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技術(shù)文章
閥門、閥門鑄件應(yīng)力腐蝕知識解惑和預(yù)防知識介紹
點(diǎn)擊次數(shù):1126 發(fā)布時(shí)間:2014-10-16
應(yīng)力腐蝕開裂(StressCorrosionCracking—SCC)是指受拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的介質(zhì)中,由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的協(xié)同作用而產(chǎn)生滯后開裂,或滯后斷裂的現(xiàn)象。閥門鑄件、毛坯出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕的情況比較多。
通常,在某種特定的腐蝕介質(zhì)中,材料在不受應(yīng)力時(shí)腐蝕速度很小,而受到一定的拉伸應(yīng)力(可遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度)下,經(jīng)過一段時(shí)間后,即使是延展性很好的金屬也會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。
應(yīng)力腐蝕開裂(SCC斷裂)事先沒有明顯的征兆,往往造成災(zāi)難性的后果。常見的SCC有:鍋爐鋼在熱堿溶液中的“堿脆”、低碳鋼在硝酸鹽中的“硝脆”、奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的“氯脆”和銅合金在氨水溶液中的“氨脆”等。
上面說了應(yīng)力腐蝕的知識介紹、應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的原因。下面再說一下應(yīng)力腐蝕的三種試驗(yàn)。
應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)的目的是測定合金在特定應(yīng)用環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。SCC試驗(yàn)時(shí)根據(jù)SCC的特征和試驗(yàn)?zāi)康亩O(shè)計(jì)的。鑒于材料、介質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)?zāi)康牡亩鄻有?,已設(shè)計(jì)出多種SCC試驗(yàn)方法。按照試驗(yàn)地點(diǎn)和環(huán)境性質(zhì)可將試驗(yàn)方法分為現(xiàn)場試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室模擬和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn);按照加載方式的不同,可將其分為恒負(fù)荷試驗(yàn)、恒變形試驗(yàn)、斷裂力學(xué)試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)。根據(jù)材料的種類及實(shí)際運(yùn)行構(gòu)件的形狀,可采用光滑試樣、帶缺口試樣或預(yù)制裂紋的試樣進(jìn)行SCC試驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)室的SCC試驗(yàn)一般是加速試驗(yàn),為了縮短時(shí)間必須引入加速因素,其主要途經(jīng)有:增加介質(zhì)的腐蝕性;強(qiáng)化試驗(yàn)的加載應(yīng)力;利用電化學(xué)極化方法加速SCC。
恒變形試驗(yàn)
恒變形法是使試樣發(fā)生一定的變形,對它在試驗(yàn)環(huán)境中的SCC敏感性進(jìn)行評定的方法。這種方法所使用的試樣形狀和手段很多,常用的有U形、C形環(huán)、彎梁試樣等,一般利用卡具或螺栓固定試樣的變形以加載應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡便、經(jīng)濟(jì)、試樣緊湊,適合于在有限空間的容器內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間的成批試驗(yàn)。這類試樣通過塑性變形至預(yù)定形態(tài),應(yīng)力來自加工變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。應(yīng)力大小隨材料的力學(xué)性能、成形及加工硬化性能等而異。在這類試驗(yàn)中有許多是定性的,應(yīng)力不能測知,一般應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。因?yàn)樯a(chǎn)中設(shè)備的殘余應(yīng)力也常達(dá)到或超過屈服強(qiáng)度,所以這類試樣zui符合實(shí)際情況,適合于工程選材試驗(yàn)。另有幾類固定應(yīng)變試樣可以預(yù)先確定應(yīng)力大小,通常在彈性應(yīng)力范圍內(nèi),也有些達(dá)到塑性范圍。恒變形試驗(yàn)方法根據(jù)不同的樣品又可分為彎梁法、C形環(huán)法、音叉試驗(yàn)法、U形彎曲法和CBB法。
