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焊接变形 1. 影响工件形状、尺寸精度 2. 影响组装质量3. 增大制造成本———矫正变形费工、费时4. 减少承载能力———变形产生了附加应力焊接应力 1. 减少承载能力 2. 引发焊接裂纹，甚至脆断3. 在腐蚀介质中，产生应力腐蚀裂纹4. 引发变形焊接应力{ 焊接加热时，焊缝区受压力应力（因膨胀受阻，用符号“-”表达）远离焊缝区手拉应力（用符号“+”表达）焊后冷却时，焊缝受拉应力（因收缩受阻），远离焊缝区受压应力焊接变形：当焊接应力超出金属 σs 时，焊件将产生变形焊接应力和焊接变形总是同时存在，不会单独存在，当母材塑性较好，构造刚度较小时，焊接变形较大而应力较小；反之，则应力较大而变形较小。
4.2.3 焊接变形的控制和矫正：4.2.3.1 焊接变形的基本形式，如图 6-2-9 4.2.2 焊接变形和应力的产生因素：根本因素：对焊件进行的不均匀加热和冷却，如图 6-2-8 焊接应力与变形：4.2.1 焊接变形和残存应力的不利影响：{ {如图 6-2-9 常见的焊接残存变形的类型1、2---纵向收缩量 3---横向收缩量 4、5---角变形量 f---挠度（1）收缩变形：即焊件沿焊缝的纵向和横向尺寸减少，是由于焊缝区的纵向和横向收缩引发的。
如图 5-2-9 a（2）角变形：即相连接的构件间的角度发生变化，普通是由于焊缝区的横向收缩在焊件厚度上分布不均匀引发的。
如图 5-2-9b（3）弯曲变形：即焊件产生弯曲。
普通是由焊缝区的纵向或横向收缩引发的。
如图 5-2-9c（4）扭曲变形：即焊件沿轴线方向发生扭转，与角焊缝引发的角度形沿焊接方向逐步增大有关。
如图 5-2-9d（5）失稳变形（波浪变形）：普通是由沿板面方向的压应力作用引发的。
如图 5-2-9e4.2.3.2控制焊接变形的方法（1）设计方法（详见焊接构造设计）尽量减少焊缝的数量和尺寸，合理选用焊缝的截面形状，合理安排焊缝位置──尽量使焊缝对称或靠近于构件截面的中性轴（以减少弯曲变形）。
管线用厚钢板的应力腐蚀问题与预防措施在石油、天然气和化工工业等领域中，管线系统扮演着至关重要的角色。
为了保障管道的安全可靠运行，厚钢板是常见的管道材料之一。
然而，管线用厚钢板在长期使用过程中面临应力腐蚀问题，对管道的性能和寿命产生了影响。
本文将从应力腐蚀的机理分析、常见问题及其影响、预防措施等方面来讨论管线用厚钢板的应力腐蚀问题。
首先，让我们了解一下应力腐蚀的机理。
应力腐蚀是一种特殊的腐蚀形式，它是由于在介质中存在应力和腐蚀性物质的共同作用下引起的。
在管线使用过程中，由于外部环境和介质的影响，厚钢板中会受到各种应力的作用。
当介质中存在一定的腐蚀性物质时，应力和腐蚀性物质共同作用下，会导致管线表面的金属材料发生腐蚀现象，进而引起管道的损坏。
应力腐蚀对管道的影响是非常严重的。
首先，应力腐蚀会导致管道的机械性能下降。
在应力腐蚀作用下，厚钢板的内部应力会逐渐积累，降低了材料的强度和韧性。
这将直接影响管道的承载能力，增加了管道发生泄漏或破裂的风险。
其次，应力腐蚀还会引起管道的局部腐蚀和蚀坑形成，进而加速材料的疲劳开裂。
这些开裂往往发生在管道的应力集中区域，如焊缝附近，从而增加了管道失效的可能性。
针对管线用厚钢板的应力腐蚀问题，我们可以采取一系列的预防措施。
首先，合理选择材料是关键。
在设计和选择管线材料时，我们应根据介质的特性和管道使用条件来选取合适的厚钢板材料。
材料的抗应力腐蚀性能是非常重要的，特别是在存在腐蚀性介质的情况下。
其次，正确进行环境和介质的评估。
在管道施工前，应充分了解和评估管道所处的环境条件和介质特性。
这些评估结果为后续的防腐措施提供了依据。
