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1、1,第 4 章 焊接结构的应力腐蚀破坏,2,本章内容及重点： 4.1 应力腐蚀破坏概述 4.2 应力腐蚀断裂的过程及断口特征 4.3 断裂力学在结构抗应力腐蚀中的应用 4.4 防止焊接结构产生应力腐蚀的措施 4.4.1 正确选材 4.4.2 合理的结构设计 4.4.3 消除和调节残余应力 4.4.4 控制电位阴极和阳极保护 4.4.5 用镀层或涂层隔离环境 4.4.6 控制和改善环境,3,4.1 应力腐蚀破坏概述,4.1.1 应力腐蚀及应力腐蚀破坏 应力腐蚀破坏简写为SCC( Stress Corrosion Cracking)，又简称为应力腐蚀，它是指材料或结构在腐蚀介质和静拉应力共同作用下
2、引起的断裂。应力腐蚀破坏是一个自发的过程，只要把金属材料置于特定的腐蚀介质中，同时承受一定的应力，就可能产生应力腐蚀破坏。它往往在远低于材料屈服点的低应力下和即使是很微弱的腐蚀环境中以裂纹的形式出现，是一种低应力下的脆性破坏，危害极大。 应力腐蚀破坏发生的特定条件： (1) 拉应力。 这种拉应力可以是外加载荷引起的，也可以是残余应力，例如:焊接残余应力、装配应力、热应力等。在一般情况下，发生应力腐蚀时的拉应力都很低，如果没有腐蚀介质的共同作用，该构件可以在该应力水平下长期工作而不发生断裂。 (2) 腐蚀介质。 这种腐蚀介质一般都很弱，如果没有拉应力同时作用，材料或构件在这种介质下的腐蚀速度很慢
3、。,4,产生应力腐蚀的介质一般都是特定的。即：每种材料只对某些介质敏感，而这些介质对其他材料可能没有明显作用。 例如：黄铜在氨气中，不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中都容易发生应力腐蚀。反过来则不敏感。 表4-l列出工业上常用金属材料相应的应力腐蚀敏感介质。,5,图4-l 应力腐蚀产生条件示意图,(3) 一般只有合金才会产生应力腐蚀，纯金属不会发生。 合金也只有在拉应力和特定的腐蚀介质联合作用下才会发生应力腐蚀破坏。图4-1为应力腐蚀产生条件示意图。,6,1焊接结构的应力腐蚀 由于焊接过程中的不均匀加热等因素，使得焊接结构存在残余应力，其拉伸残余应 力和腐蚀介质共同作用，就可导致其产生应力腐蚀破坏
4、。 钢制压力容器和其他焊接结构，由应力腐蚀导致的破坏现象相当普遍，造成的后果也很严重。而由焊接残余应力引起的应力腐蚀破坏事故占绝大多数，可达80左右。并且绝大多数破坏是焊接热影响区中。另外，弧坑、打弧及电弧擦伤等部位发生在焊缝附近，特别是都会诱发应力腐蚀开裂。现场组装焊缝、未经消除应力处理的修补焊缝也是发生应力腐蚀开裂最严重的区域。所以，焊接残余应力和组装时的拘束应力提供应力腐蚀开裂的应力条件，而焊接缺陷又助长它的发生。,4.1.2 焊接结构的应力腐蚀破坏,7,2焊接结构的应力腐蚀破坏事例,应力腐蚀破坏是危害最大的腐蚀形态之一，它是一种灾难性腐蚀。因为它是一种事先不易察觉的脆性断裂，即它使金属
5、结构等突然破坏，会引起各种不幸事故，如爆炸、火灾、环境污染等。 据统计：美、英原子能容器及系统配管破坏事故13以上是由应力腐蚀引起的。德国一家大化工厂19681972年间，在全部设备的腐蚀破坏事故中，应力腐蚀破坏超过总数的14。日本19651975年间化工设备所发生的破坏事故中有近半数属于应力腐蚀破坏。我国的各类球罐，从19751979年所发生的20起球罐破坏事故中，有40是由应力腐蚀引起的。 下面是几个典型事例。,8,应力腐蚀的典型事例,美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的一座桥梁，1967年12月突然塌陷，当时正在过桥的车辆连同行人坠入河中，死亡46人。事后由专家检查发现，钢梁因应力腐蚀和腐蚀