恒載荷試驗(yàn)
利用砝碼、力矩、彈簧等給試樣加上一定的載荷而達(dá)到加載的目的,這種加載方法稱為載荷法。這種加載應(yīng)力的方式往往被用來模擬工程構(gòu)件可能受到的工作應(yīng)力或外加應(yīng)力??刹捎弥苯永旒虞d,也可對彎曲試樣加載實(shí)現(xiàn)恒載荷的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。恒載荷法雖然加載是恒定的,但試樣在暴露過程中由于腐蝕和產(chǎn)生裂紋其橫截面不斷減小,因此斷裂面上的有效應(yīng)力是不斷增加的。與恒變形試驗(yàn)相比,必然導(dǎo)致試樣更快斷裂。所以,恒載荷試驗(yàn)條件更為嚴(yán)苛,試樣壽命更短,SCC的臨界應(yīng)力更低。直接拉伸加載zui簡單的方法是把試樣的一端固定,在另一端直接懸掛砝碼。對于大截面的高強(qiáng)度金屬材料,可以采用杠桿系統(tǒng)加載。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的較多的是小截面試樣。與大截面試樣相比,對引發(fā)SCC具有更大的敏感性、可以更快地獲得試驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)操作比較方便的優(yōu)點(diǎn)。彎曲試樣加載又可分為三點(diǎn)加載、四點(diǎn)彎曲加載和懸臂梁加載三種。
慢應(yīng)變速率試驗(yàn)
慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT),是在一定環(huán)境中將拉伸試件放入特制的慢應(yīng)變速率試驗(yàn)機(jī)中,以恒定不變的相當(dāng)緩慢的應(yīng)變速度通過試驗(yàn)機(jī)十字頭位移而把載荷施加到試件以強(qiáng)化應(yīng)變狀態(tài)來加速SCC過程的發(fā)生和發(fā)展。由于試驗(yàn)處于環(huán)境室中,可在慢拉伸過程中同時(shí)研究其它因素如溫度、電極電位和溶液pH值等對應(yīng)力腐蝕過程的影響。該試驗(yàn)可采用無裂紋試樣或缺口試樣,將試樣在特定的腐蝕介質(zhì)和惰性介質(zhì)中緩慢拉斷后,就可以根據(jù)延伸率等參數(shù)的不同和斷口形貌及二次裂紋的特征來評定特定材料—介質(zhì)體系對應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。與前兩種方法相比,慢應(yīng)變速率法具有較大的*性。首先,慢應(yīng)變速率法對應(yīng)力腐蝕開裂有較高的靈敏性。其次,用慢應(yīng)變速率法可以得到很多有用的信息,可定量地判斷應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的大小。慢應(yīng)變速率法的缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜,確定應(yīng)變速率值的影響因素很多,對材料過分苛刻。此外慢應(yīng)變速率法不能提供更多的信息,在比較腐蝕環(huán)境和空氣中的拉伸曲線時(shí),不容易比較裂紋的潛伏期和擴(kuò)展期,很難估計(jì)裂紋擴(kuò)展速度。
斷裂力學(xué)試驗(yàn)
斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法采用帶有預(yù)制裂紋的試樣,通常是在光滑試樣上用機(jī)械方法加工一個(gè)切口,然后用疲勞載荷在切口根部產(chǎn)生裂紋,也可用機(jī)械突入法等方法產(chǎn)生裂紋。然后對試樣加一定載荷并置入環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。