,約占50%,特別是焊接引起的內應力是應力腐蝕破裂的主要應力來源。作為焊接技術人員,尤其要注意焊接工程中的應力腐蝕破裂問題。


  為了防止應力腐蝕破裂,首先要消除或減少一切應力,避免應力集中;其次要根據介質選用耐應力腐蝕破裂的材料,使其不構成能產生應力腐蝕破裂的材料與環境組合。與奧氏體不銹鋼相比較,鐵素體不銹鋼和奧氏體+鐵素體雙相不銹鋼在氯化物水溶液中的耐應力腐蝕破裂性能要高得多。