腐蝕與劣化

應力腐蝕開裂(stress-corrosion cracking)

拿一種本身能承受溫和腐蝕液的金屬,再拿一個遠低於任何足以使它彎曲或斷裂的應力——各自單獨都無害。把兩者在錯誤的搭配下湊在一起,金屬卻可能幾乎毫無預警地沿一道細裂縫裂開。這就是應力腐蝕開裂(SCC):在持續拉應力與特定腐蝕環境共同作用下、於易感合金中成長的一道看似脆性的裂縫。它是最令人畏懼的失效模式之一,正因為零件看起來沒事、負載看起來也安全。

必須同時齊備三個條件,缺一不可:拉應力(來自使用中的負載,或陰險地來自銲接、彎曲後殘留的殘餘應力)、易感合金,以及該合金所敏感的特定化學環境。這些配對奇特地專一——沃斯田鐵系不鏽鋼在熱氯化物中開裂,黃銅在氨中開裂(歷史上彈殼的「季裂」),低碳鋼在熱鹼中開裂(舊鍋爐的「鹼脆」),鋁合金在某些氯化物溶液中開裂。腐蝕先開出一個微小的孔或缺口,應力在其尖端集中,這個集中把腐蝕與開裂再往深處推一點,裂縫就這樣一格一格前進,常沿晶界或穿晶分岔延伸,而整體金屬損失極少。

SCC 危險之處在於裂縫緩慢而隱蔽地推進,最後剩餘斷面終於快速斷裂,於是失效感覺很突然,儘管它其實醞釀了數月或數年。由於需要三個因素同時存在,去掉任一個即可防護:降低拉應力(改設計,或以消除應力熱處理、珠擊來消除殘餘拉應力)、改變環境(去除氯離子、投加抑制劑、降溫),或改用對該特定介質不敏感的合金。要注意它處於腐蝕與破壞的交界——它需要環境,所以歸屬於此,而非純機械開裂。

沃斯田鐵系不鏽鋼是教科書級的受害者:一根包覆著含氯濕保溫材的高溫熱管,即使管子的應力並不大,也可能在使用中裂穿,因為保溫層下被困住的熱氯化物,恰好提供了它銲接殘餘應力用來引發氯化物 SCC 所需的環境。

銲接殘餘應力加上保溫層下被困住的氯化物,是經典的 SCC 配方——不需要任何外加超載。

SCC 不是帶點鏽的普通超載斷裂:單靠應力永遠不會使零件斷裂,單靠環境也幾乎不會腐蝕它,因此一個忽略環境的標準強度計算,可能把一個其實會開裂的設計判定為「安全」。

又稱
SCCenvironmentally assisted cracking應力腐蝕龜裂環境助長開裂