當應力與腐蝕同時作用時,可以加速金屬的破壞。在最簡單的情況下,這兩個因素的破壞作用只是簡單疊加。如果是均勻腐蝕,則面積逐漸減小,使真實應力逐漸增加,最終達到材料的斷裂強度而斷裂;如果是晶間腐蝕,則晶間的結(jié)合力將會降低,外加的應力使腐蝕介質(zhì)更容易沿晶界進行進一步的破壞,最終使殘余的晶間結(jié)合力不能承受外加應力而致斷裂。當應力不存在時,腐蝕甚微,施加應力并經(jīng)過一段時間后,金屬會在腐蝕并不嚴重的情況下發(fā)生脆斷。這種應力腐蝕斷裂有如下五個共同特征。
一、力學特征
1. 具備拉應力
一般應力腐蝕都在拉應力下才發(fā)生,而在壓應力下不發(fā)生應力腐蝕,這種拉伸應力可以是工作狀態(tài)下材料承受外加載荷造成的工作應力;也可以是在生產(chǎn)、制造、加工和安裝過程中在材料內(nèi)部形成的熱應力、形變應力等殘余應力;還可以是由裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的體積效應造成的楔入作用或是陰極反應形成的氫產(chǎn)生的應力。
2. 存在臨界應力
合金所承受的應力越小,斷裂時間越長,當應力小于某一臨界值后,此應力成為臨界應力。在大多數(shù)的材料-環(huán)境體系中,存在一個臨界應力,當應力低于該臨界值時,則不產(chǎn)生SCC.
二、環(huán)境特性
1. 腐蝕介質(zhì)的特性
只有在特定的腐蝕介質(zhì)中含有某些對發(fā)生應力腐蝕有特效作用的離子、分子時才會發(fā)生應力腐蝕。這種特定的腐蝕劑并不一定要大量存在,而且往往濃度很低。表1.5列出了一些金屬和合金發(fā)生應力腐蝕的特定介質(zhì)。
2. 溶液的濃度
值得指出的是,即使有時整體濃度是很低的,但是由于局部位置上的濃縮作用,使該處極易產(chǎn)生局部腐蝕。
3. 具有一定的電位范圍
從電化學的角度來看,材料與特定介質(zhì)的偶合導致應力腐蝕的條件是它發(fā)生在一定的電位范圍內(nèi),一般是發(fā)生在鈍化-活化的過渡區(qū)或鈍化-過鈍化區(qū)。
三、冶金學特性
1. 不同的化學成分和純度具有不同應力腐蝕敏感性
純金屬一度被認為不發(fā)生應力腐蝕,但是通過實驗發(fā)現(xiàn),純度高達99.999%的銅及99.99%的鐵在一定條件下也發(fā)生了晶間應力腐蝕開裂,因此,認為合金比純金屬更易產(chǎn)生應力腐蝕是恰當?shù)摹?/span>
2. 不同組織具有不同的應力腐蝕敏感性
金屬晶體結(jié)構(gòu)的差異也影響到材料的耐蝕性,體心立方晶格(鐵素體和馬氏體)比面心立方晶格(奧氏體)更耐應力腐蝕。一般說來,粗晶粒比細晶粒對應力腐蝕更為敏感。晶格缺陷,如晶界、亞晶界、露頭的位錯群等,對應力腐蝕破裂敏感,將優(yōu)先溶解,常常成為應力腐蝕破裂發(fā)生的裂縫源。
四、應力腐蝕裂紋擴展速率
金屬在無裂紋、無蝕坑或缺陷的情況下,應力腐蝕過程可分為三個階段:裂紋萌生階段,即由于腐蝕引起裂紋或蝕坑的階段;裂紋擴展階段,即由裂紋源或蝕坑開始到達極限應力值為止的這一階段;失穩(wěn)斷裂階段。裂紋萌生階段的長短取決于合金的性能、環(huán)境的特性和應力的大小,這一時期短的僅幾分鐘,長的可達幾年、十幾年或幾十年,裂紋萌生期是服役壽命的主要部分。
五、應力腐蝕形態(tài)特征
1. 應力腐蝕的宏觀形態(tài)特征
即使具有很高延性的金屬,其應力腐蝕仍具有完全脆性的外觀。應力腐蝕都呈脆性斷裂,應力腐蝕的宏觀斷口常有放射花樣或人字紋。
2. 應力腐蝕的微觀形態(tài)特征
應力腐蝕斷口的微觀特征比較復雜,它與鋼的成分、熱處理、環(huán)境條件、應力狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)以及力學性能等有關(guān)。金屬材料發(fā)生應力腐蝕時,僅在局部地區(qū)出現(xiàn)由表及里的腐蝕裂紋,其裂紋形態(tài)主要有穿晶型、晶界型和混合型三種。不同的金屬-環(huán)境體系,將出現(xiàn)不同的裂紋形態(tài)。例如,軟鋼、銅合金、鎳合金多半顯晶界型,奧氏體不銹鋼多半顯穿晶型,而鈦合金多半顯混合型。不論表現(xiàn)形式如何,裂紋的共同特點是在主干裂紋延伸的同時還有若干分支同時發(fā)展,裂紋出在與最大應力垂直的平面上,其破裂斷口顯現(xiàn)出脆性斷裂的特征。