材料失效
之金属材料应力腐蚀失效分析论文
材料失效分析课程设计论文
摘 要
关键词: 应力腐蚀断裂; 应力腐蚀敏感性;
This the cause material corrosion and It and challenges, domestic development of
Key: Material corrosion Types of corrosion Corrosion mechanism
Research
目 录
材料腐蚀的危害和研究和科学意义...................................... 5
1发生应力腐蚀的条件 6
1.1特定的腐蚀介质6
1.2 一定的拉应力 7
1.3 材料的成分和组织状态 7
2 应力腐蚀断裂的特征8
2.2断口外观特征8
2.3断口形貌8
2.4裂纹特征9
3 .......................... 9
3.1 9
10
10
.................................... 11
3.3.2 安装质量.............................................. 11
4应力腐蚀断裂的参量及其测定方法 ................................... 12
4.1 光滑试样恒载荷试验 ......................................... 12
4.2 预裂纹试样试验 ............................................. 12
5 应力腐蚀断裂产生的原因及解决办法................................. 12
参考文献:.......................................................... 14
材料腐蚀的危害和研究和科学意义
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。后出现了应力腐蚀断裂的问
。由于现代工业的发展, , 应力腐蚀的问题日益突出。应力腐蚀、裂事故的主
要原因。故的发生, 我们做了大量的工作,
20世纪50年因为所以金属腐蚀还是最引人注意的问题之一。有人统计每年全
世界腐蚀报废的,,40%。而且随着工业化的进程,腐蚀问题日趋严(材料消耗和腐
蚀)为50亿美元,1975年达700亿美元,到1680亿美元,与1949年相比增加了
80余倍。估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备相当于年产量的30%。显然,
金属构件的毁坏,其价值远比金属材料的价值大的多;发达国家每年因腐蚀造成
的经济损失约占国民生产总值的2-4%;美国每年因腐蚀要多消耗3.4%的能源;
我国每年因腐蚀造成的经济损失至少达二百亿。腐蚀的巨大危害不仅体现在经济
损失上,它还会带来惨重
的人员伤亡、环境污染、资源浪费、阻碍新技术的发展、促进自然资源的损耗。
而且腐蚀也是引起设备失效的主要原因(如下图)。
据估计全世界第年因腐蚀报废的钢铁占年产量的30%每年生产的钢铁约10%
完全成为废物。实际上,由于腐蚀引起工厂的停产、更新设备、产品和原料流失、
能源的浪费等间接损失远比损耗的金属材料的价值大很多。各工业国空每年因腐
蚀造成的经济损失约占国民生产总值的1%—4%25%上可以通过有效的防腐措
施来加以解决的。
因此,响,能够促进学科的发展,研究材料腐蚀具有重大的科学意义。
11.1, 才会发生应力腐蚀断裂。
1为各种
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
。
1应力腐蚀断裂的特征曲线
1.3
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, 棕红色锈斑出现的时间越早, , 并非所有锈斑都均匀长大, ,
2.3断口形貌
解理区、过渡区和韧窝区。应力高, 应力低的试样则相反, 过, 其解理区的花样如图2。从断口宏观
图2应力腐蚀断裂解理区的花样X2000 图3 裂纹特征X150
2.4裂纹特征
, 深入到基体3 奥氏体不锈钢是 应力腐蚀断裂裂纹深、宽比相当大, 前端尖细
一种性能优良、 特别是在氯化物中的抗应力腐蚀破裂于安装不当, ,
曾多次发生沿焊 损失很大。厂方虽将原18- 8 换成了 仍无法阻止断裂事故的发生。2004 年5 认为该设备的断裂属于SCC1000 mm,, 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 属于典 断口上的腐蚀产物堆积很厚, 组织上可以看出, 量的孪晶存在, 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, 高, 这样匹配的接头耐蚀性及抗SCC 焊缝中w ( Cr)= 22. 7% , w ( Ni) = 13. 3% ,Mo 含量远低于标准要求, 这将大大降低焊缝的抗SCC 的质量问题。
咬边可能是焊接电流过大、慢、焊条摆动大, SCC 敏感性增加的重要原因。
可以看出: 熔合线附近的硬度最高, 说明焊缝
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, , 的断裂时间, σ( 图1) , 求得σ。素对应力腐蚀的影响。
4.2 值中包括裂纹的生核和扩展, 但在实际工程构件, 因此预裂纹试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
素, 只要三者缺一, 就不会发生应力腐蚀断裂。设计时或对应力腐蚀断裂进行失效分析时能保证设计安全或避免失效。有; 有些情况下, ; 在设计中避免应力集中应力上下工夫。, , 及时, 就可以解决危害极大的应力腐蚀断裂
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: , 1989. 95- 106.
[ 3] 李金柱. 腐蚀及腐蚀控制手册[M] . 267.
[ 4] FU- 1052 可伐合金退火温度的影响[ J] . [ 5] 孙珍宝. ( 冶金工业出版社, 1984. 120.