采用預(yù)制裂紋試樣,把線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)用于應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),可以確定金屬材料在特定介質(zhì)中的臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC和裂紋擴(kuò)展速率da/dt,確定構(gòu)件中可允許的zui大缺陷尺寸及構(gòu)件的壽命。斷裂力學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是,試驗(yàn)簡單、試驗(yàn)周期較短;通過KI可以準(zhǔn)確地確定裂紋的應(yīng)力狀態(tài);不同形狀試樣的試驗(yàn)結(jié)果具有可比性;試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性較好;可在工程設(shè)計(jì)上用于安全評定和壽命評估。斷裂力學(xué)所用的預(yù)制裂紋試樣提供了有利于裂紋發(fā)展所必須的介質(zhì)電化學(xué)條件,從而縮短了孕育期。
根據(jù)環(huán)境介質(zhì)的不同又可分為3.5%NaCl溶液試驗(yàn)、沸騰MgCl3溶液試驗(yàn)、連多l(xiāng)iu酸溶液試驗(yàn)、熱鹽法、Mattsson溶液試驗(yàn)等。3.5%NaCl溶液間浸試驗(yàn)主要用于試驗(yàn)鋁合金和鐵基合金SCC敏感性,是一種加速試驗(yàn)方法。可用于選材、質(zhì)量控制檢驗(yàn)和發(fā)展新合金等。沸騰氯化鎂溶液試驗(yàn)是一種檢測不銹鋼及有關(guān)合金的SCC敏感性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。連多l(xiāng)iu酸溶液試驗(yàn)用于測定不銹鋼或其他有關(guān)材料(Ni-Cr-Fe)在連多l(xiāng)iu酸溶液中對延晶SCC的相對敏感性。熱鹽環(huán)境試驗(yàn)是一種檢測鈦合金氫脆和SCC敏感性的試驗(yàn)方法。熱鹽試驗(yàn)首先用噴涂的方法在加載應(yīng)力的試樣表面覆蓋一層NaCl鹽膜,然后將涂鹽試樣暴露于高溫下。通常是根據(jù)合金的力學(xué)性能和預(yù)計(jì)的使用條件來確定暴露溫度和應(yīng)力水平,而暴露時(shí)間隨合金、應(yīng)力、溫度和選擇的破壞判據(jù)而定。pH=7.2的Mattson溶液是評定Cu-Zn合金對SCC敏感性的一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溶液。
應(yīng)力腐蝕預(yù)防
應(yīng)力腐蝕的機(jī)理仍處于進(jìn)一步研究中。為防止零件的應(yīng)力腐蝕,首先應(yīng)合理選材,避免使用對應(yīng)力腐蝕敏感的材料,可以采用抗應(yīng)力腐蝕開裂的不銹鋼系列,如高鎳奧氏體鋼、高純奧氏體鋼、超純高鉻鐵素體鋼等。
其次應(yīng)合理設(shè)計(jì)零件和構(gòu)件,減少應(yīng)力集中。改善腐蝕環(huán)境,如在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑,也是防止應(yīng)力腐蝕的措施。采用金屬或非金屬保護(hù)層,可以隔絕腐蝕介質(zhì)的作用。此外,采用陰極保護(hù)法見電化學(xué)保護(hù)也可減小或停止應(yīng)力腐蝕。
通常,在某種特定的腐蝕介質(zhì)中,材料在不受應(yīng)力時(shí)腐蝕速度很小,而受到一定的拉伸應(yīng)力(可遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度)下,經(jīng)過一段時(shí)間后,即使是延展性很好的金屬也會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。
應(yīng)力腐蝕開裂(SCC斷裂)事先沒有明顯的征兆,往往造成災(zāi)難性的后果。常見的SCC有:鍋爐鋼在熱堿溶液中的“堿脆”、低碳鋼在硝酸鹽中的“硝脆”、奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的“氯脆”和銅合金在氨水溶液中的“氨脆”等。
上面說了應(yīng)力腐蝕的知識介紹、應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的原因。下面再說一下應(yīng)力腐蝕的三種試驗(yàn)。
