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1、金属材料应力腐蚀失效分析专业:金属材料工程摘要:本文研究了金属材料应力腐蚀断裂的发生条件、断裂的特征、测试的方法、断裂的原因和解决的方法,对金属材料应力腐蚀断裂的判断和分析并解决应力腐蚀断裂的问题提供了重要依据。关键词:应力腐蚀断裂;应力腐蚀敏感性;应力腐蚀门槛值金属材料在特定的介质环境中,承受拉应力经过一定时间后发生裂纹及断裂的现象称为应力腐蚀断裂。从十九世纪下半叶发现黄铜的?季裂?至今,一个多世纪以来,国内外对应力腐蚀破坏的报道和研究越来越多。几乎所有金属材料都先后出现了应力腐蚀断裂的问题。由于现代工业的发展,材料工作的环境日
2、渐恶化,应力腐蚀的问题日益突出。应力腐蚀、低应力脆断和疲劳断裂并列为当今工程断裂事故的主要原因。为了及时判断出应力腐蚀断裂并采取相应的措施减少断裂事故的发生,我们做了大量的工作,总结出一套应力腐蚀失效分析的方法。1发生应力腐蚀的条件1.1特定的腐蚀介质只有在一定的材料介质的组合条件下,才会发生应力腐蚀断裂。表1为各种材料产生应力腐蚀的环境介质。表1发生应力腐蚀的金属材料与介质的组合有时浓度很低的介质也会引起应力腐蚀裂纹。一般介质浓度越高,环境温度越高越容易产生应力腐蚀裂纹。1.2一定的拉应力拉应力是发生应力腐蚀开裂的必要条件。通常
3、应力越大,发生开裂的时间越短,小于某一应力值就不发生开裂,此应力值称为应力腐蚀的门槛值,见图1。图1应力腐蚀断裂的特征曲线1.3材料的成分和组织状态材料的成分和组织状态对应力腐蚀敏感性影响很大。纯金属不发生应力腐蚀断裂,随着杂质的增加,应力腐蚀的敏感性变大,晶粒粗大的材料应力腐蚀敏感性大。高强钢的应力腐蚀敏感性较高,易发生应力腐蚀断裂。2应力腐蚀断裂的特征2.1应力腐蚀断裂的特征曲线(见图1)应力腐蚀断裂是一种延迟断裂,断裂时间随介质条件和应力大小从几分钟到几年不等。应力腐蚀裂纹扩展速度远大于没有应力时的腐蚀速度,但比纯机械快速脆
4、性断裂要慢得多。2.2断口外观特征对于应力腐蚀延迟断裂的试件来说,表面首先出现锈斑。应力越高,棕红色锈斑出现的时间越早,数量也越多且长大速度也快。在锈斑长大的过程中,并非所有锈斑都均匀长大,个别锈斑长大较快,最后试件在此位置断裂。2.3断口形貌应力腐蚀断口可分为四个区域:腐蚀区、解理区、过渡区和韧窝区。应力高的试样腐蚀区、解理区、过渡区较小,中心韧窝区较大。应力低的试样则相反,过渡区处断裂由解理断裂向非解理断裂转化,其解理区的花样如图2。从断口宏观形貌来看,应力腐蚀断口呈灰黑色。图2应力腐蚀断裂解理区的花样X2000图3裂纹特征X
5、1502.4裂纹特征应力腐蚀断裂裂纹深、宽比相当大,前端尖细,深入到基体内部,后端宽度较大,边缘较为圆滑。裂纹的后部处于镀层的缺陷处,此处基体腐蚀较为严重,裂纹穿晶向内扩展,尽管裂纹有分枝,但主裂纹的走向与拉应力相垂直。并且存在有与主裂纹面大致垂直的近于等间隔的二次裂纹。如图3。应力腐蚀断口的裂纹走向开始是沿晶的,断裂方式由沿晶→解理→准解理→韧窝断裂。3奥氏体不锈钢炉体应力腐蚀破裂失效实例分析奥氏体不锈钢是一种性能优良、应用广泛的钢种，但其抗应力腐蚀性能，特别是在氯化物中的抗应力腐蚀破裂(SCC)性能较差。而在实际应用中常常发生
6、由于安装不当，特别是焊接质量差引起的SCC，应该引起足够的重视。抚顺石化一套奥氏体不锈钢炉体自从1997年投入使用后，曾多次发生沿焊接热影响区的断裂事故，造成了该设备多次停产，损失很大。厂方虽将原18-8换成了316L不锈钢，进行补焊修复，仍无法阻止断裂事故的发生。2004年5月，对该设备第4次断裂的断口进行了失效分析，认为该设备的断裂属于SCC，而安装质量特别是焊接质量差是导致断裂的根本原因。炉体尺寸为直径1000mm，长1400mm，工作环境为富Cl-溶液。为确定断裂类型及原因，对断口进行了宏观、微观、焊接质量等检测分析。3.
7、1断口宏观分析该炉体是用不锈钢板卷圆焊接而成的，原板厚10mm，补焊段板厚12mm。断口位于环焊缝的热影响区，炉体周长约3140mm，裂纹长度约1970mm，其余约1170mm长的断口为无腐蚀产物、较平直的、光亮的机械失稳断裂断口。从断口上可看出:裂纹产生于环焊缝的热影响区，而在母材及焊缝上未发现裂纹，说明断裂与安装及焊接过程有关;在纵向焊缝及其热影响区上末发现裂纹，说明该炉体的断裂问题是可以解决的。3.2断口微观分析图4是断口的金相照片。裂纹均沿晶发展，呈网状、龟裂形式，属于典型的晶间腐蚀并导致应力腐蚀破裂断口。由于断口在腐蚀介
8、质中浸泡时间过长，断口上的腐蚀产物堆积很厚，故无法用电镜作进一步的断口形貌分析。从金相组织上可以看出，母材为均匀的奥氏体组织，而热影响区的组织不均匀并有大量的孪晶存在，孪晶中存在大量的位错，这对于应力腐蚀裂纹的产生和扩展都是十分有利的。图4断口的金
