奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕及防護(hù)措施

一般情況下奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性，但在特殊的工況條件下，也會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，給工程帶來極大的安全隱患。論述了奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件、腐蝕的機(jī)理及防護(hù)措施，為解決奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕失效的問題提供了依據(jù)。

奧氏體不銹鋼因?yàn)榫哂袃?yōu)良的機(jī)械性能及可焊性，同時(shí)還有其它普通金屬不可比擬的耐腐蝕性能，而成為石油化工行業(yè)中重要的耐腐蝕材料。奧氏體不銹鋼耐腐蝕是由于在其表面生成了一層極薄的、粘著性好的、半透明的氧化鉻薄膜。Cr和Ni是不銹鋼具有耐腐蝕性能最主要的合金元素。Cr和Ni使奧氏體不銹鋼在氧化性介質(zhì)中生成一層十分致密的氧化膜，使其鈍化，降低了不銹鋼在氧化性介質(zhì)中的腐蝕速度，使不銹鋼的耐腐蝕性能提高。這層膜一旦遭到機(jī)械損傷而破壞，鋼中的鉻與大氣中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)就能迅速地使其恢復(fù)。但不銹鋼的耐腐蝕性能是有針對性的，即在空氣、水、中性溶液等介質(zhì)中是穩(wěn)定的，而在其它介質(zhì)中則有可能發(fā)生腐蝕破壞。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在設(shè)備腐蝕中，奧氏體不銹鋼的腐蝕約占各種腐蝕的1/2，而奧氏體不銹鋼材料的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，又占所有材料應(yīng)力腐蝕的2/3以上。

應(yīng)力腐蝕指金屬在拉伸應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下發(fā)生的低應(yīng)力脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕開裂是一種腐蝕速度快、破壞嚴(yán)重，且往往在沒有明顯宏觀變形及在金屬表面無腐蝕的情況下，發(fā)生的突發(fā)性低應(yīng)力脆斷，由于這種脆斷的突然性和不可預(yù)測性，因而具有相當(dāng)大的危險(xiǎn)性。

1 產(chǎn)生條件

應(yīng)力腐蝕破裂是拉應(yīng)力與腐蝕因素共同作用產(chǎn)生的。一般情況下，構(gòu)成應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)具備3個(gè)條件：（1）特定材料具有一定化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的不銹鋼，在一些介質(zhì)中對應(yīng)力腐蝕敏感；（2）足夠大的拉伸應(yīng)力生產(chǎn)制造過程中及產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理等而造成的殘余拉應(yīng)力，拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件；（3）特定的腐蝕環(huán)境只有在一定的材料——介質(zhì)的組合條件下才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。

2 產(chǎn)生機(jī)理

01 應(yīng)力腐蝕破裂過程

應(yīng)力腐蝕破裂的過程可分為3 個(gè)階段：第一階段為腐蝕引起裂紋或蝕坑的階段，即導(dǎo)致應(yīng)力集中的裂紋源生核孕育階段，常稱之為潛伏期或誘導(dǎo)期；第二階段為裂紋擴(kuò)展階段，即由裂紋源或蝕坑發(fā)展到單位面積所能承受最大載荷的所謂極限應(yīng)力值時(shí)的階段；第三階段是失穩(wěn)純力學(xué)的裂紋擴(kuò)展階段，即破裂期。第一階段受應(yīng)力的影響性相對較小，但時(shí)間較長，約占破裂總時(shí)間的90％。

圖1 應(yīng)力吸附開裂過程

02 應(yīng)力腐蝕機(jī)理

就應(yīng)力腐蝕的機(jī)理來說，目前尚處于研討階段。目前已得出多種理論，各種理論又有各自適應(yīng)的組合情況，可歸結(jié)為3個(gè)方面：

環(huán)境因子方面的假設(shè)和理論

（1）電化學(xué)腐蝕理論該理論用來解釋沿晶型應(yīng)力腐蝕比較合適，認(rèn)為晶界比晶粒內(nèi)的晶面具有較高能量，形成陰極、陽極，組成了電化學(xué)腐蝕的原電池。

（2）應(yīng)力吸附理論認(rèn)為應(yīng)力腐蝕斷裂的產(chǎn)生是由于金屬（或合金）表面吸附了特殊離子，使其表面能降低，使材料破壞所需的應(yīng)力降低。