6、疲劳的共同作用，产生了裂纹而断裂。引起应力腐蚀的环境是大气中含有微量的SO2或H2S。 美国输气管线和沙特阿拉伯油田的油井管线，分别于1965年3月和1977年9月，由于管道应力腐蚀破裂泄漏汽油，而发生大火，死亡多人，并造成巨大损失。1962年2月日本川崎工厂，一台容积2000m3，材料HT80，板厚16.5mm的球罐，投产后仅20d就在环缝上产生应力腐蚀裂纹。还有一台500m3，采用HT70制造的球罐，仅用12d就由应力腐蚀引起破裂。它们都是在H2S介质里引起的应力腐蚀。 我国北京某厂用8mm厚的Q345(16Mn)钢板制作的一台大型NaOH储罐，使用仅32d就发生破裂，经多次补焊，越补越裂
7、，最后报废。上海某化工厂用12mm厚的锅炉钢板制作的高位槽，使用仅2周，就在焊缝热影响区部位破坏。南京某化肥厂的高压热交换器管束运转40d就发现泄漏。天津某厂1000m3球罐也只使用2个月，就在焊缝附近发现多处裂纹。 可见，应力腐蚀和腐蚀疲劳破坏在石油化工容器、管道、桥梁、储罐及其他焊接结构，如海洋平台、导管架、船舶、建工建筑物及核容器等上都会经常发生。因此，应力腐蚀破坏应是我们高度重视的问题之一。,9,4.2 应力腐蚀断裂的过程及断口特征,4.2.1 应力腐蚀断裂的过程 应力腐蚀断裂的过程也是一种裂纹成核、长大的过程。如果材料表面没有预先存在的裂纹或其他缺陷，并被氧化膜覆盖，其断裂过程如图4
8、-2。 首先，金属材料在拉应力及腐蚀介质的共同作用下，表面的氧化膜局部受到破坏，即氧化膜局部穿透，然后在腐蚀介质的继续作用下，氧化膜局部穿透处形成腐蚀坑孔，它本身也是一种形核及长大的过程；当应力腐蚀裂纹长大到足够的长度且应力并未松弛时，将产生失稳扩展，剩余的部分以很高的速度(约为13声速)断裂。环境介质对于最终的快速断裂并无影响。,图4-2 应力腐蚀断裂过程示意图,应力腐蚀断裂过程分为四个阶段： 1) 氧化膜破裂。 2) 形成腐蚀坑孔。 3) 裂纹的形核及长大。 4) 最终断裂。,10,4.2.2 应力腐蚀的断裂机理,影响应力腐蚀的因素众多而复杂，至今还没有得出一个完整的断裂机理。下面介绍一种
9、为多数人接受的应力腐蚀机理，即保护膜破坏机理： 这是较早的一种应力腐蚀机理，认为产生应力腐蚀是电化学反应起控制作用。在很多情况下，应力腐蚀与氢脆是共存的。,11,应力腐蚀裂纹的形成及扩展,当应力腐蚀敏感材料置于腐蚀介质中(图a)，首先在表面形成一层保护膜，它阻止腐蚀进行，即所谓“钝化”(图b)； 由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部地区的保护膜破裂。破裂处基体金属直接暴露在腐蚀介质中，该处的电极电位比保护膜完整的部分低，而成为微电池的阳极，产生阳极溶解(图c)； 因为阳极小、阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定程度又形成新的保护膜(图d)，但在拉应力的作用下又可能重新破坏，发生新的阳极溶
10、解(图e)。随后又形成新的保护膜(图f)。 这种保护膜反复形成和破裂的过程，使某些局部地区腐蚀加深，最后形成孔洞。 孔洞的存在又造成应力集中，更加速孔洞表面附近的塑性变形和保护膜破裂。这样拉应力与腐蚀介质共同作用形成应力腐蚀裂纹。裂纹不断迅速向前扩展，最终导致金属结构的断裂。,图4-3 应力腐蚀裂纹的形成及扩展示意图,12,4.2.3 应力腐蚀断裂的断口特征,应力腐蚀断裂的断口特征比较复杂。它与材料的晶体结构、力学性能、合金成分、热处理、环境气氛、温度以及应力状态有关。它大多呈现脆性断口，有时也可呈延性断口，破断方式是晶间或穿晶的。 (1) 应力腐蚀断口的宏观特征 应力腐蚀裂源常常发生于金属材
11、料表面，由于电化学作用在裂源处形成腐蚀坑。在一般情况下，应力腐蚀裂源经常是多源的，这些裂纹在扩展的过程中发生合并，形成台阶或放射状条纹等形貌。裂纹的扩展部分具有明显的放射条纹，其放射方向为裂纹的扩展方向；汇聚处为裂纹源 。 宏观形貌呈现脆性断口特征，裂纹以裂源为中心，呈弧形向外扩展，最终断裂部分为撕裂或剪切唇断裂形貌。由于腐蚀介质的作用，在断口上可以看到腐蚀特征或氧化现象，断口表面具有一定的颜色，通常呈现黑色或灰黑色。而最终断裂部分具有金属光泽，很少看到腐蚀或氧化现象发生。,13,(2) 应力腐蚀断口的微观特征,应力腐蚀断裂方式可能是穿晶或沿晶的，这由材料与腐蚀环境决定的。 碳钢及低合金钢的应
