应力腐蚀的形成条件与特征

应力腐蚀的形成条件与特征
“在腐蚀环境下服役的零部件,由于其材料的敏感部位首先出现微小凹坑或裂缝,在拉应力的作用下,其裂纹尖端不断扩展,直至达到临界状态不能再承受拉应力,最终裂纹急剧扩展以致紧固件断裂。这样的应力腐蚀开裂尤其在建筑、石化等易受腐蚀环境影响的行业极易发生。如果想要科学降低或避免此类事故发生概率,我们应首先了解其形成的条件和自身特征是什么?”
一、应力腐蚀的形成条件
引起应力腐蚀一般要满足敏感的金属材料、特定的腐蚀介质以及足够大的拉伸应力三个条件才可能引起应力腐蚀开裂。不同的金属材料其对腐蚀介质的敏感性不同,且只有当拉伸应力大于临界力值KIscc,裂纹才会扩展。
敏感的金属材料
一般情况下,纯金属不会发生应力腐蚀,含杂质或者合金才能发生应力腐蚀。高强度合金钢的腐蚀开裂抗力要受化学成分和金相组织控制。
特定的腐蚀介质
特定的材料对应特定的腐蚀介质,才能发生应力腐蚀。例如:奥氏体不锈钢---氯离子溶液;低合金高强度钢---潮湿大气中,这样的搭配才可能发生。
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不同的材质其腐蚀介质不同,我们要充分考虑紧固件在服役时其所在应用环境下是否会发生应力腐蚀断裂的风险。常见的材料及其腐蚀介质可参考下表:
足够大的拉伸应力
导致应力腐蚀开裂的应力可以是外部拉应力,也可以是生产制造过程中产生的残余应力。由残余应力引起的应力腐蚀事件不可小觑。
二、应力腐蚀的特征
应力腐蚀的特征主要体现在裂纹断裂时间、晶像组织、裂纹的扩展速度以及断口形貌等方面。
典型的滞后破坏性
pm0.5应力腐蚀断裂具有滞后性,其裂纹扩展速度是缓慢进行的,发生裂纹扩展的应力强度因子KI若低于临界值KIscc,则不会发生裂纹扩展。若高于KIscc,裂纹才会扩展,且其断裂时间与材料、腐蚀介质、应力密切相关。当发生应力腐蚀断裂时,其应力可能远低于材料的屈服强度,且未产生明显的塑性变形,多见于脆性断裂。
托里拆利实验应力腐蚀断裂的过程一般可分为三个阶段,即孕育期、裂纹扩展期、快速断裂期。
孕育期--此为第一阶段,因腐蚀过程局部化和拉应力作用的结果,使裂纹生核。裂纹扩展期--当裂纹生
太极图解
核后,在腐蚀介质和金属拉应力的共同作用下,裂纹扩展。快速断裂期--由于拉应力的局部集中,裂纹急剧生长导致零件的破坏。
应力腐蚀的裂纹扩展速度是缓慢渐进的,这种由亚临界扩展状况一直达到某一临界值,余下的断面不能承受外载时,就会突然发生断裂。如下图,裂纹在孕育期萌芽,起初可能是小的凹坑或裂缝,在较大的拉应力作用下,形成裂纹且逐步扩展。有的裂纹孕育期和扩展期可能时间会较长(如下图),当材料本身不能够再承受拉应力时,就会瞬间断裂。
应力腐蚀的裂纹扩展速度远大于没有应力时的腐蚀速度,又远小于单纯力学因素引起的断裂速度。下图反映了裂纹扩展的速率与应力间的关系。
裂纹或呈晶间型/穿晶型/混合型断裂
应力腐蚀断裂的断口以低应力的脆性断裂为特征。其断裂形式可以是沿晶断裂也可以是穿晶断裂以及二者的混合型断裂。
沿晶断裂沿晶断裂是指裂纹沿着晶粒界间发生的断裂。如软钢,铝合金,铜合金,镍合金。
穿晶断裂iml
穿晶断裂时裂纹穿过晶粒内部扩展。如奥氏体不锈钢、镁合金等。
如果是穿晶断裂,其断口为解理或准解理的,其裂纹有人字形或者羽毛状标记。
混合型断裂
混合型断裂则是材料断裂面既有沿晶断裂也有穿晶断裂。总之,裂纹的途径取决于材料与腐蚀介质;同一材料因腐蚀介质变化,裂纹途径也可能改变。
directdraw应力腐蚀裂纹的主要特点
裂纹起源于表面;
裂纹长宽不成比例,相差几个数量级;
裂纹扩展方向一般垂直主拉伸应力方向;
裂纹一般成树枝状。
如是穿晶断裂,其断口为解理或准解理,
其裂纹有人字形或者羽毛状标记。
低应力的脆性断裂
发生应力腐蚀断裂时,其应力可能远低于材料的屈服强度,且未产生明显的塑性变形,属于脆性断裂。即使是塑韧性非常好的材料,其应力腐蚀断裂的宏观形貌也可能是脆性的。不同材质在不同介质环境中,发生脆性断裂有的以环境腐蚀为主,有的以应力为主,参见下表。

本文发布于:2024-09-23 12:32:30,感谢您对本站的认可!

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