5.6 焊接裂纹-应力腐蚀裂纹

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1、第六节应力腐蚀裂纹一、应力腐蚀裂纹(SCC)的危害性一些焊接结构（主要是一些压力容器和管道等）在腐蚀介质条件下长期稳定工作。这些焊接结构一般都存在不同程度的残余应力，在腐蚀介质条件下工作极易产生应力腐蚀裂纹。石油化工中由于腐蚀引起的脆化，一半是由于SCC引起的。奥氏体不锈钢的容器和管道，在氯化物或苛性物质的电解液中也会产生SCC。二、应力腐蚀裂纹的特征（一）应力腐蚀裂纹的分布裂纹的分布如同疏松的网状或龟裂分布，在焊缝的表面上，多以横向裂纹出现，如果引入金属内部观察，SCC的形态如同树根一样。（二）SCC

2、的开裂途径与母材及腐蚀介质有关，有沿晶开裂、穿晶开裂。（三）SCC的产生必须有拉伸应力存在，而焊接结构如不经消除应力处理，必然存在残余应力，这是产生SCC的重要条件。通常对于重要的焊接结构，如在腐蚀条件下工作，必须进行消除应力处理，以防止SCC。三、产生应力腐蚀裂纹的机理（一）应力腐蚀产生的条件（1）材料与腐蚀介质的匹配纯金属不会产生SCC，金属中必须含有不同电极电位的组织。材料必须在匹配的腐蚀条件下：如低碳钢在NaOH，硝酸盐溶液，海水中容易腐蚀；奥氏体不锈钢在氯化物水溶液、海水、海洋气氛等容易腐蚀。

3、腐蚀介质较弱，腐蚀膜不太稳定时，容易出现SCC。（2）拉应力是产生SCC的先决条件，特别是应力约等于屈服应力时，更容易引发SCC。（二）应力腐蚀的电化学应力腐蚀开裂机理把应力腐蚀开裂分为以下两个方面：（1）阳极溶解腐蚀开裂（APC）；（2）阴极氢脆开裂（HEC）。HECAPC阳极发生M+的溶解：M→M++e——APC的SCC阴极H+得到电子：H++e→H——HEC的SCC当阳极电流密度越大时，说明M+的溶解过程越强，腐蚀开裂所需的时间tf越短，也就是越容易产生APC型SCC。阴极电流密度越大时，说明溶氢

4、过程越强烈，越易发生氢致脆化，也就是越易产生HEC型SCC。通常情况下APC和HEC是同时进行的。一般奥氏体不锈钢的SCC，往往是属APC型；而低碳钢、低合金高强钢和超高强钢多属HEC型，也称氢致开裂（氢脆）。（三）SCC的开裂SCC的开裂分三个过程：（1）孕育阶段由于应力集中，产生“滑移阶梯”，引起保护膜破坏，形成最初的腐蚀裂口。（2）发展阶段腐蚀裂口在拉应力及匹配腐蚀介质的作用下，裂口沿应力方向扩展。（3）溃裂阶段裂纹达到一定尺寸后，在应力的作用下，急速扩展。SCC的扩展途径大体上分为以下三类：A类

5、：由起裂点开始，一直向纵深处扩展，只有少量分枝。主要以穿晶形式开裂，多发生在强度较高的不锈钢和σs≈800-1000MPa的高强钢。B类：由起裂点开始，不是向深处发展，而是沿横向扩展，形成树根状的密集分枝。这种SCC也是以穿晶形式开裂，主要发生在强度较低的不锈钢和对氢敏感的超高强钢。中间类：这类SCC的扩展介于A类和B类之间，即由起裂点开始，既向深处发展，也向横向扩展，其行径具有沿晶特征。这种SCC主要发生在不锈钢构件。四、应力腐蚀裂纹的影响因素及其防治（一）组装组装对产品质量的影响很大，强制组装会产生

6、很大的残余应力，另外，在组装过程中更应避免各种伤痕，如拉筋、Ⅱ型铁、支柱、夹具等所留下的痕迹，以及打弧时的烧痕，都应用砂轮磨去，否则就可能是SCC的起源。（二）焊接材料选择尽管母材的抗SCC的能力很强，但选用的焊接材料不当，同样会使构件产生SCC。（三）焊接工艺制定合理的焊接工艺规程，如焊接线能量、焊接顺序和坡口的形式及变形的控制等。前者是防止焊接热影响区硬化和晶粒粗大，而后者是防止主生过大的残余应力和应力集中等。制定焊接工艺时，应满足两方面的不同要求，既防止淬硬（过小的焊接线能量），也要防止晶粒严重长

7、大（线能量过大）。如采用多层焊接，对防止SCC是有利的。对于奥氏体不锈钢，因无淬硬问题，主要是防止晶粒长大（适于采用小的焊接线能量）。（四）焊后消除应力处理一般有整体热处理、局部热处理、水压试验、机械拉伸、温差拉伸、锤击，以及爆炸法等其中整体消除应力处理消除应力的程度，主要决定于材质的成分、组织、加热温度和保温时间等（五）表面改质采用喷涂耐蚀金属层、塑性涂层、表面堆焊不锈钢等，可以大大提高抗SCC的能力。具体控制措施的汇总见下图：