其次，采取有效的防腐方法是必不可少的。
在厚钢板生产过程中，应加强材料的防腐处理。
例如，在表面处理过程中可以采用喷砂、除锈和热镀锌等方法，提高钢板的抗腐蚀能力。
此外，对于一些特殊介质条件下的管道，可以考虑采用内衬或外包覆的方式来增加管道的抗腐蚀性能。
内衬可以采用耐腐蚀涂层或合金钢制造的衬套管实现，而外包覆一般采用聚乙烯或环氧树脂等材料进行覆盖。
焊缝应力腐蚀裂纹的原因分析及控制措施王建【摘要】发生应力腐蚀时外观无变化,裂纹发展迅速且预测困难,对设备的安全运行带来了威胁,因而更具有危险性.本文介绍了应力腐蚀裂纹的特征、产生原因及防止措施.【期刊名称】《金属加工：热加工》【年(卷),期】2010(000)010【总页数】3页(P61-63)【作者】王建【作者单位】陕西省质量技术监督局特种设备安全质量监督检测中心,西安710048【正文语种】中文随着石油、化工、制药、机械、建筑、造船及电力等工业的发展，要求焊接接构在腐蚀介质条件下能够长期稳定工作，与此同时，对应力腐蚀所造成的各类设备失效事故，越来越引起人们的重视。
如大桥钢梁在含硫化氢的大气中受应力腐蚀而断裂，飞机起落架因应力腐蚀而断裂，输油管路在含硫化氢的介质下受应力腐蚀而破裂等等。
据统计日本化工设备所发生的破坏事故，50%属于应力腐蚀破坏事故，我国的各类化工球罐发生的破坏事故40%也是属于应力腐蚀破坏事故。
自1938年发生比利时哈塞尔特的全焊空腹桁架桥破坏到1960年止，除船舶外，世界各地至少发生过40起引入注目的大型焊接结构破坏事故。
应力腐蚀裂纹是由于应力和腐蚀介质二者结合造成的。
所以，只要消除应力和腐蚀介质两者中的任何一个因素，便可以防止裂纹的产生。
引起应力腐蚀的条件有两个，一是应力，二是腐蚀介质。
金属或合金在拉伸应力的作用下，在特定的腐蚀环境中，材料虽然在外观上没有多大变化，没有产生全面腐蚀或明显变形，但却产生了裂纹，这种裂纹就是应力腐蚀裂纹。
应力腐蚀裂纹从表面看，裂纹的分布如同疏松的网状或龟裂的形式，多以横向裂纹出现；从内部看，其形态呈枯枝状、锯齿状；从断口形态看，断口表面与主应力方向垂直，断面较粗糙且呈放射状，无宏观塑性变形。
应力腐蚀与全面腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀不同，它有自己的显著特征。
产生应力腐蚀的金属材料主要是合金，纯金属较少。
引起应力腐蚀裂纹主要是拉应力，压应力虽然也能引起应力腐蚀，但并不明显。
分析管道施工焊接缺陷及控制摘要：焊接技术已成为发展工程结构的强有力的技术手段，影响焊接质量控制的不利因素较多，在焊接质量管理与控制上存在一定的难度。
但是焊接质量的好坏直接关系到设备生产的安全运行和使用寿命，因此，对于焊接工作者对于常见焊接缺陷的成因一定要十分清楚，并且及时采取措施进行预防。
关键词：管道；焊接施工；焊接缺陷；防治要点1 引言管道的使用可靠性和承载能力在很大程度上取决于它的焊接接头质量。
焊接接头的缺陷和近缝区偏离给定的性能、形状和连续性取决于采用的焊接工艺、焊工熟练程度、焊接材料与基体金属的匹配程度和他们焊前的准备情况、焊接条件和对接焊工艺规格及技术的遵守程度。
2 管道缺陷的预防措施分析管道在焊接的过程中容易出现各类的问题，及时做好管道焊接的预防工作，有助于进一步降低缺陷产生的概率，从而保障管道的正常工作。
首先，加强施工人员的素质培养。
施工人员是直接操作焊接过程的员工，他们自身的操作水平直接关系到焊接的质量，因而需要不断加强员工的技能培训和提升他们的综合素质。
其次，加强对焊接的管道的质量检验。
从多方面检验焊接的质量，保障管道的正常使用。
现如今的质量检验主要采取焊缝无损检测和管道耐压检测这两种方法。
