宣布时间：2021-09-23点击：2785
01.铜合金的应力腐化及案例
铜具有面心立方晶体结构，易于加工成形，具有高的导电性及导热性。铜为正电性金属，离子化为Cu2+和Cu+时，标准电极电位划分为0.337V和0.521V，因此，铜有较好的耐蚀性，是***广泛使用的有色金属。
常用的铜及铜合金有4种：纯铜，黄铜，青铜（锡青铜Cu-Sn、铝青铜Cu-A1和硅青铜Cu-Si）和白铜（Cu-Ni），在压力容器中纯铜与黄铜使用较多。纯铜是指铜质量分数不低于99.5％ 的工业铜� ；仆礐u和Zn组成的二元合金。锌质量分数＜ 30％～40％ 的黄铜具有α相与少量的β相，因而提高了强度、塑性、耐蚀性� ；仆�青铜等合金都能爆发SCC，纯铜在含氨介质中也能爆发SCC。
02.铜和铜合金SCC机理
a.外貌膜破裂机理。
由铜的E-pH图可知，铜在水溶液中腐化时，不会爆发放氢的阴极反应，因而其SCC不是氢致开裂机理。外貌膜破裂SCC机理认为，在含氨的介质中，铜和铜合金外貌生成“昏暗膜”（tarnish，以Cu2O为主体的氧化物薄膜），而铜合金晶界优先生成此膜，图4-197b� ；璋的ぶ蚀�，在拉应力作用下爆发破裂。据铃木等研究，纯铜上昏暗膜在晶粒上破裂，黄铜上昏暗膜在晶界上破裂，图4-197c。膜破裂处，溶液腐化晶界，图4-197d ；随后又缓慢地重新生成膜，并沿晶界生长，图4-197e，当新生成的膜生长到一定厚度以后，形变量抵达能使昏暗膜破裂的水平，新膜又爆发破裂，图4-197f。如此循环往复，造成SCC。纯铜爆发穿晶破裂，黄铜爆发晶间破裂。破裂是不连续进行的，破裂面应呈阶梯状，图4-197g。断口呈锯齿状条纹，图4-198。
然Cu-30Zn黄铜在含氨的水溶液中SCC时，可有沿晶及穿晶两种断裂类型，可是实境遇到的黄铜SCC（已往习惯上称为季裂）都是有膜的沿晶断裂。
研究了黄铜SCC敏感性与腐化引起拉应力的对应性[1，2]，提出了SCC历程形成钝化膜或疏松层的同时会爆发一个附加拉应力，从而在较低的外应力下，位错就能发射和运动，导致SCC微裂纹形核的机制。
在SCC历程中外貌脱Zn层将不绝增长，从而就会在脱Zn层和基体界面处爆发一个拉应力，这个附加拉应力一直在起作用。TEM原位视察标明，SCC时裂尖首先发射位错，坚持恒位移时就会形成无位错区(DFZ)，然后SCC微裂纹在DFZ或原裂纹顶端(已钝化成一个尖缺口）形核。盘算标明，形成DFZ后，在尖缺口顶端以及DFZ中某一点保存两个应力峰值，测出稳定的界面拉应力为0.2倍的屈服强度。当外加应力较高时，应力峰值可接近或即是原子键协力，微裂纹就将在DFZ或原裂纹顶端形核。由此可知，腐化历程形成钝化膜或疏松层的同时会爆发一个附加拉应力，从而在较低的外应力下，位错就能发射和运动，并形成DFZ，进而就会在较低的外应力下，DFZ中的应力峰值就即是原子键协力，导致SCC微裂纹形核。
铜合金中的Zn加速了外貌膜的形成，钝化膜或脱Zn疏松层引起的应力随pH值的变革。试验结果标明随着pH值的增加疏松层引起的应力值也在增加，见图4-199、201[2]。
03.铜SCC的影响因素
a.合金身分的影响。
Zn质量分数＜20％的黄铜，在自然情况中一般不爆发SCC。Zn质量分数＞20％的黄铜，含Zn量越高，SCC敏感性越大� ；仆屑尤階l、Ni、Sn能减轻SCC ；
b.应力作用的影响。