應(yīng)力腐蝕開裂試驗(yàn)的目的是測定合金在特定應(yīng)用環(huán)境中的抗應(yīng)力腐蝕開裂的性能。SCC試驗(yàn)時(shí)根據(jù)SCC的特征和試驗(yàn)?zāi)康亩O(shè)計(jì)的。鑒于材料、介質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和試驗(yàn)?zāi)康牡亩鄻有?,已設(shè)計(jì)出多種SCC試驗(yàn)方法。按照試驗(yàn)地點(diǎn)和環(huán)境性質(zhì)可將試驗(yàn)方法分為現(xiàn)場試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室模擬和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn);按照加載方式的不同,可將其分為恒負(fù)荷試驗(yàn)、恒變形試驗(yàn)、斷裂力學(xué)試驗(yàn)和慢應(yīng)變速率試驗(yàn)。根據(jù)材料的種類及實(shí)際運(yùn)行構(gòu)件的形狀,可采用光滑試樣、帶缺口試樣或預(yù)制裂紋的試樣進(jìn)行SCC試驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)室的SCC試驗(yàn)一般是加速試驗(yàn),為了縮短時(shí)間必須引入加速因素,其主要途經(jīng)有:增加介質(zhì)的腐蝕性;強(qiáng)化試驗(yàn)的加載應(yīng)力;利用電化學(xué)極化方法加速SCC。
恒變形試驗(yàn)
恒變形法是使試樣發(fā)生一定的變形,對它在試驗(yàn)環(huán)境中的SCC敏感性進(jìn)行評定的方法。這種方法所使用的試樣形狀和手段很多,常用的有U形、C形環(huán)、彎梁試樣等,一般利用卡具或螺栓固定試樣的變形以加載應(yīng)力。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡便、經(jīng)濟(jì)、試樣緊湊,適合于在有限空間的容器內(nèi)進(jìn)行長時(shí)間的成批試驗(yàn)。這類試樣通過塑性變形至預(yù)定形態(tài),應(yīng)力來自加工變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。應(yīng)力大小隨材料的力學(xué)性能、成形及加工硬化性能等而異。在這類試驗(yàn)中有許多是定性的,應(yīng)力不能測知,一般應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度。因?yàn)樯a(chǎn)中設(shè)備的殘余應(yīng)力也常達(dá)到或超過屈服強(qiáng)度,所以這類試樣zui符合實(shí)際情況,適合于工程選材試驗(yàn)。另有幾類固定應(yīng)變試樣可以預(yù)先確定應(yīng)力大小,通常在彈性應(yīng)力范圍內(nèi),也有些達(dá)到塑性范圍。恒變形試驗(yàn)方法根據(jù)不同的樣品又可分為彎梁法、C形環(huán)法、音叉試驗(yàn)法、U形彎曲法和CBB法。
恒載荷試驗(yàn)
利用砝碼、力矩、彈簧等給試樣加上一定的載荷而達(dá)到加載的目的,這種加載方法稱為載荷法。這種加載應(yīng)力的方式往往被用來模擬工程構(gòu)件可能受到的工作應(yīng)力或外加應(yīng)力??刹捎弥苯永旒虞d,也可對彎曲試樣加載實(shí)現(xiàn)恒載荷的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。恒載荷法雖然加載是恒定的,但試樣在暴露過程中由于腐蝕和產(chǎn)生裂紋其橫截面不斷減小,因此斷裂面上的有效應(yīng)力是不斷增加的。與恒變形試驗(yàn)相比,必然導(dǎo)致試樣更快斷裂。所以,恒載荷試驗(yàn)條件更為嚴(yán)苛,試樣壽命更短,SCC的臨界應(yīng)力更低。直接拉伸加載zui簡單的方法是把試樣的一端固定,在另一端直接懸掛砝碼。對于大截面的高強(qiáng)度金屬材料,可以采用杠桿系統(tǒng)加載。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)用的較多的是小截面試樣。與大截面試樣相比,對引發(fā)SCC具有更大的敏感性、可以更快地獲得試驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)操作比較方便的優(yōu)點(diǎn)。彎曲試樣加載又可分為三點(diǎn)加載、四點(diǎn)彎曲加載和懸臂梁加載三種。
慢應(yīng)變速率試驗(yàn)