焊缝无损检测使用的是X 射线探伤和超声波探伤相结合的测试方法。
3 裂纹病害及控制措施2.1 结晶裂纹结晶裂纹形成于焊缝凝固过程中，呈弧形或纵向分布，是一种常见的热裂纹，它主要是焊缝凝固时的组织成分和先后时间顺序不同造成的，本质上来讲结晶裂纹的产生就是外界应力太大、冷却速度过快（速度快容易造成结晶成分的偏析）、熔池中的杂质太多三个因素综合造成的。
3.2 延迟裂纹延迟裂纹是一种冷裂纹，它不是出现在焊接过程中，而是在焊接结束后几个小时或几天以后才出现，并且时间越久裂纹越长，它的产生因素较多，一般取决于焊缝中的氢含量、焊接连头承受的应力、母材的淬硬倾向三个方面。
氢含量方面：氢是高强钢焊接中产生冷裂纹的关键因素，由于焊接时电弧温度很高，使坡口的赃物、空气、焊材中的水分分解，形成氢离子或者氢原子分布于焊缝熔池中，在熔池焊道冷却后，没有逸出的氢便以饱和态保存在焊缝中。
第四章!焊接结构的应力腐蚀破坏第一节!应力腐蚀破坏概述一!应力腐蚀及焊接结构的应力腐蚀破坏!%"应力腐蚀及其引起的破坏!应力腐蚀破坏常简称为W11#又简称为应力腐蚀#它是指材料或结构在腐蚀介质和静拉伸应力共同作用下引起的断裂$在环境!此处为腐蚀环境"介质和载荷共同作用下的破坏还有腐蚀疲劳#它是指腐蚀介质与循环应力共同作用而产生的断裂现象$从严格意义上讲#绝大多数疲劳破坏也都是腐蚀疲劳$本节主要讨论应力腐蚀$应力腐蚀破坏一般都是在特定的条件下发生的#这些条件可以归纳为%(!有拉伸应力存在$这种拉伸应力可以是外加载荷引起的#也可以是残余应力#例如焊接残余应力&装配应力&热应力等$在一般情况下#发生应力腐蚀时的拉伸应力都很低#如果没有腐蚀介质的共同作用#该构件可以在该应力水平下长期工作而不发生断裂$ )!发生应力腐蚀的环境总是存在腐蚀介质$这种腐蚀介质一般都很弱#如果没有拉伸应力同时作用#材料或构件在这种介质下的腐蚀的速度很慢$产生应力腐蚀的介质一般都是特定的$也就是说#每种材料只对某些介质敏感#而这些介质对其他材料可能没有明显作用$如黄铜在氨气中#不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中都容易发生应力腐蚀$但反过来#不锈钢对氨气&黄铜对具有氯离子的介质就不敏感$表’"%列出了工业上常用金属材料相应的应力腐蚀敏感介质$*!一般只有合金才会产生应力腐蚀#纯金属不会发生这种现象$合金也只有在拉伸应力及特定的腐蚀介质联合作用下才会发生应力腐蚀破坏$!&"焊接结构的应力腐蚀!由于焊接过程中的不均匀加热等因素#使得焊接结构存在残余应力#其拉伸残余应力和腐蚀介质共同作用#就可导致焊接结构的应力腐蚀破坏$表’"%!常用金属材料与发生应力腐蚀的环境材!!料环!境!介!质!碳钢和低合金钢!E U!"&1E"&T&W&T&U"1U"1U&&U T"&海水&工业大气&熔化的锌&锂等!不锈钢!1D"&1T"&T&W&海水&海洋大气等!铝合金!潮湿空气&海洋和工业大气&E/1D&水银等!镍基合金!熔化的氢氧化物&T>&水蒸气&含有微量的U&或.6的高温水&熔化铅等’$&4’材!!料环!境!介!质!镁合金!E/1D!>"!蒸馏水!工业大气等!钛合金!T1D!甲醇!固体镉!水银!湿气等钢制压力容器和其他焊接结构"由应力腐蚀导致的破坏现象相当普遍"造成的后果也相当严重#而由焊接残余应力引起的结构应力腐蚀破坏事故占绝大多数"可达4)2左右#并且绝大多数破坏是发生在焊缝附近"特别是焊接热影响区中#另外"弧坑!打弧及电弧擦伤等部位都会诱发应力腐蚀开裂#现场组装焊缝!未经消除应力处理的修补焊缝也是发生应力腐蚀开裂最严重的区域#显然"焊接残余应力和组装时的拘束应力提供了应力腐蚀开裂的应力条件"而焊接缺陷又助长了应力腐蚀开裂的发生#二!