12、力腐蚀断口大部分是沿晶开裂的，裂纹沿着大致垂直于拉应力的晶界延伸。断裂方式不仅与材料有关，而且还与介质有关。 如：碳钢在NO3-介质中呈现晶界断裂，而在CN-介质中的穿晶断裂。 在含Cl-的介质中，铬不锈钢呈现沿晶开裂，奥氏体不锈钢为穿晶断裂。,图4-4 泥纹状断口 (铝合金),微观断口可以观察到塑性变形特征，即呈现韧窝花样。另外，显微断口还具有腐蚀坑及二次裂纹等形貌。 对于穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有“块状花样”、“泥状花样”、“河流花样”及“扇形花样”等形貌特性。泥纹状断口如图4-4。,CN-氰离子：氰化物是黄金工业的重要浸金溶剂，大部分黄金生产企业采用氰化法，氰化物又是一种既有剧毒又容
13、易降解的特殊化学产品。,14,4.3 断裂力学在结构抗应力腐蚀中的应用,测试材料的抗应力腐蚀性能，传统上通常是用光滑试件在应力和腐蚀介质共同作用下，依据发生断裂的延迟时间来判断的。并用它研究合金元素、组织结构以及介质等对材料应力腐蚀敏感性的影响。但是试验表明：一些按传统试验方法得出的结论往往与实际情况发生矛盾，即用上述方法确定的对相应介质来说是钝化的材料，而用该材料制成的构件在工作中有时却发生应力腐蚀破坏。 原因：由于用光滑试件测定的应力腐蚀断裂时间t，包含有裂纹源的生核孕育阶段90和裂纹扩展阶段10两部分。而实际构件一般都不可避免不同程度地存在着裂纹或类似裂纹的缺陷。用传统试验方法确定的对应
14、力腐蚀是免疫的材料，只能说明该材料在应力腐蚀条件下不产生裂纹源，但并不能反映出已有裂纹的构件在应力腐蚀条件下裂纹是否扩展。因此，用常规的研究方法不能反映带裂纹的金属构件抗应力腐蚀的性能。 断裂力学方法在应力腐蚀中的应用大约是在20世纪60年代中期提出。该方法弥补使用光滑试件的传统应力腐蚀试验方法的不足，而且具有一系列优点和工程实用价值。所以，该方法很快被广泛地采用，并得到发展。,15,断裂力学与传统的试验方法相比，其优点：,1) 采用断裂力学方法对构件抗应力腐蚀性能的评定是测定材料在某种环境中能够诱发应力腐蚀开裂的临界应力强度因子KISCC及裂纹在介质中的扩展速率dadt等，可直接应用于构件的
15、选材和设计。 2) 传统方法使用光滑试件的应力腐蚀试验周期很长，蚀坑的形成阶段通常需要半年甚至更长时间。而用带有尖锐裂纹的试件可节约近90以上的时间。 3) 由于人为制造的预裂纹具有整齐的几何形状，便于通过断裂力学手段进行应力分析和精确计算，可得到定量的结果。 4) 采用预制裂纹试件试验，所得的结果是安全可靠的。 4.3.1 断裂力学在应力腐蚀中的评定指标 4.3.2 KISCC和ddt量在设计中的应用,16,4.4 防止焊接结构产生应力腐蚀的措施,应力腐蚀破坏是危害最大的腐蚀形态之一，不仅造成大量的经济损失，还经常引起灾难性事故，因此，有必要采取防护措施，尽量避免和消除应力腐蚀破坏。 4.4
16、.1 正确选材 应力腐蚀的腐蚀介质随着材料种类的不同，其腐蚀程度也不同。防止和减轻腐蚀危害最常用的方法是针对特定腐蚀环境选择合适的金属材料。选材时应尽量采用耐应力腐蚀性好，价格适宜的金属与介质的组合。可能时也可选用非金属或非金属衬里保护。 例如：碳钢和低合金钢，抗拉强度相同的材料，w(c)为0.2时比w(c)为0.4时的耐蚀性好，添加Ti可增加耐蚀性；在材料中添加Al、Mo、Nb、V、Cr等元素有改善耐蚀性的效果，P、N、O是有害于耐蚀性的元素，S的影响不大。目前桥梁等所使用的高强度螺栓就体现以上结论。,17,4.4.1 正确选材-续,不锈钢在含Cl-的溶液：奥氏体不锈钢耐应力腐蚀最差，18Crl8Ni2Si w(c)为0.06钢在高Cl-溶液中耐蚀性较好，而在低Cl-溶液耐蚀性则不好。而奥氏体铁素体双相钢（Cr20Ni18）对含低Cl-的水则有较好的耐应力腐蚀性，w(Ni+Cu)大于 0.5的钢在这种介质中也有较好的耐蚀性。在奥氏体钢中加入少量的Mo或Cu，可增大耐应力腐蚀性。 另外，在选
