1.应力腐蚀开裂介绍
材料的应力腐蚀开裂(SCC)是指同时存在拉应力和特定的腐蚀环境而引起的开裂。应力腐蚀开裂是局部腐蚀，应力腐蚀开裂不存在均匀腐蚀。
1.1压力:
一般来说，材料的开裂发生在等于该材料的断裂应力或UTS的应力水平，但当材料暴露在某些特定的腐蚀环境中，增加了该材料对应力腐蚀开裂的敏感性，那么开裂所需的应力水平可能低于该材料的屈服应力值。
1.2历史:
早期蒸汽机车中，铆接钢锅炉发生过多次爆炸。1865至1870年间，英国有288台锅炉爆炸，1867至1868年间，美国有441台锅炉爆炸。在铆接接头中，冷加工在接头处产生应力。锅炉是由钢组成的，因此使用的水应具有较高的PH值，以消除钢的腐蚀。他们将PH值在10左右的水加入氢氧化钠。当水发生蒸发时，变成蒸汽，锅炉余水氢氧化钠浓度随时间增加。因此，铆钉接缝处的高应力和高浓度的氢氧化钠会导致裂纹，这被称为碱脆。
如下图2所示的一种钢制锅炉的故障，通过铆钉孔可以看到裂纹。裂纹用黑色箭头表示。
2.裂纹形貌:
应力腐蚀开裂是脆性的。它是脆性的，因为在应力腐蚀开裂时，应力水平一般低于腐蚀环境下的屈服强度，所以不会发生任何塑性变形。
在微观尺度上，通常韧性材料的应力腐蚀开裂产生脆性晶间或解理状(反晶)断口，与惰性环境中快速断裂产生的韧窝断口形成对比。沿晶裂纹在晶界处扩展，而穿晶裂纹则在晶界处切割，如下图3所示。
裂纹分叉是应力腐蚀开裂的一个特征，如图3所示。
3.影响应力腐蚀开裂的因素:
正如维恩图所解释的，应力腐蚀开裂取决于材料、腐蚀环境和拉应力。所以，要了解影响应力腐蚀开裂的因素，我们需要了解用于特定应用的材料的冶金学、材料暴露的环境以及拉应力的性质。所有这些都将决定材料对应力腐蚀开裂的敏感性。
3.1拉伸应力:
可施加拉应力或残余拉应力。材料在焊接、冷加工(如拉丝)、热应力等情况下都会产生残余应力。此外，残余应力也可能来自于体系中腐蚀产物的积累。
通过一个热交换器的例子，让我们知道腐蚀产物的积累是如何导致残余拉应力的。在热交换器中，你会有管和管板。管与管板的连接方式为单面焊接，一般外面焊接而内面不焊接，所以，内部有环形空间。所以在环形空间中，液体会渗透到材料中，比如钢材。这导致钢腐蚀产物的形成，氢氧化铁。氢氧化铁的体积比铁大，所以环形空间会膨胀，管会向内凹陷。这种压痕会在管材处产生高的残余拉伸应力，从而增加外加应力。这些高应力会导致裂缝。
现在我们来考虑应力水平对应力腐蚀开裂的影响。增加应力，缩短开裂前时间，意味着增加应力腐蚀开裂的易感性。存在一个最小应力水平，在该应力水平以下长时间不会发生应力腐蚀开裂，称为阈应力。阈值应力取决于材料和腐蚀环境的组合。以此为工程参数，设计抗应力腐蚀开裂构件。
通过对封闭在腐蚀环境中的所需材料进行拉伸试验，可以找到材料-环境组合的阈值应力。因此，通过施加拉伸载荷，我们可以找到不同时间导致应力腐蚀开裂的阈值以及其他应力水平。测试数据如图4所示。
采用阈值应力作为工程参数进行考虑裂纹萌生的设计。
裂纹萌生与扩展:
裂纹萌生一般采用局部腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、脱合金等方式。由于这些局部腐蚀是一个缓慢的过程，这使得裂纹的萌生也缓慢。如果在该区域有加载，且应力水平超过阈值应力，则会引发应力腐蚀开裂。一些裂纹萌生部位如图5所示。
如图6所示，裂纹一般沿垂直于外加应力方向扩展。随着裂纹的扩展，截面减小，施加的应力相同，因此在c/s时，区域应力增加，在一段时间后，该应力水平等于或超过该材料的UTS值。因此，在完全开裂之前，它在延性方式失效，由于超载。在脆性破坏的同时，大多数情况下试样的某些部分还会发生延性破坏。
(b)光学显微图显示了用于潜艇螺旋桨的锰铜合金中的富锰相的裂纹萌生
对于考虑裂纹扩展的设计，使用断裂力学作为标准，当然还有在腐蚀环境下的应力腐蚀开裂。对于裂纹扩展，在裂纹尖端有一个称为应力强度因子()的术语，它与外加应力和裂纹长度值有关。的值等于断裂韧性，则裂纹在正常情况下扩展。但当其处于腐蚀环境中时，应力腐蚀裂纹会在裂纹尖端(应力腐蚀裂纹的阈值应力强度因子)处扩展，而应力腐蚀裂纹的阈值应力强度因子远低于该值。
在图6中，我们可以看到不同的裂纹扩展与应力强度因子值。有3个区域，区域1在刚超过K值时开始裂纹扩展，随着K值的增加裂纹扩展。裂纹的扩展与环境和K值有关。在区域2中，裂纹扩展速度非常慢，不依赖于K值，在该区域中，裂纹扩展速度依赖于环境。区域2用于构件设计，计算构件在环境下的寿命。区域3由于裂纹扩展，c/s面积很低，该区域的载荷变得非常高，达到裂纹尖端，材料灾难性破坏。
在不存在腐蚀环境的情况下，裂纹在。但由于这种环境下裂纹扩展，所以区域1和2称为亚临界裂纹扩展。
