由于不同材料+環(huán)境體系的應(yīng)力腐蝕影響因素是不一樣的,故本節(jié)只介紹奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕的因素,分別從材料、環(huán)境和力學三個方面論述。
1. 材料因素
鉻和鎳是奧氏體不銹鋼的基本元素。其中,鉻與空氣中的氧生成氧化物,提高了鈍化膜的穩(wěn)定性。鎳使不銹鋼內(nèi)部形成穩(wěn)定的奧氏體組織,隨著鎳含量的提高,不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕的能力提高。鉬可以強化不銹鋼基體,當鉬含量小于2.5%時,應(yīng)力腐蝕敏感性隨著鉬含量增加而加大;當鉬含量大于5%時,影響規(guī)律相反。適當?shù)牡啬軌蛱岣邐W氏體不銹鋼組織的穩(wěn)定性,大多數(shù)研究認為氮元素的加入可以減小應(yīng)力腐蝕敏感性,但是也有的研究表明:在氯離子環(huán)境中,奧氏體不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能隨氮含量的增大而降低。硫元素會增加氯脆的敏感性。
材料的耐應(yīng)力腐蝕性能也與晶粒大小、組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。細晶粒可以降低應(yīng)力腐蝕敏感性。奧氏體不銹鋼中少量的鐵素體組織可以提高耐應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)性能;馬氏體組織會增加應(yīng)力腐蝕敏感性,奧氏體不銹鋼中的馬氏體主要是在冷變形、焊接等過程產(chǎn)生的。
2. 環(huán)境因素
環(huán)境對應(yīng)力腐蝕的影響較為復(fù)雜,含鹵素離子的介質(zhì)、高溫純水、硫化物環(huán)境等都能引起奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕。所有的研究一致表明:在相同的條件下,應(yīng)力腐蝕敏感性隨著氯離子含量的增大而升高。在不同的溫度下,存在一定的氯離子臨界濃度。在有些場合,介質(zhì)中氯離子平均濃度很低,但是也會發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象,這主要是由氯離子在局部富集引起的。溫度升高,應(yīng)力腐蝕敏感性增大,但是并不具有線性影響規(guī)律,當溫度較高時,對應(yīng)力腐蝕影響的變化程度減緩。溫度對應(yīng)力腐蝕的影響是因為溫度升高,化學反應(yīng)速率增加,金屬腐蝕速率增加。pH值是影響應(yīng)力腐蝕開裂的另一重要因素,材料內(nèi)應(yīng)力腐蝕性能隨著pH的降低而降低,但當pH<2時,腐蝕類型變?yōu)槿娓g。圖5-6是Truman對溫度、氯離子濃度、pH綜合影響的研究結(jié)果。從圖中可以看出,隨著pH的降低,引起應(yīng)力腐蝕的氯離子臨界濃度降低。介質(zhì)中氧氣濃度升高,SCC敏感性增大。
3. 力學因素
與其他腐蝕類型相比較,應(yīng)力是應(yīng)力腐蝕必不可少的條件。應(yīng)力來源于工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力、熱應(yīng)力及結(jié)構(gòu)應(yīng)力,或者由于腐蝕產(chǎn)物引起的擴張力,一般認為應(yīng)力腐蝕是由拉應(yīng)力引起的,但是也有研究人員認為壓應(yīng)力也可以引起應(yīng)力腐蝕。部分研究者認為,應(yīng)變是控制SCC裂紋萌生與發(fā)展的主因,應(yīng)力增大使應(yīng)變速率增加。焊接殘余應(yīng)力和加工殘余應(yīng)力是引起SCC的主要原因,據(jù)統(tǒng)計,80%的SCC是由殘余應(yīng)力造成的。加工殘余應(yīng)力主要是由沖壓成型、管和筒體冷彎、脹接、擴口等工藝引起的。壓力容器和管道中,焊接部位由于存在焊接殘余應(yīng)力和加工應(yīng)力的疊加,更是應(yīng)力腐蝕易發(fā)生地,某企業(yè)2臺氫化塔發(fā)生應(yīng)力腐蝕的部位如圖5-7所示。
對于圖5-7所示的薄壁內(nèi)壓容器,其環(huán)向和經(jīng)向應(yīng)力可采用回轉(zhuǎn)薄殼的薄膜應(yīng)力分析理論分析,受力圖如圖5-8所示。環(huán)向應(yīng)力。。的計算公式為
在含氯離子環(huán)境中,即使殘余應(yīng)力較小,也可能會引起應(yīng)力腐蝕,這是因為材料表面缺陷容易引起點蝕,點蝕坑會造成應(yīng)力集中,加速裂紋萌生。某一公司的換熱器服役一年多后換熱管因應(yīng)力腐蝕造成泄漏,泄漏部位并不在焊接部位處,如圖5-9所示。
奧氏體不銹鋼換熱管經(jīng)冷拔后,經(jīng)過固溶處理,再通過矯直消除管子的變形,但是矯直處理使管子產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力。表5-1給出了三種材料的管子經(jīng)冷拔-固溶-矯直之后的殘余應(yīng)力值。