金属材料应力腐蚀失效分析.docx

金属材料应力腐蚀失效分析专业:金属材料工程班级:09-1姓名:孟XX学号:09XXXXXXX摘要: 本文研究了金属材料应力腐蚀断裂的发生条件、断裂的特征、测试的方法、断裂的原因和解决的方法, 对金属材料应力腐蚀断裂的判断和分析并解决应力腐蚀断裂的问题提供了重要依据。关键词: 应力腐蚀断裂; 应力腐蚀敏感性; 应力腐蚀门槛值金属材料在特定的介质环境中, 承受拉应力经过一定时间后发生裂纹及断裂的现象称为应力腐蚀断裂。从十九世纪下半叶发现黄铜的􀀁 季裂􀀁至今, 一个多世纪以来, 国内外对应力腐蚀破坏的报道和研究越来越多。几乎所有金属材料都先后出现了应力腐蚀断裂的问题。由于现代工业的发展, 材料工作的环境日渐恶化, 应力腐蚀的问题日益突出。应力腐蚀、低应力脆断和疲劳断裂并列为当今工程断裂事故的主要原因。为了及时判断出应力腐蚀断裂并采取相应的措施减少断裂事故的发生, 我们做了大量的工作, 总结出一套应力腐蚀失效分析的方法。1发生应力腐蚀的条件1.1特定的腐蚀介质只有在一定的材料介质的组合条件下, 才会发生应力腐蚀断裂。表1为各种材料产生应力腐蚀的环境介质。表1 发生应力腐蚀的金属材料与介质的组合有时浓度很低的介质也会引起应力腐蚀裂纹。一般介质浓度越高, 环境温度越高越容易产生应力腐蚀裂纹。1.2 一定的拉应力拉应力是发生应力腐蚀开裂的必要条件。通常应力越大, 发生开裂的时间越短, 小于某一应力值就不发生开裂, 此应力值称为应力腐蚀的门槛值, 见图1。图1应力腐蚀断裂的特征曲线1.3 材料的成分和组织状态材料的成分和组织状态对应力腐蚀敏感性影响很大。纯金属不发生应力腐蚀断裂, 随着杂质的增加, 应力腐蚀的敏感性变大, 晶粒粗大的材料应力腐蚀敏感性大。高强钢的应力腐蚀敏感性较高, 易发生应力腐蚀断裂。2 应力腐蚀断裂的特征2.1 应力腐蚀断裂的特征曲线( 见图1)应力腐蚀断裂是一种延迟断裂, 断裂时间随介质条件和应力大小从几分钟到几年不等。应力腐蚀裂纹扩展速度远大于没有应力时的腐蚀速度, 但比纯机械快速脆性断裂要慢得多。2.2断口外观特征对于应力腐蚀延迟断裂的试件来说, 表面首先出现锈斑。应力越高, 棕红色锈斑出现的时间越早, 数量也越多且长大速度也快。在锈斑长大的过程中, 并非所有锈斑都均匀长大, 个别锈斑长大较快, 最后试件在此位置断裂。2.3断口形貌应力腐蚀断口可分为四个区域: 腐蚀区、解理区、过渡区和韧窝区。应力高的试样腐蚀区、解理区、过渡区较小, 中心韧窝区较大。应力低的试样则相反, 过渡区处断裂由解理断裂向非解理断裂转化, 其解理区的花样如图2。从断口宏观形貌来看,应力腐蚀断口呈灰黑色。图2应力腐蚀断裂解理区的花样X2000 图3 裂纹特征X1502.4裂纹特征应力腐蚀断裂裂纹深、宽比相当大, 前端尖细, 深入到基体内部, 后端宽度较大, 边缘较为圆滑。裂纹的后部处于镀层的缺陷处, 此处基体腐蚀较为严重, 裂纹穿晶向内扩展, 尽管裂纹有分枝, 但主裂纹的走向与拉应力相垂直。并且存在有与主裂纹面大致垂直的近于等间隔的二次裂纹。如图3。