焊接结构的应力腐蚀破坏事例应力腐蚀破坏是危害最大的腐蚀形态之一"它是一种灾难性腐蚀#因为它是一种事先不易察觉的脆性断裂"即它使金属结构等突然破坏"会引起各种不幸事故"如爆炸!火灾!环境污染等#据统计"美!英原子能容器及配管破坏事故%$!以上是由应力腐蚀引起的#据德国一家大化工厂统计"%(,4!%($&年间"在全部设备的腐蚀破坏事故中"应力腐蚀破坏超过总数的%$’#在日本"%(,#!%($#年间化工设备所发生的破坏事故中有近半数属于应力腐蚀破坏#我国的各类球罐"从%($#!%($(年所发生的&)起球罐破坏事故中"有’)2是由应力腐蚀引起的#下面是几个典型事例#美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的一座桥梁"于%(,$年%&月的一天突然塌陷"当时正在过桥的车辆连同行人坠入河中"死亡’,人#事后由专家检查#发现"钢梁因应力腐蚀和腐蚀疲劳的共同作用"产生了裂纹而断裂#据认为"引起应力腐蚀的环境是大气中含有微量的W U&或T&W#美国路易斯安那州的输气管线和沙特阿拉伯东部阿卜凯克油田的油井管线"分别于%(,#年!月和%($$年’月"由于管道应力腐蚀破裂泄漏气油"而发生大火"死亡多人"并造成巨大损失#%(,&年&月日本川崎工厂一台容积为&)))5!"材料为T04)"板厚为%,3#55的球罐"投产后仅&)天就在环缝上产生了应力腐蚀裂纹#此外还有一台#))5!"采用T0$)制造的球罐"用了仅%&天就由应力腐蚀引起了破裂#它们都是在T&W 介质里引起的应力腐蚀#我国北京某厂用455厚的%,-=钢板制作了一台6&#))H#)$)55的E/U T贮罐"使用仅!&天就发生了破裂"经多次补焊"越补越裂"最后报废#上海某化工厂用%&55厚的锅炉钢板制作的高位槽"使用仅&周"就在焊缝热影响区部位破坏#南京某化肥厂由法国引进的大型合成氨装置中的高压热交换器管束运转’)天就发现泄漏#天津某厂的%)))5!球罐也只使用了两个月"就在焊缝附近发现多处裂纹#由以上事故例子可见"应力腐蚀和腐蚀疲劳破坏在石油化工容器!管道!桥梁!贮罐及%4&4%其他焊接结构!如海洋平台"导管架"船舶"建工建筑物及核容器等上都会经常发生#因此!应力腐蚀破坏也应是我们高度重视的问题之一#第二节!应力腐蚀断裂的过程及断口特征一!应力腐蚀断裂的过程应力腐蚀断裂的过程也是一种形核及长大的过程#如果金属材料的表面没有预先存在的裂纹或其他缺陷!并被氧化膜覆盖!则应力腐蚀断裂过程如图’"%所示#首先!金属材料在拉应力及腐蚀介质的共同作用下!金属表面的氧化膜局部受到破坏!即氧化膜局部穿透!然后在腐蚀介质的继续作用下!氧化膜局部穿透处形成腐蚀坑孔!其本身就是一种形核及长大的过程!当应力腐蚀裂纹长大到足够的长度且应力并未松弛时!将产生失稳扩展!剩余的部分以很高的速度$约为%%!声速&断裂#在发生快速断裂之前!应力腐蚀裂纹究竟扩展到什么程度!取决于应力的大小及材料的断裂韧度#环境介质对于最终的快速断裂并无影响#图’"%!应力腐蚀断裂过程示意图应力腐蚀断裂过程可归纳为四个阶段’(!氧化膜破裂()!形成腐蚀坑孔(*!应力腐蚀开裂裂纹的形核及长大(+!最终断裂#二!应力腐蚀断裂的机理由于影响应力腐蚀的因素众多而复杂!迄今还没有得出一个完整的断裂机理#一些人认为!不可能有一个适应各种体系的统一的理论!对每一种)材料"环境*的特定体系都各有其特定的机理#又有一些人认为!每一体系既会有其特性!也必有其共性!有必要将其共性总结归纳为一项统一的规律!这也是完全可能的#相信不久会得出最后满意的结果#目前关于应力腐蚀机理有着多种不同的看法!从最早的电化学腐蚀和活性通路理论开始!到膜破裂理论"腐蚀产物楔入理论"氢脆理论"化学脆化"机械破裂两阶段理论和吸++(4&附理论等!