奥氏体型不锈钢具有良好的塑性和韧性，它在耐均匀腐蚀的介质中使用范围很宽，广泛用于化工设备。但其耐应力腐蚀能力不够理想，甚至导致过恶性事故，造成人伤、机毁，使它进一步广泛使用受到限制。用奥氏体型不锈钢制成的化工设备如热交换器管、高压釜的冷却管、水蒸气凝缩的波纹管、氯化物溶液的调料煮干锅和苛性钠的加热盘管等，由氯化物所引起的应力腐蚀断裂占应力腐蚀断裂的首位。此外，在高温高浓度的碱液、多硫酸、高温高压水等环境中也时有应力腐蚀裂纹事故发生。据有关统计资料表明：应力腐蚀引起的事故占整个腐蚀破坏事故的50%以上，见表3-2。

表3-2 日本石油化工厂化学设备腐蚀破坏的调查事例

应力腐蚀裂纹一般都很细小，而且多数出现在容器或管道内表面，故很难检查发现，往往造成没有预兆的突发性事故，难以防患。在应力腐蚀环境下设备的服役时限少则几天，多则可达数年，很难估计。为此，解决不锈钢应力腐蚀裂纹的课题，成为当今广大冶金工作者和焊接工作者的重要任务之一。

1.应力腐蚀的机理

有许多理论对应力腐蚀现象进行解释，现选其中比较常用的三种简述如下：

（1）活化通路型应力腐蚀 从电化学腐蚀理论中知道，当腐蚀电池是一个大阴极和一个小阳极时，阳极的溶解表现为集中性腐蚀损伤。只要在腐蚀过程中，阳极始终保持处于裂纹的最前沿，裂尖处于活化状态下而不钝化，与此同时其他部位（包括裂纹断口两侧）发生钝化，则裂纹可以一直向前发展直至断裂如图3-6所示。从图中可以看出，裂纹犹如一个闭塞电池，裂纹内尖端是一个阳极区。裂口内部聚集了一些沉淀物如Fe₃O₄·Fe（OH）₃，将裂纹通道堵塞，而此时H⁺可透过闭塞物质缓慢地向外扩散，内部消耗的H₂O则通过渗透来补充。这样又将其他活性离子（如Cl^-）带入内部，促使内部腐蚀性增强，在应力作用下促使裂纹尖端区域钝化膜破坏，将阳极进一步活化且更加集中，裂纹就进一步深入发展，直至断裂。闭塞电池的实质是裂纹内部的电化学发展过程。若裂隙中沉淀物的体积大于破坏金属的体积很多时，则出现胀裂力，使裂纹尖端应力增大，促使应力腐蚀裂纹的发展。这一理论着重说明了电化学过程的重要性。

（2）应变产生活性通道应力腐蚀 应变产生活性通道应力腐蚀是指钝化膜在应力作用下同金属基体一起变形时发生破裂，裂隙处暴露出的金属成为活化阳极，发生溶解。在腐蚀过程中，钝化膜破坏的同时又会使破裂的钝化膜修复，在连续发生应变的条件下修复的钝化膜又遭破坏。此过程周而复始不断发生，当应力超过修复后钝化膜的强度，应力腐蚀即可发生，直至脆断，如图3-7所示。该理论着重说明了应力的重要作用。

图3-6 活化通路型应力腐蚀机理闭塞电池示意图

图3-7 应变-溶解型应力腐蚀过程示意图

（3）氢脆型应力腐蚀 腐蚀电池是由小阴极和大阳极组成，这时大阳极发生溶解表现为均匀性腐蚀。小阴极区的阴极过程中，如果发生析氢的话，将发生阴极区金属的集中性渗氢，在持续载荷作用下氢促进塑性应变而导致脆断，应力腐蚀就会顺利发展。随着裂纹的发展，裂纹尖端应力（裂尖应力）、应变集中促进金属中氢往裂纹尖端中聚集（叫做应力诱导扩散），最终导致应力腐蚀断裂。氢脆裂纹扩散机理的示意图如图3-8所示。

