应力腐蚀开裂从逻辑分析到系统分析

逻辑分析

通过定义和划分这两种逻辑方法，可以分别明确概念的内涵和外延不必涉及机理， 可从宏观现象、顾名思义地定义应力腐蚀开裂(或断裂)如下:

应力与化学介质协同作用下引起的金属开裂(或断裂)的现象，叫做金属应力腐蚀开裂(或断裂)”。(4-1)

在这里，“开裂"及“断裂”分别对应于“ cracking”及“ fracture”，前者突出开始出现裂纹，而后者包括从裂到断，似可通用，因问题而异;不必拘泥于直译英文，可不必强调一致。

这个定义强调了“协同”作用，而不是简单的同时作用，应力与腐蚀的破坏作用不是简单的叠加。如果是较严重的均匀腐蚀，则构件或试样的截面积逐渐减小，使真实应力逐渐增加，终于达到材料的断裂强度而断裂、如果有较严重的晶间腐蚀，则晶间的结合力将会降低，外加的应力只是促进这种破坏，终于使残余的晶间结合力不再能承受外力而沿晶断裂。对于这两种简单情况的“应力腐蚀”可以分别采取增加构件的尺寸(或选用更耐蚀的材料)及防止晶间腐蚀来解决。这两种情况一般不叫做应力腐蚀。定义(4-1) 所指的(狭义的)应力腐蚀是一种较为复杂的现象:当应力不存在时，腐蚀甚微;施加应力后，经过一段时间，金属会在腐蚀并不严重而应力又不够大的情况下发生断裂.

已发现的应力腐蚀系统有如下三个主要特征，分别对应于应力、腐蚀及断裂。

(1)必须有应力，特别是拉伸应力分量的存在。拉仲应力愈大，则断裂所需的时间愈短。断裂所需应力，一般都低于材料的屈服强度。

(2)腐蚀介质是特定的，只有某些金属-介质的组合(表4-1)，才会发生应力腐蚀断裂:若无应力存在时，金属在发生应力腐蚀断裂的介质中，其普遍腐蚀速度是微小的。

(3)断裂速度约在10-8~ 10-°m/s数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯的力学因素引起的断裂速度、断口一般为脆断型。

在断裂学科内，又将应力腐蚀断裂叫做“环境断裂”(environmental fracture)，主要是化学环境引起的开裂或断裂现象。如图4-1所示，断裂学科也可划分为断裂力学、断裂物理及断裂化学三个分支，其中:

“断裂化学研究化学因素对于断裂的影响，它应用化学的原理和实验技术去分析和解决断裂问题”。(4-2)
   断裂化学现象有一个普遍的特征，那就是这个系统存在一个易移动的组元，例如室温下的氢原子及流体分子，高温下的硫、磷等原子，并且这些原子对于断裂起着促进作用。依据有害组元存在的场所，可将断裂化学问题分为两大类。
(1)外部化学环境材料与环境之间有物质交换或化学反应，从这些变化去分析它们对于断裂的影响，这个系统是开放系统，这些断裂化学问题便是通称的环境断裂问题。
(2)内部化学环境若有害组元由外部继续供应而成为内部组元，则这个系统是与(1)相同的开放系统;若有害组元已存在于系统之内，其总量不变化，则这个系统是与(1)不同的关闭系统，有害组元通过富集而对断裂起促进作用。
可以采用不同的判据来划分应力腐蚀断裂。例如，按照材料的类型来分类，便于考核材料的适用性；又可按照介质的类型分为碱脆、氢脆、氨脆、氯脆、氦脆、硝脆等，便于针对化学环境而选材。又例如，按照机理可分为阳极溶解型及氢致开裂型，明确了机理，便于采取有效的控制措施。当应力是恒定的，则有拉、压、扭、弯等载荷的区别，对应于断裂力学的分类，则有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及混合型载荷；若应力不是恒定的，而是重复交变的，则有腐蚀疲劳；若应力及腐蚀介质是高温高压氢气，则这种应力腐蚀断裂是一种氢致开裂， 又叫氢腐蚀。腐蚀介质还可以是其他气体，如空气、水蒸气、二氧化碳等，而腐蚀性液体除水溶液外，还有有机溶液、熔盐、液态金属等。-般指的应力腐蚀断裂是狭义的，定义(4-1) 中化学介质应改为水溶液，即“应力与水溶液协同作用下引起的金属开裂(或断裂)的现象，叫做金属应力腐蚀开裂(或断裂)”。(4-3)

应力与化学介质的协同作用引起的金属破坏，除断裂外，还有磨损，这便是摩耗腐蚀;依据金属部件与化学介质相对运动速度自小而大，可分为微动腐蚀、冲击腐蚀及空泡腐蚀三类。这些摩耗腐蚀的微观过程也涉及到断裂，因而广义的应力腐蚀断裂也包括这些摩耗腐蚀。

系统分析

若采用“研究对象叫做系统”这个内涵最少、从而外延最广的定义，那么，系统分析便主要是分析系统内的组元以及它们之间的关系。上.述的应力与化学介质协同作用下引起的各种损坏现象的关系，示子图4-2。图中的氢致开裂(hydrogen induced cracking,， 简写为HIC)有时又叫做氢脆或氢损伤，分别有氢引起开裂、韧性下降或各种损伤的现象。HIC又叫做“滞后破坏”，因为它需要经历一定时间后才发生。氢的来源有内含的及外来的两种:前者是指材料在冶炼及随后的机械制造(如焊接、酸洗、电镀等)过程中吸收的氢;而后者则是指材料在致氢环境中使用时所吸收的氢;它们可分别简称为“内氢”及“外氢”。外氢的环境包括含有氢气的气体、能分解而生成氢原子的水溶液、碳氢化合物等。

金属的氢脆或氢致开裂(HIC)和它们在水溶液中的应力腐蚀开裂(SCC)， 是两种可能有关而又不同的现象，具有如图4-3所示的逻辑中的交叉关系;若腐蚀的阴极反应析出的氢，对断裂起着主要或决定性作用，则这种系统的SCC机理是HIC机理，这种SCC也是一种HIC,即位于图4-3中的重叠区(3); 若应力协同下的阳极溶解(anodic dissolution，简称为AD)对断裂起着决定性作用，则这种系统的SCC机理是AD机理，这种Scc位于图4-3中的(1) 区; HIC中的氢除开来自腐蚀的阴极反应外，还有内氢或其他外氢来源，这些HIC位于图4-3中的(2)区。因此，从机理来说，HIC及AD)同属于SCC、HIC与SCC不能平列，而AD不等于SCC、SCC系统中HIC机理愈多，则图4-3中重叠区愈大,但绝不会完全重叠。

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