下面仅对通常应用的活性通路"电化学理论作一简介!"活性通路#就是在合金中存在一条易于腐蚀的$大致是连续的路线!活性通路可由下列不同的原因所构成%合金成分和微结构的差异&如多相合金和晶界的析出物等’由于局部应力集中及由此产生的应变引起的阳极晶界区’由于应变引起表面膜的局部破裂’由于塑性变形引起的阳极区等!因此活性通路可能是预先存在于合金内&如由固溶冷却$或其后经热处理或时效处理&使新相析出或引起成分的不均一’它也可能事先不存在&只是由于在腐蚀破裂过程中&应力使裂纹尖端产生塑性应变而析出阳极等!在腐蚀环境中&当活性通路与周围的主体结构产生相适应的电位关系&即活性通路成为阳极时&电化学腐蚀就沿着这条路线进行!这条路线很窄&窄缝前缘的曲率半径可能只有原子大小!它可能沿着晶界&如铝合金和黄铜’也可能穿过晶粒&如奥氏体不锈钢和镁合金!开始可能有几条缝&但通常只有一条最尖锐&最深入!当应力腐蚀敏感材料置于腐蚀介质中(见图’"&/)时&首先在金属的表面形成一层保护膜&它阻止腐蚀的进行&即所谓"钝化#(见图’"&6)!拉伸应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部区域的保护膜破裂&破裂处金属表面直接暴露在腐蚀介质中&对于未被破坏的钝化表面来说&该处的电极电位低&成为微电池的阳极&金属就会成为离子被溶解下来&产生阳极溶解(见图’"&7)!由于阳极比阴极面积小得多&所以阳极电流密度很大&溶解速度很快!腐蚀到一定程度后又形成新的保护膜(见图’"&8)&但在拉伸应力作用下&保护膜重新破坏&促使裂纹扩展&发生新的阳极溶解(见图’"&?)&随后又重新形成保护膜(图’"&^)!保护膜反复形成&反复破裂的过程就会使某些局部区域腐蚀加深成为沟形裂纹!在裂纹向深处发展时&应力即集中于裂纹尖端&在附近区发生塑性变形&从而又加速了阳极溶解&同时&裂纹两侧因有效应力很快消失&可以生成钝化膜而成为阴极部分!这样&在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下&通过电化学过程&裂纹不断迅速地向前扩展&并最终导致金属破裂!前述的应力腐蚀型(阳极溶解与活性通路型)是金属阳极溶解!而氢脆则是由于阴极反应所产生的氢为金属吸咬而造成的脆性!但二者都是电化学腐蚀造成的开裂!前者又称应力$阳极开裂&后者称应力"阴极开裂!在很多情况下&应力腐蚀与氢脆是共存的!三!应力腐蚀断裂的断口特征应力腐蚀断裂的断口特征比较复杂!它与材料的晶体结构$力学性能$合金成分$热处理状态$环境气氛$温度以及应力状态有关!它大多呈现脆性断口&有时也可看到延性断口&而破断方式既可是晶间的&也可是穿晶的!(%)应力腐蚀断口的宏观特征!应力腐蚀裂源常常发生于金属材料的表面&由于电化学作用在往在裂源处形成腐蚀坑!在一般情况下&应力腐蚀裂源经常是多源的&这些裂纹在扩展的过程中发生合并&形成台阶或放射状条纹等形貌!裂纹的扩展部分具有明显的放射条纹&其汇聚处为裂源&其放射方向为裂纹的扩展方向!应力腐蚀断口的宏观形貌呈现脆性断口特征&裂纹以裂源为中心&呈弧形向外扩展&最终断裂部分为撕裂或剪切唇断裂形貌!由于腐蚀介质的作用&在断口上可以看到腐蚀**4!)图’"&!应力腐蚀裂纹的形成及扩展示意图特征或氧化现象!断口表面具有一定的颜色!通常呈现黑色或灰黑色"而最终断裂部分具有金属光泽!很少看到腐蚀或氧化现象发生"#&$应力腐蚀断口的微观特征!应力腐蚀的断裂方式可能是穿晶的!也可能是沿晶的!这将由材料与腐蚀环境来决定"碳钢及低合金钢的应力腐蚀断口大部分是沿晶开裂的!裂纹沿着大致垂直于拉伸应力的晶界延伸"应力腐蚀断裂方式不仅与材料有关!而且还与介质有关"碳钢在E U !"介质中呈现晶界断裂!