2.应力腐蚀断裂条件

（1）介质的影响 应力腐蚀的最大特点之一是腐蚀介质与材料组合上有选择性，在此特定组合之外的条件不会产生应力腐蚀。引起不锈钢应力腐蚀的介质，从美国全国腐蚀工程师协会提供的资料中选取一些数据列于表3-3。发生在敏感介质中应力腐蚀开裂的类型见表3-4。为了减轻或消除特定环境中的应力腐蚀，可以在介质中添加缓冲剂见表3-5。

图3-8 氢脆性应力腐蚀裂纹扩展机理的示意图

表3-3 引起不锈钢应力腐蚀的介质

表3-4 敏感介质中应力腐蚀开裂的类型

注：Ⅰ—沿晶开裂，T—穿晶开裂。

表3-5 部分应力腐蚀体系的缓冲剂和促进剂(www.daowen.com)

关于每种结构材料的应力腐蚀的介质体系是很复杂的问题，难于简明概括，必须根据具体环境具体分析。例如，大家都熟知的奥氏体型不锈钢在Cl-环境中的应力腐蚀，不仅与溶液中的Cl-离子浓度有关，而且还与其溶液中氧含量有关。从图3-9中可以看出，尽管溶液中的Cl-离子浓度很高，但氧含量较少时或者Cl-离子浓度较低，而氧含量较高时，均不会引起应力腐蚀。在碱性水溶液中，特别是接近沸点的高温时，奥氏体型不锈钢也易发生应力腐蚀。

图3-9 Cl^-1和O₂的浓度对碱磷酸盐处理过的海水中不锈钢应力腐蚀裂纹敏感性的影响（数字表示试验数）

（2）应力条件 应力腐蚀裂纹是应力和腐蚀介质共同作用的结果。腐蚀介质往往是不可选择的，那么对应力腐蚀起主导调控作用的就是应力。应力腐蚀对应力也有选择性，通常压应力不会引起应力腐蚀裂纹，只有在拉应力的作用下才会导致应力腐蚀裂纹的产生。对于18-8型不锈钢，由于它的导热性差，线胀系数大，就会产生较大的焊接残余应力。焊接残余应力是焊接结构件产生应力腐蚀的主要来源。在应力腐蚀介质中，焊缝金属和近缝区拉应力很容易产生裂纹，而使焊接构件渗漏，直至断裂。虽说压应力不会引起应力腐蚀，但是随着裂纹的扩展，应力也会发生重新分布，最初的压应力部位也会有裂纹扩展的可能性。弯曲加工、拉拔矫正产生的残余应力和焊接残余应力的叠加，更能促使应力腐蚀的加速。在工作状态下导致应力腐蚀的应力，往往是设计时未考虑到的。从表3-6可见，产生应力腐蚀的应力来自冷热加工的比例也是惊人的，所以构件的制作加工，应给予足够的重视。例如，一个焊接容器，其封头和筒体都要经过下料、冲压、卷圆和精加工，加工应变使材料的屈服强度上升，所产生的残余应力也更大。若在这种应力状态下再经过强行装配焊接，焊接的残余应力状态将变得更为复杂，很可能大大促进应力腐蚀的产生、发展，甚至断裂。曾用厚为6mm的18-8型不锈钢焊接试板，在常温下经过冷却加工和拉伸后进行施焊，切成数块焊接试样浸渍到质量分数为42%的MgCl₂沸腾的溶液中进行抗应力腐蚀试验，在短时间内应力腐蚀裂纹就暴露出来了。这一实例也证实了上述说法。

表3-6 日本不锈钢机械中按应力来源统计的应力腐蚀事故

导致应力腐蚀的应力因素是多方面的，预防措施也是多方面的。总而言之，要控制载荷和内应力拉伸分量的总水平，不可超过相应环境中产生应力腐蚀的应力门槛值。大家知道，一般焊接接头的焊缝和近缝区的残余拉应力可达到钢材屈服强度的水平，即已远远超过了应力腐蚀的应力门槛值。也就是说，不经消除应力处理的焊接接头，一旦处于应力腐蚀的环境中，会不可避免地发生应力腐蚀断裂。通常在焊接以前可预制一个变形并在焊后锤击焊缝来松弛残余应力；或者将不锈钢焊接构件作高于820℃热处理来消除焊接残余应力。对于18-8型不锈钢，在它的马氏体相变点温度（50～100℃）下进行加工，产生冷作硬化，使之发生相变，形成一定数量的马氏体组织。这时在相同附加应力作用下，可以发现，它比未发生马氏体相变的18-8型不锈钢具有较好的抗应力腐蚀性能。但若冷作变形量过大，则会产生过量的马氏体组织，对耐应力腐蚀性能会起相反的作用。

