奧氏體不銹鋼應力腐蝕及防護措施

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，也會發(fā)生應力腐蝕現(xiàn)象，給工程帶來極大的安全隱患。論述了奧氏體不銹鋼應力腐蝕發(fā)生的條件、腐蝕的機理及防護措施，為解決奧氏體不銹鋼應力腐蝕失效的問題提供了依據。

奧氏體不銹鋼因為具有優(yōu)良的機械性能及可焊性，同時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。這層膜一旦遭到機械損傷而破壞，鋼中的鉻與大氣中的氧發(fā)生化學反應就能迅速地使其恢復。但不銹鋼的耐腐蝕性能是有針對性的，即在空氣、水、中性溶液等介質中是穩(wěn)定的，而在其它介質中則有可能發(fā)生腐蝕破壞。據統(tǒng)計，在設備腐蝕中，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力腐蝕現(xiàn)象，又占所有材料應力腐蝕的2/3以上。

應力腐蝕指金屬在拉伸應力和特定的腐蝕介質聯(lián)合作用下發(fā)生的低應力脆性斷裂。應力腐蝕開裂是一種腐蝕速度快、破壞嚴重，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)性低應力脆斷，由于這種脆斷的突然性和不可預測性，因而具有相當大的危險性。

1 產生條件

應力腐蝕破裂是拉應力與腐蝕因素共同作用產生的。一般情況下，構成應力腐蝕斷裂應具備3個條件：（1）特定材料具有一定化學成分和組織結構的不銹鋼，在一些介質中對應力腐蝕敏感；（2）足夠大的拉伸應力生產制造過程中及產品的結構設計不合理等而造成的殘余拉應力，拉應力是產生應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——介質的組合條件下才會發(fā)生應力腐蝕斷裂。

2 產生機理

01 應力腐蝕破裂過程

應力腐蝕破裂的過程可分為3 個階段：第一階段為腐蝕引起裂紋或蝕坑的階段，即導致應力集中的裂紋源生核孕育階段，常稱之為潛伏期或誘導期；第二階段為裂紋擴展階段，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力值時的階段；第三階段是失穩(wěn)純力學的裂紋擴展階段，即破裂期。第一階段受應力的影響性相對較小，但時間較長，約占破裂總時間的90％。

圖1 應力吸附開裂過程

02 應力腐蝕機理

就應力腐蝕的機理來說，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的組合情況，可歸結為3個方面：

環(huán)境因子方面的假設和理論

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

（2）應力吸附理論認為應力腐蝕斷裂的產生是由于金屬（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力降低。

圖2 應力吸附開裂

（3）表面膜破裂理論該理論認為金屬（或合金）表面的保護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）腐蝕產物的楔入效果理論金屬（或合金）的腐蝕產物在擴展裂紋尖端的后面陰極區(qū)沉積，對裂紋起楔子作用，造成了應力；當沉積物造成的應力達到臨界值后使裂紋向前擴展；新產生的裂紋又吸入了電解質溶液，使裂紋尖端陽極腐蝕繼續(xù)進行，這就產生了更多的可溶性金屬離子，這些離子擴散至陰極區(qū)并生成金屬氧化物等沉積下來，這又引起了裂紋向前擴展，如此反復，直至破裂。

 金屬因子方面的假設和理論

（1）位錯理論材料的應力腐蝕斷裂敏感性與材料中的位錯分布有關。

（2）析出理論在產生應力腐蝕的環(huán)境中，材料由于受應力或腐蝕反應的結果，使得某些部位上產生了某種析出，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生應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，破壞金屬表面保護膜，產生新的活性區(qū)。在介質中，這些活性區(qū)與其它有完整保護膜的地方形成小陽極大陽極，加快了破壞進程。

（4）隧洞腐蝕理論在產生應力腐蝕的環(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，在應力作用下，隧洞互相連接，使截面減少，應力逐漸增高超過了屈服極限甚至達到強度極限直至破壞。

應力因子方面的假設和理論

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

3 防護措施

01 選用具有抗應力腐蝕的不銹鋼材料

近年來發(fā)展了多種耐應力腐蝕的不銹鋼，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力腐蝕能力最好。

02 改進設計結構

盡量避免結構形狀的突變，以減少局部高應力，接管端部應打磨圓角，呈圓滑過渡，對連接點宜選用較大的圓角和平滑度。

03 消除應力處理

焊后熱處理是減少殘余應力的有效方法，通常的消除應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 ℃左右才能達到良好的消應力效果。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，施加一定的壓應力，使之與產生的拉應力相抵消。

04 采用電化學方法防護

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

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到延緩奧氏體不銹鋼應力腐蝕速度的效果。

4 結語

腐蝕與防護是一門獨立的學科，它是研究結構材料的腐蝕過程和腐蝕控制機理，采取措施延長結構材料使用壽命的一門學科。正確選用材料和采取適用的防護措施對延長設備使用壽命是十分有意義的。

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