而在1E "介质中的穿晶断裂"在含1D"的介质中!铬不锈钢呈现沿晶开裂!奥氏体不锈钢为穿晶断裂"应力腐蚀断口在微观上可以观察到塑性变形特征!即呈现韧窝花样"另外!显微断口还具有腐蚀坑及二次裂纹等形貌特征"对于穿晶型的应力腐蚀断口!往往具有%块状花样&’%泥状花样&’%河流花样&及%扇形花样&等形貌特性!泥纹状断口如图’"!所示"(%!4(图’"!!泥纹状断口!铝合金"第三节!提高结构抗应力腐蚀破坏的途径一!断裂力学在结构抗应力腐蚀中的应用测试材料的抗应力腐蚀性能!传统上通常是用光滑试件在应力和腐蚀介质的共同作用下!依据发生断裂的延迟时间来判断的"并用它研究合金元素#组织结构以及介质等对材料应力腐蚀敏感性的影响"但是!试验表明!一些按传统试验方法得出的结论往往与实际情况发生矛盾!即用上述方法确定的对相应介质来说是钝化的材料!而用该材料制成的构件在工作中有时却发生应力腐蚀破坏"出现这种情况的原因是由于用光滑试件测定的应力腐蚀断裂时间!包含有裂纹源的生核孕育阶段和裂纹的扩展阶段两部分"前者约占断裂总时间的()2左右!后者约占%)2左右"而实际构件一般都不可避免地不同程度地存在着裂纹或类似裂纹的缺陷"用传统试验方法确定的对应力腐蚀是免疫的材料!只能说明该材料在应力腐蚀条件下不产生裂纹源!但并不能反映出已有裂纹的构件在应力腐蚀条件下裂纹是否扩展"因此!用常规的研究方法不能反映带裂纹的金属构件抗应力腐蚀的性能"断裂力学方法在应力腐蚀中的应用大约是在,)年代中期提出的"该方法弥补了使用光滑试件的传统应力腐蚀试验方法的不足!而且具有一系列优点和工程实用价值"所以!这一方法一经提出!很快被广泛地采用!并得到了发展"与传统的试验方法相比!其优点是$(!采用断裂力学方法对构件抗应力腐蚀性能的评定是测定材料在某种环境中能够诱发应力腐蚀开裂的界限应力强度因子&N ]77及裂纹在介质中的扩展速率8#%8@等!可直接应用于构件的选材和设计"而且由于试验有预先制备的尖锐裂纹而不需经过蚀坑阶&&!4&段!消除了与蚀坑相联系的一些易变因素的影响!因而数据分散性小")!使用光滑试件的应力腐蚀试验周期很长"蚀坑的形成阶段通常需要半年甚至更长时间!而用带有尖锐裂纹的试件可节约近()2以上的时间"*!由于人为制造的预裂纹具有整齐的几何形状!便于通过断裂力学手段进行应力分析和精确计算!可得到定量的结果"+!采用预制裂纹试件进行试验!所得的结果是安全可靠的"当然!预制裂纹的应力腐蚀试验尚不能完全代替光滑试件的应力腐蚀试验"预制裂纹应力腐蚀试验也不完全适用于所有材料"因此应将这两种方法适当地结合起来!互相补充!这样方可对材料进行更全面的评定"#%$断裂力学在应力腐蚀中应用时的评定指标!裂纹尖端的应力场可以用应力强度因子来描述"受应力腐蚀作用的材料也存在着一个临界应力强度因子!只不过由于腐蚀介质的作用!其值很小"又由于应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延迟性断裂!所以可以用裂纹扩展速率8#%8@来描述应力腐蚀裂纹的扩展"实践证明!在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下!材料发生延迟断裂的时间@与应力强度因子&N 之间有如图’"’所示的关系"当裂纹尖端的应力强度因子&N G &N =时!立刻发生断裂!此时的@G )!当&N #&N =!并且&5G &N %时!必须经过@%时间后!使裂纹尖端的&N 随着裂纹的扩展达到&N =!这时才发生断裂!当&N G &N &时!须经过时间@%后才发生断裂&当&N 降低到某一定值后!材料就不会由于应力腐蚀而发生断裂!即材料有无限寿命"此时的&N 就称为应力腐蚀的临界应力强度因子!或称应力腐蚀门槛值!