圖2 應(yīng)力吸附開裂

（3）表面膜破裂理論該理論認(rèn)為金屬（或合金）表面的保護(hù)膜尤其是晶界處在腐蝕過程中不斷被破壞，而使腐蝕裂紋發(fā)展直至破壞。

（4）腐蝕產(chǎn)物的楔入效果理論金屬（或合金）的腐蝕產(chǎn)物在擴(kuò)展裂紋尖端的后面陰極區(qū)沉積，對裂紋起楔子作用，造成了應(yīng)力；當(dāng)沉積物造成的應(yīng)力達(dá)到臨界值后使裂紋向前擴(kuò)展；新產(chǎn)生的裂紋又吸入了電解質(zhì)溶液，使裂紋尖端陽極腐蝕繼續(xù)進(jìn)行，這就產(chǎn)生了更多的可溶性金屬離子，這些離子擴(kuò)散至陰極區(qū)并生成金屬氧化物等沉積下來，這又引起了裂紋向前擴(kuò)展，如此反復(fù)，直至破裂。

 金屬因子方面的假設(shè)和理論

（1）位錯(cuò)理論材料的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性與材料中的位錯(cuò)分布有關(guān)。

（2）析出理論在產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中，材料由于受應(yīng)力或腐蝕反應(yīng)的結(jié)果，使得某些部位上產(chǎn)生了某種析出，該電位降低成為陽極，造成了腐蝕的敏感環(huán)境。

（3）滑移階梯理論材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕必須具有某種程度的塑性變形，從而使材料的表面出現(xiàn)滑移階梯，破壞金屬表面保護(hù)膜，產(chǎn)生新的活性區(qū)。在介質(zhì)中，這些活性區(qū)與其它有完整保護(hù)膜的地方形成小陽極大陽極，加快了破壞進(jìn)程。

（4）隧洞腐蝕理論在產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中，金屬（或合金）沿某一滑移面上的一定方向生成腐蝕孔并延伸成隧洞狀，在應(yīng)力作用下，隧洞互相連接，使截面減少，應(yīng)力逐漸增高超過了屈服極限甚至達(dá)到強(qiáng)度極限直至破壞。

應(yīng)力因子方面的假設(shè)和理論

該理論要點(diǎn)為，在應(yīng)力作用下腐蝕反應(yīng)生成的氫擴(kuò)散到正在擴(kuò)展的裂紋前緣，在該處形成與應(yīng)力方向垂直的高活化的氫化物或氫-應(yīng)變鐵素體（或bccα‘、α’馬氏體），使該處金屬脆變。隨著應(yīng)力腐蝕的進(jìn)行，氫不斷產(chǎn)生與擴(kuò)散至裂紋尖端，裂紋就持續(xù)向前擴(kuò)展。金屬腐蝕斷裂的引發(fā)與擴(kuò)展，是沿著氫在鋼中擴(kuò)散和反應(yīng)所形成的敏感途徑進(jìn)行的。

3 防護(hù)措施

01 選用具有抗應(yīng)力腐蝕的不銹鋼材料

近年來發(fā)展了多種耐應(yīng)力腐蝕的不銹鋼，主要有高純奧氏體鉻鎳鋼、高硅奧氏體鉻鎳鋼、高鉻鐵素體鋼和鐵素體-奧氏體雙相鋼。其中，以鐵素體-奧氏體雙相鋼的抗應(yīng)力腐蝕能力最好。

02 改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

盡量避免結(jié)構(gòu)形狀的突變，以減少局部高應(yīng)力，接管端部應(yīng)打磨圓角，呈圓滑過渡，對連接點(diǎn)宜選用較大的圓角和平滑度。

03 消除應(yīng)力處理

焊后熱處理是減少殘余應(yīng)力的有效方法，通常的消除應(yīng)力熱處理的溫度對奧氏體鋼都不合適，由于正好處于奧氏體鋼的敏化區(qū)，所以必須提高熱處理溫度到900 ℃左右才能達(dá)到良好的消應(yīng)力效果。由于這溫度和含穩(wěn)定化元素的奧氏體鋼的穩(wěn)定化處理溫度一致，在該溫度下處理可達(dá)到一舉兩得的效果。

此外，還可在其表面采用噴丸處理，施加一定的壓應(yīng)力，使之與產(chǎn)生的拉應(yīng)力相抵消。

04 采用電化學(xué)方法防護(hù)

采用外加電流的陰極保護(hù)或犧牲陽極陰極保護(hù)的方法可以防止應(yīng)力腐蝕，而且在裂紋形成后還可使其停止擴(kuò)展。

05 添加緩蝕劑

在工藝條件許可的情況下，通過添加一定量的緩蝕劑，也可在一定程度上達(dá)到延緩?qiáng)W氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕速度的效果。

4 結(jié)語

腐蝕與防護(hù)是一門獨(dú)立的學(xué)科，它是研究結(jié)構(gòu)材料的腐蝕過程和腐蝕控制機(jī)理，采取措施延長結(jié)構(gòu)材料使用壽命的一門學(xué)科。正確選用材料和采取適用的防護(hù)措施對延長設(shè)備使用壽命是十分有意義的。

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