现在，回到影响应力腐蚀开裂的因素
3.2腐蚀环境:
| 材料 | 环境 |
| 奥氏体不锈钢 | 氯 |
| 碳素结构钢 | 硝酸盐、碳酸盐、磷酸盐 |
| 基于铜合金 | 氨 |
| 铝和镁基合金 | 氯 |
表1显示了一些材料在特定环境下具有很高的应力腐蚀开裂敏感性，但这些材料并不仅仅局限于这些环境。在核工业中，不锈钢在纯水中也会发生应力腐蚀开裂，但发生应力腐蚀开裂所需的时间非常长。所以，在反应器的温度和压力下，纯净水也会引起不锈钢的应力腐蚀开裂，但需要很长一段时间。
当我们谈论环境时，它指的是化学成分，PH值和温度。
让我们通过一个例子来了解环境中化学成分或离子种类的浓度对应力腐蚀开裂易感性的影响。
图7显示了氯化物和溶解氧对SS304应力腐蚀开裂的共同作用。从图中我们可以看到失效发生在溶解氧含量高的区域(曲线上的区域)，因此奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂是非常关键的。通过降低氧应力，可以防止腐蚀开裂。
如果我们讨论环境的温度，那么就像大多数化学反应一样，应力腐蚀开裂的敏感性随着温度的增加而增加。让我们考虑焊接钢在不同温度下的碱脆敏感性的情况。
如图8所示，在A区，焊接碳钢(CS)没有失效，因此这里不需要消除应力。在B区，在相对较高的温度下焊接CS会失效，因此需要进行应力消除或使用SS材料来防止开裂。在C区温度非常高，因此焊接的CS会因腐蚀性脆化而失效，在这个区域唯一的解决方案是使用镍基合金来防止裂纹。
图8:温度对焊接钢碱脆敏感性的影响
3.3材料冶金:
它涉及合金成分、微观组织、晶界微观化学、位错类型等。合金成分和组织也控制着强度，对于许多材料，尤其是钢，随着强度的增加，应力腐蚀开裂敏感性普遍增加。
对于7xxx Al-Zn-Mg-Cu合金水环境下的晶间应力腐蚀开裂，过时效热处理与峰时效相比强度降低幅度较小，但由于晶界组织和微观化学成分的变化，可显著降低应力腐蚀开裂平台速度。如图9所示。
特别是晶界析出相中Cu含量的增加可能是过时效的有利影响。
4.应力腐蚀开裂机理:
虽然应力腐蚀裂纹是最重要的腐蚀问题之一，但其机理尚不清楚。这是腐蚀研究中尚未解决的大问题之一。
造成这种情况的主要原因是金属性能、界面性能和环境性能的复杂相互作用。此外，不太可能找到一种适用于所有金属-环境系统的特定机制。关于特定金属-环境组合的应力腐蚀开裂，人们已经建立了许多机制，但这里讨论的一般机制如下:
4.1 Slip-Dissolution机制:
我们知道在位错运动产生塑性变形的情况下，材料表面会形成滑移台阶，也称滑移线。
由于裂纹尖端存在高应力或应力集中，裂纹尖端附近区域发生塑性变形。正如所解释的那样，由于塑性变形，裂纹尖端表面会形成滑移步，从而导致裂纹尖端表面的钝化膜破裂。因此，裂纹尖端的钝化膜破裂形成了促进金属溶解的化学活性路径。因此，通过这种金属溶解裂纹传播如图11所示。
5.应力腐蚀开裂的预防方法:
将压力降低到阈值以下。这可以通过在有残余应力的情况下退火、加厚截面或减少载荷来完成。普通碳钢可以在600 ~ 650℃退火去应力，而ASS在800 ~ 950℃温度范围内经常去应力。
通过诸如脱气、脱矿或蒸馏等方法消除环境中的关键物种。
如果应力和环境都不能改变，改变合金是一种可行的方法。如304不锈钢不能满足要求时，可采用抗应力腐蚀开裂的双相不锈钢或FSS。在较高温度的腐蚀环境中，镍基合金具有良好的抗应力腐蚀开裂性能，应力腐蚀开裂的影响因素说明了这一点。
将阴极保护应用于具有外部电源或消耗阳极的结构。在应用阴极保护时应注意，应确保结构的断裂只是由应力腐蚀裂纹引起的。如果失败的原因不清楚，如果氢脆化是存在的，那么它会被阴极电流加速。
对整个暴露表面的弹丸钉扎也是在金属表面产生残余压应力的一种解决方法。被压缩的表层非常薄——通常只有千分之几英寸。例如，316型SS离心机在60°C温度下处理有机氯化物，使用1年后由于应力腐蚀开裂而失效。在使用42个月后，更换的316 SS喷钉离心机没有出现任何裂纹。不建议对裂纹表面喷丸处理。
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引用:
- 《腐蚀工程》，作者:Mars Fontana, 3理查德·道金斯版,麦格劳-希尔
- “应力腐蚀开裂理论与实践”V.S. Raja, Tetsuo Shoji, Woodhead出版有限公司
- NPTEL课程-“水的腐蚀及其控制”-“腐蚀的形式:应力腐蚀开裂”讲座29、30和31由印度理工学院教授V. S. Raja，孟买
- Samuel W. Parr和Erederick G. Straub，“锅炉板脆化的原因和预防”，伊利诺伊大学厄巴纳分校