并以&N >==表示"对于一定的材料在一定的介质下!&N >==为一常数"当然!实验测定&N >==时!不可能试验无限长时间!一般可作出&N "@曲线的渐近线!即&N >=="但也有的材料在相当长时间内并未获得稳定的&N >==#如%)))+后$!随时间的延长还有更低的&N >==!因此应针对不同材质!确定合理的试验时间!并谨慎使用&N >==试验数据"图’"’!应力强度因子&5与延迟断裂时间@的关系曲线&N >==既然是材料性能的一个指标!就可以用它来建立材料发生应力腐蚀断裂的判据"当裂纹尖端的应力强度因子&N 大于材料的&N >==时!材料就可能发生应力腐蚀而导致破坏!其可能开裂的判据为’&N "&N >==(!!4(或$"&N >==B +-#式中!&N !!!裂纹尖端的应力强度因子"&N >==!!!应力腐蚀临界应力强度因子"#!!!裂纹半长"B !!!应力强度因子系数#由构件的形状和尺寸#裂纹的形状和尺寸#裂纹所在的位置和载荷形式等决定$当裂纹尖端的&N %&N >==时#裂纹就会随时间而扩展$单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹扩展速率#用8#%8@表示$实验证明#8#%8@为裂纹尖端应力强度因子的函数#即&8#%8@G %’&N (在8#%8@与&N 的坐标平面上#两者的关系曲线又称裂纹长大动力学曲线#如图’"#所示$曲线一般由三段组成&第一阶段!!!当&N 刚超过&N >==时#裂纹经过一段孕育期后#突然加速扩展"第二阶段!!!曲线出现水平段#8#%8@与&N 几乎无关#因为这一阶段裂纹尖端变钝#裂纹扩展主要受电化学过程控制"第三阶段!裂纹长度已接近临界裂纹尺寸#8#%8@又明显地依赖于&N #8#%8@随&N 的增大而加快#这是裂纹走向快速扩展的过渡区#当&N 达到&N =时#裂纹便发生失稳扩展#材料断裂$图’"#!8#8@与&N 的关系曲线’&(&N >==和8#%8@量在设计中的应用!在实际工作中#一些承受静载或交变载荷’腐蚀疲劳(以及同时承受静载和交变载荷的构件往往在一定的腐蚀介质中长期工作#这就需要根据承受载荷的形式和工作介质的性质#考虑它们对裂纹扩展速率的影响#由此估算构件的安全工作载荷及其寿命$对于承受静载并在腐蚀介质条件下工作的构件#可根据材料的&N =和&N>==得出名义应力与裂纹长度的$"#曲线图#如图’",所示$图’",由&N =和&N>==二曲线分隔成三个区域&&N =曲线右方为材料在空气中的失稳断裂区"&N =和&N>==二曲线之间为介质开裂区"&N >==曲线左方为裂纹非扩展区域或称无应力腐蚀断裂区$若构件的设计静应力水平为$’见图’",水平虚线所示(#则构件在空气中发生失稳断裂的临界裂纹长度为#=$这就是说#即使构件上存在着比#=小的裂纹#在空气中工作也不会发生突然的脆性破坏$若此临界值#=能够用一般的无损检测方法很容易地探测)’!4)出来!则所确定的应力水平在工作中是安全的"若构件是在湿空气或其他腐蚀介质中工作!并且初始裂纹尺寸大于或等于#e )#见图’",$!那么在静应力和介质的共同作用下!该初始裂纹#e )将会发生缓慢地亚临界扩展!当裂纹长度达到#=时便发生破坏"由初始裂纹#K )扩展至#=所经历的时间即构件寿命!可根据8#%8@与&数据估算!若估算的裂纹扩展寿命@不能满足设计规范要求!则必须考虑或者改换具有更低的8#%8@和&N >==更高的材料!或者降低静载荷水平!或者减小允许存在的初始裂纹尺寸等!以期达到设计规范的要求"图’",!根据’!’)钢的&N =和&N>==!!3#2E /1D "作出的$"#曲线图!$>G%#’)-./"如将构件上允许存在的初始裂纹尺寸限制在#)##K )!从图’",上可以看到!