慢應(yīng)變速率試驗(yàn)(SSRT),是在一定環(huán)境中將拉伸試件放入特制的慢應(yīng)變速率試驗(yàn)機(jī)中,以恒定不變的相當(dāng)緩慢的應(yīng)變速度通過試驗(yàn)機(jī)十字頭位移而把載荷施加到試件以強(qiáng)化應(yīng)變狀態(tài)來加速SCC過程的發(fā)生和發(fā)展。由于試驗(yàn)處于環(huán)境室中,可在慢拉伸過程中同時(shí)研究其它因素如溫度、電極電位和溶液pH值等對應(yīng)力腐蝕過程的影響。該試驗(yàn)可采用無裂紋試樣或缺口試樣,將試樣在特定的腐蝕介質(zhì)和惰性介質(zhì)中緩慢拉斷后,就可以根據(jù)延伸率等參數(shù)的不同和斷口形貌及二次裂紋的特征來評定特定材料—介質(zhì)體系對應(yīng)力腐蝕破裂的敏感性。與前兩種方法相比,慢應(yīng)變速率法具有較大的*性。首先,慢應(yīng)變速率法對應(yīng)力腐蝕開裂有較高的靈敏性。其次,用慢應(yīng)變速率法可以得到很多有用的信息,可定量地判斷應(yīng)力腐蝕破裂敏感性的大小。慢應(yīng)變速率法的缺點(diǎn)是設(shè)備復(fù)雜,確定應(yīng)變速率值的影響因素很多,對材料過分苛刻。此外慢應(yīng)變速率法不能提供更多的信息,在比較腐蝕環(huán)境和空氣中的拉伸曲線時(shí),不容易比較裂紋的潛伏期和擴(kuò)展期,很難估計(jì)裂紋擴(kuò)展速度。
斷裂力學(xué)試驗(yàn)
斷裂力學(xué)試驗(yàn)方法采用帶有預(yù)制裂紋的試樣,通常是在光滑試樣上用機(jī)械方法加工一個(gè)切口,然后用疲勞載荷在切口根部產(chǎn)生裂紋,也可用機(jī)械突入法等方法產(chǎn)生裂紋。然后對試樣加一定載荷并置入環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。采用預(yù)制裂紋試樣,把線彈性斷裂力學(xué)應(yīng)用于應(yīng)力腐蝕試驗(yàn),可以確定金屬材料在特定介質(zhì)中的臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC和裂紋擴(kuò)展速率da/dt,確定構(gòu)件中可允許的zui大缺陷尺寸及構(gòu)件的壽命。斷裂力學(xué)方法的優(yōu)點(diǎn)是,試驗(yàn)簡單、試驗(yàn)周期較短;通過KI可以準(zhǔn)確地確定裂紋的應(yīng)力狀態(tài);不同形狀試樣的試驗(yàn)結(jié)果具有可比性;試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性較好;可在工程設(shè)計(jì)上用于安全評定和壽命評估。斷裂力學(xué)所用的預(yù)制裂紋試樣提供了有利于裂紋發(fā)展所必須的介質(zhì)電化學(xué)條件,從而縮短了孕育期。
根據(jù)環(huán)境介質(zhì)的不同又可分為3.5%NaCl溶液試驗(yàn)、沸騰MgCl3溶液試驗(yàn)、連多l(xiāng)iu酸溶液試驗(yàn)、熱鹽法、Mattsson溶液試驗(yàn)等。3.5%NaCl溶液間浸試驗(yàn)主要用于試驗(yàn)鋁合金和鐵基合金SCC敏感性,是一種加速試驗(yàn)方法。可用于選材、質(zhì)量控制檢驗(yàn)和發(fā)展新合金等。沸騰氯化鎂溶液試驗(yàn)是一種檢測不銹鋼及有關(guān)合金的SCC敏感性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)。連多l(xiāng)iu酸溶液試驗(yàn)用于測定不銹鋼或其他有關(guān)材料(Ni-Cr-Fe)在連多l(xiāng)iu酸溶液中對延晶SCC的相對敏感性。熱鹽環(huán)境試驗(yàn)是一種檢測鈦合金氫脆和SCC敏感性的試驗(yàn)方法。熱鹽試驗(yàn)首先用噴涂的方法在加載應(yīng)力的試樣表面覆蓋一層NaCl鹽膜,然后將涂鹽試樣暴露于高溫下。通常是根據(jù)合金的力學(xué)性能和預(yù)計(jì)的使用條件來確定暴露溫度和應(yīng)力水平,而暴露時(shí)間隨合金、應(yīng)力、溫度和選擇的破壞判據(jù)而定。pH=7.2的Mattson溶液是評定Cu-Zn合金對SCC敏感性的一種標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溶液。
應(yīng)力腐蝕預(yù)防
應(yīng)力腐蝕的機(jī)理仍處于進(jìn)一步研究中。為防止零件的應(yīng)力腐蝕,首先應(yīng)合理選材,避免使用對應(yīng)力腐蝕敏感的材料,可以采用抗應(yīng)力腐蝕開裂的不銹鋼系列,如高鎳奧氏體鋼、高純奧氏體鋼、超純高鉻鐵素體鋼等。
其次應(yīng)合理設(shè)計(jì)零件和構(gòu)件,減少應(yīng)力集中。改善腐蝕環(huán)境,如在腐蝕介質(zhì)中添加緩蝕劑,也是防止應(yīng)力腐蝕的措施。采用金屬或非金屬保護(hù)層,可以隔絕腐蝕介質(zhì)的作用。此外,采用陰極保護(hù)法見電化學(xué)保護(hù)也可減小或停止應(yīng)力腐蝕。