1)应力腐蚀裂纹的特征
① 应力腐蚀裂纹的形成对腐蚀介质有匹配性,形成有关环境因素相对应的应力腐蚀裂纹特有的名称:如氯化物应力腐蚀裂纹(Chloride SCC)、氢氧化钠应力腐蚀裂纹(Caustic SCC)、连多硫酸应力腐蚀裂纹(Polythionic Acid SCC)等,表示导致不锈钢应力腐蚀裂纹的环境中分别含有氯化物、氢氧化钠、连多硫酸等。而高温水至应力腐蚀裂纹(Hig-Temperature Water SCC)指模拟沸水或者加压水作为冷却液环境下的应力腐蚀裂纹。它是在有表面拉应力作用下产生的。
②应力腐蚀裂纹的产生有其局限性,裂纹只发生在局部,而不是在整个与腐蚀介质接触的表面上。
③应力腐蚀裂纹总是从腐蚀介质接触的表面开始,并沿厚度方向向纵深发展,不断地沿其尖端作选择性腐蚀,可在不大的拉应力作用下迅速扩展,在几乎没有明显塑性变形的条件下即发生脆性断裂。
④应力腐蚀裂纹的显微裂纹常是既有主干又有分支,貌似落叶后的树干和树枝(图3-3)。
⑤不锈钢的应力腐蚀裂纹在显微镜下,一般多呈穿晶形式,也有晶间形式或者两种形式都有的混合形式,这由金属与介质的配合关系而定。例如,18Cr-8Ni奥氏体钢即使经受敏化处理后,虽然在晶间已有铬的碳化物析出,而造成晶间贫铬,但在154℃的42%MgCl
2沸腾水熔液中产生的应力腐蚀裂纹仍是穿晶形式而不是晶间形式;相反,154℃的20%NaCl沸腾水熔液中产生的应力腐蚀裂纹是晶间形式。
⑥引起应力腐蚀裂纹和一般晶间腐蚀的敏化温度并不一致。在300℃以上很少见到应力腐蚀裂纹,最易出现应力腐蚀裂纹的温度大体上是50~200℃。
2)应力腐蚀的机理。关于应力腐蚀裂纹的机理并不十分清楚,存在着不少假设,意见不一。采用“阳极溶解”来解释应力腐蚀裂纹的产生,比较有说服力。它是说,材料在敏感的腐蚀介质中,在拉应力的作用下,由于塑性变形出现滑移阶梯,导致表面钝化膜破裂,金属直接暴露在介质中,与未破裂的膜形成电位差而成为阳极区,从而被溶解而腐蚀。溶解生成的腐蚀沟沿滑移线与拉应力成垂直方向伸展而形成微裂纹,在裂纹尖端的应力集中区,伴随着滑移的再出现而加速溶解,微裂纹扩展至断裂,即应力腐蚀裂纹。
3)应力腐蚀裂纹的影响因素。奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂多发生在有氯化物、硫化物、苛性碱等的介质中,其影响因素如下:
① 介质的影响。介质以氯化物对奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂的影响最大,其中MgCl
2熔液的作用较明显,且随介质浓度的提高而应力腐蚀开裂加剧。表3-7所示为易引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质。
②合金元素的影响。一般认为Ni、Si、C含量的提高有助于改善奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀开裂性能,而P、N及微量Mo则损害这种性能(表3-8)。
③温度的影响。温度升高,应力腐蚀开裂加剧。
④电极电位的影响。电极电位越正,应力腐蚀开裂越剧烈。
⑤拉应力的影响。拉应力增大,应力腐蚀开裂加剧。
4)防止应力腐蚀裂纹的形成。降低乃至消除这种残余应力,是抑制应力腐蚀的根本措施。通常在焊接以前可预制一个变形并在焊后锤击焊缝来松弛残余应力;或者将碳钢焊接构件在600℃上下进行整体退火处理(保温时间要长些),将不锈钢焊接构件做高于820℃热处理来消除焊接残余应力。表3-8给出了常见合金元素对奥氏体不锈钢产生应力腐蚀裂纹倾向的影响。
图3-4给出了Mo对奥氏体不锈钢产生应力腐蚀裂纹倾向的影响。
(4)奥氏体不锈钢的耐点蚀和缝隙腐蚀性能 表3-9给出了合金元素对奥氏体不锈钢的耐点蚀性能的影响。
表3-9合金元素对奥氏体不锈钢的耐点蚀性能的影响
合金元素 |
C |
Si |
Ni |
Cr |
Mo |
V |
W |
Ti |
Nb |
防止发生 |
﹣ |
+或0 |
+ |
+ |
+ |
+ |
+或0 |
﹣ |
﹣ |
阻止生长 |
﹣ |
0 |
+ |
+ |
+ |
+ |
0 |
+ |
+ |
综合效果 |
﹣ |
+或0 |
+ + |
+ + |
+ + |
+ |
0 |
+ |
+ |
注:+ —有利;﹣—不利;0—无影响。
奥氏体不锈钢的点蚀和缝隙腐蚀有相似的规律,常发生在氧化性较强含有卤离子(Cl
-、Br
-等)的溶液中,其表面致密的氧化膜会发生局部的破坏,而在此继续腐蚀,因此,被叫做“点蚀”。与自由表面发生的点蚀相比,在结构的缝隙处,即使在较弱的腐蚀环境下,也能够发生腐蚀,被叫做“缝隙腐蚀”。点蚀和缝隙腐蚀的危害性仅次于应力腐蚀开裂。
点蚀和缝隙腐蚀的影响因素主要是合金元素,点蚀和缝隙腐蚀在工业用水、使用海水的换热器或热水器中容易发生。但增加钢中Cr、Mo、N的含量可以有效的防止点蚀和缝隙腐蚀的发生,如图3-3所示。作为耐点蚀性能的指标的临界耐点蚀温度(CPT),与钢中Cr、Mo、N的含量有关:
PI=Cr+3Mo+27N (3-3)
PI值提高1%(质量分数),CPT值提高3℃。耐间隙腐蚀性能指标之一的临界耐间隙腐蚀温度(CCT)也与
PI值有关,并伴随
PI值的提高而上升。但在相同条件下,发生间隙腐蚀的临界耐间隙腐蚀温度(CCT)约比CPT低30~40℃。为此,开发了耐点蚀和缝隙腐蚀的高Mo高N奥氏体不锈钢(表3-10),在造纸及海水利用的换热器中已得到应用。
总之,奥氏体不锈钢的耐应力腐蚀开裂、耐点蚀和耐其他形式腐蚀的性能,受所含杂质的影响很大,其中,P、N、S、O的影响最为明显。所以,从防止和减轻腐蚀的角度来说,也应尽量降低奥氏体不锈钢的杂质含量。
表3-10 耐点蚀和缝隙腐蚀的高Mo高N奥氏体不锈钢的化学成分(质量分数) (%)
JIS,ASTM |
C |
N |
Cr |
Mo |
Ni |
其他 |
S31254 |
0.02 |
0.02 |
20 |
6 |
10 |
Cu |
N08366 |
0.03 |
- |
20 |
6 |
25 |
- |
N08925 |
0.02 |
0.15 |
20 |
6 |
25 |
Cu |