黄铜件的SCC都是在有剩余应力（甚至无负荷）的情况下爆发的。冷加工变形的黄铜件，加工后未进行退火的，其剩余应力较大，在腐化性介质中容易引起SCC。当应力减小时，断裂的时间大大延长。当应力小于约98MPa时，黄铜便显得很稳定 ；
c.情况介质的影响。
***容易引起铜合金SCC的是氨和可以派生氨（或NH）的物质，以及硫化物。受拉应力的黄铜在淡水、高温高压水和蒸汽以及一切含氨（或NH）的介质中，都可能爆发SCC。纵然是微量的氨也能使受拉应力的黄铜爆发SCC。水分或湿气、氧、SO2、CO2和氰等物质都会加速破裂。
汞盐溶液也能使黄铜爆发腐化断裂。具有高应力的黄铜在汞盐溶液中只要几秒钟间就会断裂。常用的试剂是在质量分数为1％HNO3中加入1％-10％的HgNO3，后者的浓度与断裂时间有很密切的关系，图4-202。
H2S会加剧铜及铜合金、碳钢和合金钢的腐化，尤其是加速凝汽器铜合金管的点蚀，用被H2S严重污染的海水冷却的凝汽器铜合金管的腐化速率比用清洁海水冷却的铜合金管要高20倍，但H2S对铝合金没有腐化性 ；
d.pH值关于的黄铜季裂时间的影响。
如图4-203显示，碱性溶液中断裂时间较短 ；pH=7.3时，断裂时间***短，其外貌笼罩着发亮的玄色Cu2O ；当pH≤4时，断裂时间剧增，pH=2时，1000h也未断裂。因此，季裂敏感的pH直规模约在5～11之内。
e.差别氢含量对脱锌层应力的影响。
由差别氢含量的试样形成脱锌层前后在空气中SSRT曲线测出脱锌层引起的附加应力，可见脱锌层应力随氢含量的升高而升高。
04.避免SCC的步伐
a.降低和消除应力。
革新结构设计，制止或减小局部应力集中的结构形式。结构设计应尽量制止漏洞和可能造成腐化液残留的死角，避免有害物质的浓缩。
消除应力处理，在加工、制造、装配中应尽量制止爆发较大的剩余应力。消除应力退火是减少剩余应力的***重要的手段，特别是对焊接件，退火处理尤为重要。
b.控制情况。
改善使用条件,首先应控制情况温度，在条件允许时降低温度。别的，减少温差，制止重复加热、冷却，避免热应力带来的危害。
制止与任何形式的氨和铵盐接触，加入缓蚀剂，如苯并***，可抑制SCC。
� ；ね坎�，使用有机涂层可将质料外貌与情况隔离，或使用对情况不敏感的金属作为敏感质料的镀层，都可减少质料的SCC敏感性。
电化学� ；�，由于SCC爆发在3个敏感的电位区间，理论上可通过控制电位进行阴极或阳极� ；け苊釹CC。
c.改善材质。
在满足其它条件（性能、本钱等）的情况下，结合具体使用情况，尽量选择在该情况中尚未爆发过SCC的质料，或对现有可供选择的质料进行试验筛选，择优使用。
冶炼工艺和热处理工艺控制，接纳冶金新工艺对减少质料中的杂质、提高纯度、制止SCC是有益的。通过热处理改变组织、消除有害物质的偏析、细化晶粒等，对减少质料SCC敏感性起重要作用。
案例1.H65黄铜管开裂[3]
H65黄铜管在弯管后没有进行退伙处理，使用不到1a，在弯头处开裂。检测发明大宗环向裂纹，由管内壁向外壁扩展，管内壁积累大宗的浅绿色腐化产品。
金相检测，H65铜管的组织为单相α相。裂纹穿晶扩展，见图4-204。
对贯串内外壁的裂纹翻开后进行扫描电镜断口剖析，可见断口为脆性穿晶形态，与金相检测结果一致。断口上可见腐化产品，见图4-205。接纳X-射线衍射仪剖析了腐化产品，主要身分为NaCl，并含有NaCu(CO3)2·3H2O和NaZn3(CO3)4·3H2O，见图4-206。由此可见，弯头恒久处于NaCl含量很高的积水情况下，加上弯管加工的剩余应力，具备了引起SCC的条件。