这种裂纹处在非扩展区!即构件具有无限的使用寿命"但对高强钢来说!这种初始裂纹尺寸一般小于)3&55!用一般无损检测方法难以探测出"此外!在制造和检验中这种小裂纹的漏检几率也是比较大的!所以建立在无限寿命基础上的设计往往不切合实际!并且有时是冒险的"如上所述!静载荷下裂纹尺寸只要满足#)##K )条件!或者说构件裂纹尖端的应力强度因子只要满足&N #&N >==!裂纹就不再扩展"但是在交变载荷情况下#属于腐蚀疲劳问题$!即使应力强度因子幅度的最大值&5/‘低于材料的&N >==!即&5/‘#&N >==!裂纹仍然发生扩展!在一般情况下腐蚀介质中的8#%8E 比空气中的8#%8E 高几倍到几十倍"因此!这里应根据材料在特定介质中的8#%8E "-&关系!#8#%8E G )#-&$G $用积分的方法来计算腐蚀介质中的疲劳裂纹扩展寿命"二!防止焊接结构产生应力腐蚀的措施应力腐蚀破坏是危害最大的腐蚀形态之一!它不仅造成经济上的大量损失!还经常引起灾难性事故!因此!有必要采取防护措施!尽量避免和消除应力腐蚀破坏"#%$正确选材!由于引起应力腐蚀的腐蚀介质随着材料的种类不同!对材料引起应力腐蚀的程度也有所不同"因此防止和减轻腐蚀危害的最常用的也是最重要的方法是针对特定腐蚀环境选择合适的金属材料"选材时应尽量采用耐应力腐蚀性好!价格适宜的金&#!4&属与介质的组合!可能时也可选用牛金属或非金属衬里保护!对于碳钢和低合金钢"抗拉强度相同的材料"含碳量为)3&2时比含碳量为)3’2时的耐蚀性好#添加0<可增加耐蚀性#在材料中添加9D $-M $E 6$:$1F 等元素有改善耐蚀性的效果#.$E $U 是有害于耐蚀性的元素"W 的影响不大!目前桥梁等所使用的高强度螺栓就体现了以上结论!对于不锈钢来说"在含1D "的溶液中"奥氏体不锈钢耐应力腐蚀最差"%41F %4E <&W <%1为)3),2&钢在高1D "溶液中耐蚀性较好"而在低1D"溶液中耐蚀性则不好!而奥氏体铁素体双相钢%1F &)E <%4&对含低1D "的水则有较好的耐应力腐蚀性"E <@1I 含量大于)3#2的铁素体钢在这种介质中也有较好的耐蚀性!在奥氏体钢中加入少量的-M 或1I "可增大其耐应力腐蚀性!总之"正确选材是一项复杂的工作"需要根据许多因素%如物理力学性能$材料供应情况以及价格等&综合考虑!%&&合理的结构设计(!在设计中"除了要考虑强度上的需要外"同时还要考虑耐腐蚀的需要!在设计压力容器$管道$槽及其他结构时"需要对壁厚增加腐蚀%当然这只是一般腐蚀&裕度%见第三章&!)!在设计时应尽量避免和减小局部应力集中"尽可能地使截面过渡平缓"应力分布均匀!可以采用流线型设计"将边$缝$孔等置于低应力区或压应力区"并避免在结构上产生缝隙$拐角和死角"因为这些部位容易引起介质溶液的浓缩而导致应力腐蚀破坏!图’"$为结构上的改进示例!图’"$!结构上的改进示例*!设计时"如果对槽$容器等采用焊接不用铆接"对施焊部位用连续焊而不用断续焊"则可以避免产生缝隙"增加结构抗应力腐蚀的能力!+!设计槽及容器时"应考虑易于清洗和将液体排放干净!槽底与排液口应有坡度"使其放空后不至积留液体!设计中要防止有利于应力腐蚀的空气混入"如对于化工设备"特别要注意可能带进空气的搅拌器$液体进口和其他部位的设计!,!避免不同金属接触以防止电偶腐蚀!可能时"全部体系选用同类材料"或将不同材料之间绝缘!A !换热操作中应避免局部过热点"设计时应保证有均匀的温度梯度!因为温度不均会引起局部过热和高腐蚀速率"过热点产生的应力会引起应力腐蚀破坏!综上所述"设计时要避免不均匀和多样性!不同的金属$气相空间$热和应力分布不均匀以及体系中各部位间的其他差别"都会引起腐蚀破坏!因此"设计时应努力使整个体’,!4’。
