奥氏体不锈钢应力腐蚀及防护措施

一般情况下奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性，但在特殊的工况条件下，也会发生应力腐蚀现象，给工程带来极大的安全隐患。论述了奥氏体不锈钢应力腐蚀发生的条件、腐蚀的机理及防护措施，为解决奥氏体不锈钢应力腐蚀失效的问题提供了依据。

奥氏体不锈钢因为具有优良的机械性能及可焊性，同时还有其它普通金属不可比拟的耐腐蚀性能，而成为石油化工行业中重要的耐腐蚀材料。奥氏体不锈钢耐腐蚀是由于在其表面生成了一层极薄的、粘着性好的、半透明的氧化铬薄膜。Cr和Ni是不锈钢具有耐腐蚀性能最主要的合金元素。Cr和Ni使奥氏体不锈钢在氧化性介质中生成一层十分致密的氧化膜，使其钝化，降低了不锈钢在氧化性介质中的腐蚀速度，使不锈钢的耐腐蚀性能提高。这层膜一旦遭到机械损伤而破坏，钢中的铬与大气中的氧发生化学反应就能迅速地使其恢复。但不锈钢的耐腐蚀性能是有针对性的，即在空气、水、中性溶液等介质中是稳定的，而在其它介质中则有可能发生腐蚀破坏。据统计，在设备腐蚀中，奥氏体不锈钢的腐蚀约占各种腐蚀的1/2，而奥氏体不锈钢材料的应力腐蚀现象，又占所有材料应力腐蚀的2/3以上。

应力腐蚀指金属在拉伸应力和特定的腐蚀介质联合作用下发生的低应力脆性断裂。应力腐蚀开裂是一种腐蚀速度快、破坏严重，且往往在没有明显宏观变形及在金属表面无腐蚀的情况下，发生的突发性低应力脆断，由于这种脆断的突然性和不可预测性，因而具有相当大的危险性。

1 产生条件

应力腐蚀破裂是拉应力与腐蚀因素共同作用产生的。一般情况下，构成应力腐蚀断裂应具备3个条件：（1）特定材料具有一定化学成分和组织结构的不锈钢，在一些介质中对应力腐蚀敏感；（2）足够大的拉伸应力生产制造过程中及产品的结构设计不合理等而造成的残余拉应力，拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件；（3）特定的腐蚀环境只有在一定的材料——介质的组合条件下才会发生应力腐蚀断裂。

2 产生机理

01 应力腐蚀破裂过程

应力腐蚀破裂的过程可分为3 个阶段：第一阶段为腐蚀引起裂纹或蚀坑的阶段，即导致应力集中的裂纹源生核孕育阶段，常称之为潜伏期或诱导期；第二阶段为裂纹扩展阶段，即由裂纹源或蚀坑发展到单位面积所能承受最大载荷的所谓极限应力值时的阶段；第三阶段是失稳纯力学的裂纹扩展阶段，即破裂期。第一阶段受应力的影响性相对较小，但时间较长，约占破裂总时间的90％。

图1 应力吸附开裂过程

02 应力腐蚀机理

就应力腐蚀的机理来说，目前尚处于研讨阶段。目前已得出多种理论，各种理论又有各自适应的组合情况，可归结为3个方面：

环境因子方面的假设和理论

（1）电化学腐蚀理论该理论用来解释沿晶型应力腐蚀比较合适，认为晶界比晶粒内的晶面具有较高能量，形成阴极、阳极，组成了电化学腐蚀的原电池。

（2）应力吸附理论认为应力腐蚀断裂的产生是由于金属（或合金）表面吸附了特殊离子，使其表面能降低，使材料破坏所需的应力降低。

图2 应力吸附开裂

（3）表面膜破裂理论该理论认为金属（或合金）表面的保护膜尤其是晶界处在腐蚀过程中不断被破坏，而使腐蚀裂纹发展直至破坏。

（4）腐蚀产物的楔入效果理论金属（或合金）的腐蚀产物在扩展裂纹尖端的后面阴极区沉积，对裂纹起楔子作用，造成了应力；当沉积物造成的应力达到临界值后使裂纹向前扩展；新产生的裂纹又吸入了电解质溶液，使裂纹尖端阳极腐蚀继续进行，这就产生了更多的可溶性金属离子，这些离子扩散至阴极区并生成金属氧化物等沉积下来，这又引起了裂纹向前扩展，如此反复，直至破裂。

 金属因子方面的假设和理论

（1）位错理论材料的应力腐蚀断裂敏感性与材料中的位错分布有关。

（2）析出理论在产生应力腐蚀的环境中，材料由于受应力或腐蚀反应的结果，使得某些部位上产生了某种析出，该电位降低成为阳极，造成了腐蚀的敏感环境。

（3）滑移阶梯理论材料产生应力腐蚀必须具有某种程度的塑性变形，从而使材料的表面出现滑移阶梯，破坏金属表面保护膜，产生新的活性区。在介质中，这些活性区与其它有完整保护膜的地方形成小阳极大阳极，加快了破坏进程。

（4）隧洞腐蚀理论在产生应力腐蚀的环境中，金属（或合金）沿某一滑移面上的一定方向生成腐蚀孔并延伸成隧洞状，在应力作用下，隧洞互相连接，使截面减少，应力逐渐增高超过了屈服极限甚至达到强度极限直至破坏。

应力因子方面的假设和理论

该理论要点为，在应力作用下腐蚀反应生成的氢扩散到正在扩展的裂纹前缘，在该处形成与应力方向垂直的高活化的氢化物或氢-应变铁素体（或bccα‘、α’马氏体），使该处金属脆变。随着应力腐蚀的进行，氢不断产生与扩散至裂纹尖端，裂纹就持续向前扩展。金属腐蚀断裂的引发与扩展，是沿着氢在钢中扩散和反应所形成的敏感途径进行的。

3 防护措施

01 选用具有抗应力腐蚀的不锈钢材料

近年来发展了多种耐应力腐蚀的不锈钢，主要有高纯奥氏体铬镍钢、高硅奥氏体铬镍钢、高铬铁素体钢和铁素体-奥氏体双相钢。其中，以铁素体-奥氏体双相钢的抗应力腐蚀能力最好。

02 改进设计结构

尽量避免结构形状的突变，以减少局部高应力，接管端部应打磨圆角，呈圆滑过渡，对连接点宜选用较大的圆角和平滑度。

03 消除应力处理

焊后热处理是减少残余应力的有效方法，通常的消除应力热处理的温度对奥氏体钢都不合适，由于正好处于奥氏体钢的敏化区，所以必须提高热处理温度到900 ℃左右才能达到良好的消应力效果。由于这温度和含稳定化元素的奥氏体钢的稳定化处理温度一致，在该温度下处理可达到一举两得的效果。

此外，还可在其表面采用喷丸处理，施加一定的压应力，使之与产生的拉应力相抵消。

04 采用电化学方法防护

采用外加电流的阴极保护或牺牲阳极阴极保护的方法可以防止应力腐蚀，而且在裂纹形成后还可使其停止扩展。

05 添加缓蚀剂

在工艺条件许可的情况下，通过添加一定量的缓蚀剂，也可在一定程度上达到延缓奥氏体不锈钢应力腐蚀速度的效果。

4 结语

腐蚀与防护是一门独立的学科，它是研究结构材料的腐蚀过程和腐蚀控制机理，采取措施延长结构材料使用寿命的一门学科。正确选用材料和采取适用的防护措施对延长设备使用寿命是十分有意义的。

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