談一談金屬材料的應力腐蝕

金屬材料的應力腐蝕開裂，是指在靜拉伸力和腐蝕介質的共同作用下導致腐蝕開裂的現象。它與單純由應力造成的破壞不同，這種腐蝕在極低的應力條件下也能發生；它與單純由腐蝕引起的破壞也不同，腐蝕性極弱的介質也能引起腐蝕開裂。它往往是沒有先兆的進展迅速的突然斷裂，容易造成嚴重的事故。因此它是一種危害性極大的破壞形式。

按照裂紋發展過程的電化學反應，可以把應力腐蝕分為兩個基本類別：陽極反應敏感型和陰極反應敏感型。

1、陽極反應敏感型應力腐蝕，是指這類應力腐蝕裂紋的形成和發展過程是以裂紋處金屬的陽極溶解為基礎的，裂紋的成長速度也由金屬陽極溶解速度決定。

2、陰極反應敏感型應力腐蝕，是指這類應反應過程中由于陰極吸氫而造成的脆性破壞，它也稱為氫脆型應力腐蝕，也稱氫脆。

通常說的應力腐蝕，指的是陽極反應敏感型應力腐蝕。金屬材料發生應力腐蝕的特征，有下面幾個特征：

1、應力

產生應力腐蝕的應力主要是其中的靜態部分，它可以是外加載荷或裝配力（例如擰螺栓的力、脹接力等）引起的應力，也可以是構件在加工、熱處理、焊接等過程中產生的內應力。不管來源如何，導致應力腐蝕開裂的應力必須有拉伸應力的成分，壓縮應力是不會引起應力腐蝕開裂的。此外，這種應力通常是比較輕微的。如果不是在腐蝕環境中，這樣小的應力是不會使構件發生機械性的破壞。構成破壞的應力值要根據材料、腐蝕介質等具體情況來確定。

2、腐蝕介質

產生應力腐蝕的材料和介質并不是任意的，只有二者是某種組合時才會發生應力腐蝕。引起普通鋼應力腐蝕的腐蝕介質有：氫氧化物溶液；含有硝酸鹽、碳酸鹽、硫化氫的水溶液；海水，硫酸-硝酸混合液；融化的鋅、鋰；熱的三氯化鐵溶液；液氨。引起奧氏體不銹鋼應力腐蝕的介質有：酸性和中性的氯化物溶液；海水；熔融氯化物；熱的氟化物溶液；日的氫氧化物溶液。

3、材料

一般認為極純的金屬不產生應力腐蝕破壞，只有在合金或含有雜質的金屬中才會發生。

4、破壞過程

⑴孕育階段。這是在應力腐蝕裂紋產生前的一段時間，為裂紋的成核作準備。

⑵裂紋穩定擴展階段。在應力和腐蝕介質的聯合作用下，裂紋緩慢擴展

⑶裂紋失穩擴展階段。這是最后的機械性破壞。

另外，金屬材料的應力腐蝕破裂還有一個特點是金屬的開裂與金屬本身厚度無關。常見的厚度大腐蝕也慢（均勻腐蝕）的情況在這里不適用。因此，靠增加金屬厚度來延緩應力腐蝕破裂幾乎是無效的。

案例分析    

案例：某化工廠用于貯存30%氫氧化鈉的貯罐，直徑1.2m，高1.4m，碳鋼制作。貯罐筒體外焊有夾套，用于通熱水30-50℃，使氫氧化鈉溶液保持溫度。在北方冬季氣溫低，改為向夾套內通入蒸汽 (0.2Mpa)。很快發現罐底泄漏。經檢查，在罐底堿液出口管周圍有放射狀裂紋。如果從上面的管口通入蒸汽，則在夾套與筒體焊接處很快發生裂紋。

分析: 這種腐蝕破壞是典型的堿脆。即受應力的金屬材料在氫氧化鈉溶液中發生的應力腐蝕破裂。碳鋼是容易發生堿脆的一類金屬材料。經文獻介紹碳鋼發生堿脆的氫氧化鈉濃度和溫度范圍。，對于30%NaOH溶液，當溫度超過55℃，就可能使碳鋼發生堿脆。

在本事例中，當使用30-50℃的熱水時，沒有腐蝕問題。而通人蒸汽，在蒸汽人口處溫度很高，遠遠超出了55℃這個溫度界限。而蒸汽人口處不管上口還是下口，附近又正是焊接應力集中的部位。貯罐發生堿脆破壞就一點不奇怪了。易發生堿脆條件早已人們認知，但幾十年來仍有很多碳鋼設備發生堿脆破壞，而且明顯地是在“破裂區”的環境條件。

改正措施：對本事例來說，為了防止貯罐發生堿脆，應從設備結構上進行改進，使溫度盡可能均勻，避免局部過熱，特別是溫度較高的部位要避開焊接應力集中的部位。比如有的廠將夾套加熱改為盤管加熱，就未再發生堿脆破壞。當然，消除焊接應力也是有效的。