案例2、低压加热器黄铜管换热器管制的应力腐化[4]
某化肥厂低压加热器(JD-270)，铜管管制爆发SCC，致使管制整体报废，造成巨大的经济损失。
该换热器为立式U 形管制换热器，筒体材质为Q345R，管制由材质Q345Ⅲ、厚度为112 mm的管板与材质为HSn70-1的19组共610根的U形管组成，铜管冷弯成型，规格为20mm×1mm。设备参数，设备设计压力 2.12 MPa（管程）/0.66MPa（壳程）、事情压力1.96 MPa（管程）/0.54MPa（壳程），设计温度160℃（管程）/277℃（壳程）、事情温度150℃（管程）/261℃（壳程），事情介质水（管程）/饱和蒸汽（壳程）。
设备制造时，在壳程水压及格后，转入壳程氨渗工序。由于不具备C法氨渗条件，故施工人员按B法进行，致使氨渗2～3h 后发明管头大面积泄漏，抽出管制发明管制外外貌整体成淡蓝色，直管段与弯管段有差别水平的贯串性裂纹，用手就能将裂纹处撕开。腐化外观情况见图4-207，黄铜管碎片情况如图4-208所示，金相检查发明裂纹沿晶界扩展见图4-209。
锡黄铜管在拉制成型后保存剩余应力，水压试验后，筒体内部未能被真正吹干、干燥，致使在按B法氨渗时给锡黄铜管形成了一种氨气、铵盐共存的腐化性极强的湿润的情况。锡黄铜管含Zn质量分数为28%，在湿润的大气及含氨的情况下极易爆发腐化致使黄铜管破裂。
案例3.糖机热交换器H62黄铜管开裂剖析[5]
糖机热交换器使用H62黄铜管，管子规格Φ45mm×2mm。在调试和试生产历程中，有200多根管子泛起纵向破裂。破裂部位大都在管子中段，部分在管接头四周。管内介质为0.3MPa 的蒸气，管外外貌与糖浆接触。在制糖历程中，要经多次薰硫。铜管事情在有应力及腐化介质的情况。
铜管外外貌宏观剩余应力测定结果为156.9MPa，管外貌为周向拉应力，比事情应力大得多，这是导致铜管SCC拉应力的主要来源。
黄铜管的金相组织由α+β两相组成。组织明显不均匀，一边组织较细密，另一边较粗大，β相呈长条状沿变形偏向拉长，并且呈连续网状漫衍，在一个或多个晶粒规模对α相组成困绕，β相的粗细也很不均匀，由此而引起合金内部应力漫衍不均匀。在局部应力集中的区域，如一些大块β相上，化学浸蚀易于加深。在金相检验时还看到，在β相界面上形成微裂纹，这些裂纹大致偏向相同，呈树枝状。β相是富锌相，相关于α相来说是阳极相，因而腐化首先从β相界面开始。通过β相阳极溶解而形成裂纹，裂纹取向是笔直于拉应力轴。
扫描电镜断口剖析发明黄铜管的外外貌边沿处有两处低凹的狭长的腐化源区，腐化裂纹扩展形成较深弧形腐化区。说明开裂是从管外壁爆发，向管内壁扩展。
能谱剖析标明，断裂面上小颗粒为Cu2O，小块状颗粒为ZnSO4，绒毛状相为富锌相(脱锌产品)。别的，另有硫酸盐、碳酸盐和少量氯化物等。
04.结论：
a.黄铜管的破裂为SCC板裂，裂纹由管外壁爆发，向管内壁扩展。在静拉应力及腐化介质的配相助用下，沿β相处优先腐化而爆发裂纹。随后，裂纹由应力导向，通过β相及晶界的腐化而扩展 ；
b.黄铜管中保存不均匀漫衍的内应力，同时，组织中保存连续的β相网络或不连续的β相晶间薄层，这是退火处理工艺不正确的产品，也是造成铜管SCC的内在原因。
来源：工业小南点