（3）材料条件 一般情况下，特别纯的金属不会产生应力腐蚀，应力腐蚀大多发生在合金（含杂质的工业纯金属也属于合金）中。在晶界上的合金元素偏析是引起合金的晶间型开裂的应力腐蚀的重要因素之一。随着钢中镍和碳含量增加，可以提高奥氏体型不锈钢的抗应力腐蚀能力。而钢中铌、钛、钼、氮等元素含量的提高，易引起应力腐蚀倾向，微量的磷、砷、锑、铋更能促使应力腐蚀裂纹的形成。

在奥氏体型不锈钢中增加铁素体含量，可使铁素体组织在奥氏体组织中阻碍裂纹的发展，从而提高其耐应力腐蚀的能力。但铁素体的体积分数不宜超过60%，不然又将逐步使性能下降。

综上所述，引起应力腐蚀裂纹必须具备三个条件：首先金属材质在该环境中具有应力腐蚀开裂的倾向；其次用这种材质组成的结构接触或处于选择性的腐蚀介质之中；最后要有高于一定水平的拉应力。缺少其中任一个条件是不可能发生应力腐蚀开裂的。

3.应力腐蚀断裂的特征

断裂部位通常不存在均匀腐蚀，断裂往往以点腐蚀、缝隙腐蚀为起始点，从接触介质的金属表面发生，往深处发展。裂纹的形态，从外表宏观观察，裂纹较平直，常常有分枝、花纹或龟裂；从显微镜观察裂纹横切面可发现，裂纹一般有分枝特征，裂纹尖端较锐利，根部稍宽，如图3-10所示。从断口形貌上分析，一般无明显的塑性变形迹象，属于完全脆性断裂。从宏观断口看，断口粗糙；断裂总是从与介质接触的表面开始，故起裂处表面附近的断口颜色总是最深。断口呈多层结晶状、层片状、放射性状和山形形貌。从微观上分析，奥氏体不锈钢多为穿晶性断裂，为穿晶型准解理断裂，呈河流花样、扇形花样和羽毛状花样，如图3-11和图3-12所示。铬不锈钢多系沿晶断裂，呈冰糖花样。

图3-10 应力腐蚀裂纹的金相形貌

（06Cr18Ni11Ti管，因焊接殘余应力和Cl-发生的应力腐蚀裂纹）

图3-11 06Cr18Ni11Ti不锈钢在100℃以上3.92МРа的含H₂S和Cl-气氛中的应力腐蚀断口，羽毛花样+准解理面（SEM360×）

图3-12 18-8型不锈钢在热MgCl₂熔液的应力腐蚀的断口：穿晶的羽毛花样（SEM1260×）

4.防止应力腐蚀断裂的途径

解决应力腐蚀断裂纹的理想途径是从材料着手。各国冶金工作者为解决奥氏体型不锈钢抗应力腐蚀性的问题进行了大量科研工作，在不锈钢系列中开发出了新钢种，如奥氏体-铁素体型不锈钢（简称双相不锈钢）。这类钢综合了奥氏体型和铁素体型不锈钢两者的优点，具有良好的韧性、强度和焊接性，其中屈服强度可达普通不锈钢的两倍；其优良的耐中性氯化物应力腐蚀性能远远超过18-8型不锈钢，并具有良好的抗孔蚀和缝隙腐蚀的能力。与此同时，还必须采取控制工作应力水平，降低或消除各种残余应力，隔离腐蚀介质或加缓蚀剂等各种手段来防止应力腐蚀的产生。