金屬材料應(yīng)力腐蝕失效分析

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1、金屬材料應(yīng)力腐蝕失效分析專業(yè):金屬材料工程摘要:本文研究了金屬材料應(yīng)力腐蝕斷裂的發(fā)生條件、斷裂的特征、測試的方法、斷裂的原因和解決的方法,對(duì)金屬材料應(yīng)力腐蝕斷裂的判斷和分析并解決應(yīng)力腐蝕斷裂的問題提供了重要依據(jù)。關(guān)鍵詞:應(yīng)力腐蝕斷裂;應(yīng)力腐蝕敏感性;應(yīng)力腐蝕門檻值金屬材料在特定的介質(zhì)環(huán)境中,承受拉應(yīng)力經(jīng)過一定時(shí)間后發(fā)生裂紋及斷裂的現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。從十九世紀(jì)下半葉發(fā)現(xiàn)黃銅的?季裂?至今,一個(gè)多世紀(jì)以來,國內(nèi)外對(duì)應(yīng)力腐蝕破壞的報(bào)道和研究越來越多。幾乎所有金屬材料都先后出現(xiàn)了應(yīng)力腐蝕斷裂的問題。由于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,材料工作的環(huán)境日

2、漸惡化,應(yīng)力腐蝕的問題日益突出。應(yīng)力腐蝕、低應(yīng)力脆斷和疲勞斷裂并列為當(dāng)今工程斷裂事故的主要原因。為了及時(shí)判斷出應(yīng)力腐蝕斷裂并采取相應(yīng)的措施減少斷裂事故的發(fā)生,我們做了大量的工作,總結(jié)出一套應(yīng)力腐蝕失效分析的方法。1發(fā)生應(yīng)力腐蝕的條件1.1特定的腐蝕介質(zhì)只有在一定的材料介質(zhì)的組合條件下,才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。表1為各種材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境介質(zhì)。表1發(fā)生應(yīng)力腐蝕的金屬材料與介質(zhì)的組合有時(shí)濃度很低的介質(zhì)也會(huì)引起應(yīng)力腐蝕裂紋。一般介質(zhì)濃度越高,環(huán)境溫度越高越容易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。1.2一定的拉應(yīng)力拉應(yīng)力是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。通常

3、應(yīng)力越大,發(fā)生開裂的時(shí)間越短,小于某一應(yīng)力值就不發(fā)生開裂,此應(yīng)力值稱為應(yīng)力腐蝕的門檻值,見圖1。圖1應(yīng)力腐蝕斷裂的特征曲線1.3材料的成分和組織狀態(tài)材料的成分和組織狀態(tài)對(duì)應(yīng)力腐蝕敏感性影響很大。純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂,隨著雜質(zhì)的增加,應(yīng)力腐蝕的敏感性變大,晶粒粗大的材料應(yīng)力腐蝕敏感性大。高強(qiáng)鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性較高,易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。2應(yīng)力腐蝕斷裂的特征2.1應(yīng)力腐蝕斷裂的特征曲線(見圖1)應(yīng)力腐蝕斷裂是一種延遲斷裂,斷裂時(shí)間隨介質(zhì)條件和應(yīng)力大小從幾分鐘到幾年不等。應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速度遠(yuǎn)大于沒有應(yīng)力時(shí)的腐蝕速度,但比純機(jī)械快速脆

4、性斷裂要慢得多。2.2斷口外觀特征對(duì)于應(yīng)力腐蝕延遲斷裂的試件來說,表面首先出現(xiàn)銹斑。應(yīng)力越高,棕紅色銹斑出現(xiàn)的時(shí)間越早,數(shù)量也越多且長大速度也快。在銹斑長大的過程中,并非所有銹斑都均勻長大,個(gè)別銹斑長大較快,最后試件在此位置斷裂。2.3斷口形貌應(yīng)力腐蝕斷口可分為四個(gè)區(qū)域:腐蝕區(qū)、解理區(qū)、過渡區(qū)和韌窩區(qū)。應(yīng)力高的試樣腐蝕區(qū)、解理區(qū)、過渡區(qū)較小,中心韌窩區(qū)較大。應(yīng)力低的試樣則相反,過渡區(qū)處斷裂由解理斷裂向非解理斷裂轉(zhuǎn)化,其解理區(qū)的花樣如圖2。從斷口宏觀形貌來看,應(yīng)力腐蝕斷口呈灰黑色。圖2應(yīng)力腐蝕斷裂解理區(qū)的花樣X2000圖3裂紋特征X

