应力腐蚀破裂：特征及影响因素分析

（1）拉应力与腐蚀作用的综合性 在腐蚀介质不存在的条件下，只有当作用于金属零件上的工作应力超过其强度极限时，才会产生断裂；另一方面，在应力不存在的条件下，只有当金属与腐蚀性很强的介质起作用时，才会在较短的时间内产生严重腐蚀而失效；但是当两者综合作用时，金属零件的应力腐蚀破裂往往在工作应力远低于强度限而介质腐蚀性又很轻微的情况下发生。这样，细微裂纹会深深地穿进零件之中，而表面仅呈现出模糊不清的腐蚀迹象。所以，当零件发生应力腐蚀破裂时，常是事先没有明显预兆的情况下突然发生而造成灾难性事故。

（2）特定的腐蚀介质对应力腐蚀破裂的敏感性 对于应力腐蚀破裂，只有在一定的材料—介质的组合条件下才发生。其中某些介质只要少量（低浓度）或以杂质形式存在就能使相应的金属合金发生应力腐蚀破裂，如表9-1所示。例如奥氏体不锈钢在含有即使2×10^-4%（质量分数）如此微量氯化物的水溶液中，于200℃下也会开裂。这种应力腐蚀破裂同特定腐蚀介质的依赖关系称为特定离子效应。这是因为应力腐蚀破裂的发生，对一定金属材料，需要有一定特定作用的离子、分子或络合物。表9-1中对每一种介质（在该具体条件下是有害的）都给出了对应的应力腐蚀破裂敏感的金属合金以及能观测到应力腐蚀破裂的温度情况。应该说明，表中的有害介质、材料与温度的组合而产生应力腐蚀破裂当然不是绝对的，但是由于很容易发生，因此当分析应力腐蚀破裂失效时，应予特别考虑。

表9-1 低浓度特定介质对相应金属的应力腐蚀破裂

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在产生应力腐蚀破裂的环境条件中，上述腐蚀介质与温度的组合条件总要具体体现在金属零件的使用环境（如大气环境、工作流体、工艺配料杂质等）以及使用前的环境（如制造装配环境、试验环境、储运环境等）。这些环境因素影响的实质都是形成某种比腐蚀失效的腐蚀条件轻微得多的腐蚀条件（轻腐蚀条件）就可促成应力腐蚀破裂失效。如受载零件暴露于大气环境（如一般海洋大气）中可常见到应力腐蚀破裂的情况。关于在大气环境中促进相应金属合金产生应力腐蚀破裂的有害介质的影响情况列于表9-2中。(www.xing528.com)

表9-2 在大气环境中促进金属零件应力腐蚀破裂的有害介质

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（3）应力影响因素 首先是应力方向性影响，只有拉应力（包括残余拉应力）才能促进应力腐蚀破裂，纯压应力对应力腐蚀破裂不起大作用；应力作用方向也影响应力腐蚀破裂，通常横向应力比纵向应力更有害；三向应力的平面应变状态会加剧应力腐蚀破裂的扩展。应力的大小影响着应力腐蚀破裂发生的时间，应力越大，零件应力腐蚀破裂寿命就越短。当应力值低于产生应力腐蚀破裂的某值（临界应力）时，应力腐蚀破裂产生的可能性就非常小。临界应力与温度、合金成分、金相组织以及环境成分等有关。例如，在相同的42%（质量分数）氯化镁沸腾溶液介质中，某高合金不锈钢与一般不锈钢的临界应力比近于3∶1。另外，不锈钢中氮含量及硫化物夹渣多时由于可能成为裂纹源而大大降低临界应力；钢中碳含量（质量分数）近于0.12%时最差，而大于0.2%后逐渐改善。金相组织影响也很明显，例如低碳钢奥氏体化的温度越高、冷却速度越快、回火倾向性增大时，临界应力都可能被压低，即应力腐蚀破裂敏感性增强。

对于大多数应力腐蚀破裂敏感的金属一介质环境组合，也常有一个应力强度因子的门槛值K_1scc。如图9-2所示，当K₁小于K_1scc时，裂纹实际上不扩展；当K₁=K_1scc时，裂纹将扩展但不分岔，当K₁=K_M（≈1.4K_1scc）时才可能出现显微分岔，只有当K₁过裂纹扩展第Ⅱ阶段开始点K_p，而达K_B（≈1.4K_p）时，才可能出现宏观分岔裂纹。显微分岔是指从主裂纹上分岔出较短的支裂纹，其长度常小于主裂纹尖端塑变区的尺寸，当主裂纹向前挺进时，显微分岔就停止扩展；宏观分岔则是从主裂纹上生长出，并以几乎相同速度扩展的两个或多个分岔裂纹，宏观分岔之间常成锐角，其扩展距离可远为超出起始裂纹尖端的塑变区。裂纹分岔现象是应力腐蚀破裂与其他断裂失效，特别是腐蚀疲劳相区别的一个重要特征。这在铝合金、镁合金、钛合金、高强度钢和奥氏体不锈钢中都可呈现；但也有例外情况，如结构钢零构件在液氨介质环境中产生的应力腐蚀破裂，裂纹形态平直地扩展而不出现分岔现象。图9-3为碳钢储料斗在硝酸铵溶液介质中产生的应力腐蚀破裂分岔裂纹。