应力腐蚀断口的裂纹走向开始是沿晶的, 断裂方式由沿晶解理准解理韧窝断裂。3 奥氏体不锈钢炉体应力腐蚀破裂失效实例分析奥氏体不锈钢是一种性能优良、应用广泛的钢种， 但其抗应力腐蚀性能， 特别是在氯化物中的抗应力腐蚀破裂(SCC) 性能较差。而在实际应用中常常发生由于安装不当， 特别是焊接质量差引起的SCC， 应该引起足够的重视。抚顺石化一套奥氏体不锈钢炉体自从1997年投入使用后， 曾多次发生沿焊接热影响区的断裂事故， 造成了该设备多次停产， 损失很大。厂方虽将原18- 8 换成了316L不锈钢，进行补焊修复， 仍无法阻止断裂事故的发生。2004 年5 月，对该设备第4 次断裂的断口进行了失效分析， 认为该设备的断裂属于SCC， 而安装质量特别是焊接质量差是导致断裂的根本原因。炉体尺寸为直径1000 mm， 长1400mm， 工作环境为富Cl- 溶液。为确定断裂类型及原因，对断口进行了宏观、微观、焊接质量等检测分析。3.1 断口宏观分析该炉体是用不锈钢板卷圆焊接而成的， 原板厚10 mm， 补焊段板厚12 mm。断口位于环焊缝的热影响区， 炉体周长约3140 mm， 裂纹长度约1970 mm， 其余约1170 mm 长的断口为无腐蚀产物、较平直的、光亮的机械失稳断裂断口。从断口上可看出: 裂纹产生于环焊缝的热影响区， 而在母材及焊缝上未发现裂纹， 说明断裂与安装及焊接过程有关; 在纵向焊缝及其热影响区上末发现裂纹， 说明该炉体的断裂问题是可以解决的。3.2断口微观分析图4 是断口的金相照片。裂纹均沿晶发展，呈网状、龟裂形式， 属于典型的晶间腐蚀并导致应力腐蚀破裂断口。由于断口在腐蚀介质中浸泡时间过长， 断口上的腐蚀产物堆积很厚， 故无法用电镜作进一步的断口形貌分析。从金相组织上可以看出， 母材为均匀的奥氏体组织， 而热影响区的组织不均匀并有大量的孪晶存在， 孪晶中存在大量的位错， 这对于应力腐蚀裂纹的产生和扩展都是十分有利的。图4断口的金相照片3.3 接头质量分析由上述分析可知， 断裂可能与安装及焊接质量有很大的关系， 故必须对焊缝质量、焊接工艺、安装质量等作详细分析。3.3.1 焊缝质量及焊接工艺焊接采用手工电弧焊， 国产A042 焊条， 其熔敷金属组织相当于E00- 23- 13Mo2-16， 是一种超低碳不锈钢焊条， 有良好的抗裂性及耐蚀性，主要用于焊接同类型的超低碳不锈钢。从成分对比及防腐焊条的选用准则上看，用A042 焊条焊接316L 基本上是合适的。另外， 奥氏体型焊条熔敷金属的塑性、韧性较高， 这样匹配的接头耐蚀性及抗SCC 性能较好。焊缝金属能谱分析结果表明， 焊缝中w ( Cr)= 22. 7% ， w ( Ni) = 13. 3% ， w ( Mo) = 0. 17%，其中Mo 含量远低于标准要求， 这将大大降低焊缝的抗SCC 性能， 其原因可能是焊条的质量问题。从焊缝的外观上可以很明显地看出咬边、焊缝宽度及余高过大等缺陷。咬边可能是焊接电流过大、焊接速度过慢引起的。焊缝宽度及余高过大说明焊接速度慢、焊条摆动大， 这是造成热影响区组织粗大、SCC 敏感性增加的重要原因。