5、1502.4裂紋特征應(yīng)力腐蝕斷裂裂紋深、寬比相當(dāng)大,前端尖細(xì),深入到基體內(nèi)部,后端寬度較大,邊緣較為圓滑。裂紋的后部處于鍍層的缺陷處,此處基體腐蝕較為嚴(yán)重,裂紋穿晶向內(nèi)擴(kuò)展,盡管裂紋有分枝,但主裂紋的走向與拉應(yīng)力相垂直。并且存在有與主裂紋面大致垂直的近于等間隔的二次裂紋。如圖3。應(yīng)力腐蝕斷口的裂紋走向開始是沿晶的,斷裂方式由沿晶→解理→準(zhǔn)解理→韌窩斷裂。3奧氏體不銹鋼爐體應(yīng)力腐蝕破裂失效實(shí)例分析奧氏體不銹鋼是一種性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛的鋼種，但其抗應(yīng)力腐蝕性能，特別是在氯化物中的抗應(yīng)力腐蝕破裂(SCC)性能較差。而在實(shí)際應(yīng)用中常常發(fā)生

6、由于安裝不當(dāng)，特別是焊接質(zhì)量差引起的SCC，應(yīng)該引起足夠的重視。撫順石化一套奧氏體不銹鋼爐體自從1997年投入使用后，曾多次發(fā)生沿焊接熱影響區(qū)的斷裂事故，造成了該設(shè)備多次停產(chǎn)，損失很大。廠方雖將原18-8換成了316L不銹鋼，進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，仍無法阻止斷裂事故的發(fā)生。2004年5月，對(duì)該設(shè)備第4次斷裂的斷口進(jìn)行了失效分析，認(rèn)為該設(shè)備的斷裂屬于SCC，而安裝質(zhì)量特別是焊接質(zhì)量差是導(dǎo)致斷裂的根本原因。爐體尺寸為直徑1000mm，長1400mm，工作環(huán)境為富Cl-溶液。為確定斷裂類型及原因，對(duì)斷口進(jìn)行了宏觀、微觀、焊接質(zhì)量等檢測分析。3.

7、1斷口宏觀分析該爐體是用不銹鋼板卷圓焊接而成的，原板厚10mm，補(bǔ)焊段板厚12mm。斷口位于環(huán)焊縫的熱影響區(qū)，爐體周長約3140mm，裂紋長度約1970mm，其余約1170mm長的斷口為無腐蝕產(chǎn)物、較平直的、光亮的機(jī)械失穩(wěn)斷裂斷口。從斷口上可看出:裂紋產(chǎn)生于環(huán)焊縫的熱影響區(qū)，而在母材及焊縫上未發(fā)現(xiàn)裂紋，說明斷裂與安裝及焊接過程有關(guān);在縱向焊縫及其熱影響區(qū)上末發(fā)現(xiàn)裂紋，說明該爐體的斷裂問題是可以解決的。3.2斷口微觀分析圖4是斷口的金相照片。裂紋均沿晶發(fā)展，呈網(wǎng)狀、龜裂形式，屬于典型的晶間腐蝕并導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破裂斷口。由于斷口在腐蝕介

8、質(zhì)中浸泡時(shí)間過長，斷口上的腐蝕產(chǎn)物堆積很厚，故無法用電鏡作進(jìn)一步的斷口形貌分析。從金相組織上可以看出，母材為均勻的奧氏體組織，而熱影響區(qū)的組織不均勻并有大量的孿晶存在，孿晶中存在大量的位錯(cuò)，這對(duì)于應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展都是十分有利的。圖4斷口的金