可以看出: 焊缝金属的硬度分布极不均匀， 熔合线附近的硬度最高， 说明焊缝的组织不均匀， 成分偏析严重。因此容易在熔合区产生裂纹。3.3.2 安装质量在炉体内发现沿环焊缝均匀分布有小肋板结构。这可能是在设备安装时起点固作用的， 而在设备安装完毕后没有作必要的处理， 遗留在炉体内。观察发现， 多处肋板的连接焊缝上产生了应力腐蚀裂纹， 且有几块肋板已沿焊缝热影响区发生断裂。这种点固焊缝与环焊缝交叉易产生较大的三轴焊接残余应力， 而且， 与介质接触时，Cl- 很容易在此处聚集， 使焊缝和热影响区处于高浓度的介质中， 更易于产生SCC， 裂纹也易于从此处产生和扩展。防止氯化物应力腐蚀破裂自20 世纪40 年代以来就进行了大量的研究， 避免出现有可能使氯离子聚集的部位是在结构设计上防止氯化物SCC应该首先注意的重要原则之一。焊缝宽度及余高过大， 以及咬边等缺陷也可能引起氯离子的聚集，一定要引起足够的重视。4应力腐蚀断裂的参量及其测定方法4.1 光滑试样恒载荷试验在恒载荷拉伸试验机上, 由砝码通过杠杆系统加载, 在一定的载荷下测定试样的断裂时间, 用以比较材料的应力腐蚀敏感性。测定- t 曲线( 图1) , 求得材料在指定时间内不发生断裂的门槛应力值th。光滑试样恒载荷试验常用于研究不同材料的应力腐蚀敏感性或其它因素对应力腐蚀的影响。4.2 预裂纹试样试验光滑试样恒载荷试验测得的t 值中包括裂纹的生核和扩展, 但在实际工程构件中裂纹源往往早已具备, 应力腐蚀断裂过程中主要是裂纹扩展, 因此预裂纹试样试验可测定应力腐蚀断裂的断裂力学参量和裂纹扩展动力学参量。预裂纹试样试验通常采用悬臂梁试验方法, 试样与测定断裂韧性相同。5 应力腐蚀断裂产生的原因及解决办法表2应力腐蚀断裂原因及解决办法 一定的材料、与之匹配的特定介质和拉应力是发生应力腐蚀断裂的主要因素, 只要三者缺一, 就不会发生应力腐蚀断裂。所以在防止应力腐蚀开裂的工程设计时或对应力腐蚀断裂进行失效分析时, 只要去掉或改变这三要素的一个就能保证设计安全或避免失效。至于改变哪个要素则要根据具体情况予以确定。有些情况下可以改变热处理工艺从而改变材料的组织减小应力腐蚀的敏感性; 有些情况下, 加缓蚀剂或保护层防止应力腐蚀则是改变介质环境的办法; 在设计中避免应力集中, 改善危险截面处的受力情况或应力状况则是在削弱和去掉拉应力上下工夫。在实际生产中, 只要了解应力腐蚀断裂发生的条件和特征, 及时判断并找出引起断裂的原因, 对症下药, 就可以解决危害极大的应力腐蚀断裂问题。参考文献: 1 金属防腐手册编写组. 金属防腐手册 M . 上海: 科学技术出版社, 1989. 486. 2 刘宝俊. 材料的腐蚀及其控制M . 北京: 北京航空天大学出版社, 1989. 95- 106. 3 李金柱. 腐蚀及腐蚀控制手册M . 北京: 国防工业出版社, 1988. 263- 267. 4 FU- 1052 管质量攻关小组. 可伐合金的银铜焊脆裂􀀁 􀀁 􀀁 可伐合金退火温度的影响 J . 科学技术通讯, 1974, ( 1) : 8- 10. 5 孙珍宝. 合金钢手册( 上册) M . 北京: 冶金工业出版社, 1984. 120.