关于镍基合金的环境开裂

镍 (Ni) 基合金用于高腐蚀性环境，并且通常在其他金属（例如不锈钢）耐腐蚀性不足的情况下使用。由于镍基合金往往比不锈钢更耐腐蚀，因此它们经常取代存在氯化物的不锈钢，并且结合最小的残余应力，可能导致这些合金的氯化物应力腐蚀开裂 (SCC)。 (有关此主题的更多信息，请参阅：奥氏体不锈钢的氯化物应力腐蚀开裂。）

选择的合金似乎是合金 C276，它实际上不受 SCC 的影响。

此外，许多人认为镍基合金还可以抵抗环境辅助开裂 (EAC)。然而，不幸的是，在某些特定环境中——结合某些微观结构变化——这些合金也可能对 EAC 敏感。 （注意，所需的拉应力可以是施加的，也可以是残余的。）

本文将重点介绍各类镍基合金易受 EAC 影响的环境。这种开裂并不总是很常见。但如果这些环境可能存在，则强烈建议通过测试评估潜在开裂——例如 U 形弯曲、C 形环或慢应变率评估。本文不区分SCC和氢脆。

镍基合金的环境辅助开裂：基础知识

对于水性卤化物系统，多种条件可能会提高镍基合金对 EAC 的敏感性。其中包括：

• 温度高于 205 摄氏度。
• 氯化物浓度高。
• 酸性条件。
• 存在氧化物质。
• 存在硫化氢 (H2S)。
• 高拉伸应力。

镍基合金主要有两大类：耐热和耐腐蚀。而后一类包括三种基本类型：

• 镍钼合金。
• Ni-Cr-Mo 合金。
• Ni-Cr-Fe-(Mo) 合金。

评估 Ni- 环境辅助开裂的新技术基高温合金

尽管慢应变率测试（也称为驻留疲劳测试）可以衡量合金对 EAC 的敏感性，但它并不总能提供关于开裂机制的足够信息。

原则上，技术可用于检查疲劳试样的裂纹尖端区域。可能的方法包括透射电子显微镜结合能量色散 X 射线光谱 (EDXA)、纳米级二次离子质谱 (nano-SIMS) 和原子探针断层扫描——所有这些都已用于研究这个问题。

这些研究表明，环境退化通常在亚微米尺度上非常局部地发生。然而，目前尚未研究环境损害对裂纹尖端前方区域局部力学性能的影响。现在可以应用微机械测试技术来评估亚微米尺度的机械行为。使用这些测试，我们可以在亚微米长度范围内进行特定地点的测量；这可以在更好地理解裂纹机制方面发挥关键作用。

Ni-Mo 合金中的环境辅助开裂

最常见的镍钼合金是合金 B、合金 B2 和合金 B3。这些合金在非氧化性和还原性酸性环境中具有优异的耐腐蚀性，并已被证明在沸腾的氯化镁 (MgCl2) 溶液中具有抗 Cl-SCC 的能力。

合金 B2——在某种程度上是合金 B3——当加热到 550 到 850 摄氏度之间时，会因有序金属间化合物（如 Ni4Mo）的固态形成而失去延展性。在焊接过程中，这些阶段可能发生在热影响区 (HAZ)。慢应变率研究表明，当热处理至 570 摄氏度或典型焊接条件时，这些合金在还原性酸性条件下容易开裂。

开裂程度与金属间化合物相的形成和随后的氢（H2）脆化有关。这项研究或许可以解释合金 B2 的热影响区在暴露于含有微量硫酸 (H2SO4) 的有机溶剂中观察到的晶间开裂和在碘化氢 (HI) 存在下的晶间开裂。

焊缝附近的阴极和阳极溶液的化学性质可能是 EAC 的关键因素。合金B3的成分延缓了时效反应，使其可以在焊态状态下使用，这可能会降低EAC的潜力。

Ni-Cr-Mo 合金的环境辅助开裂

Ni-Cr-Mo 合金是最通用的镍基合金，因为钼 (Mo) 可以提高还原条件下的耐腐蚀性，而铬 (Cr) 的存在可以提高氧化条件下的耐腐蚀性.

Hastelloy C 是该组中的第一个合金，是开发许多合金的基础，包括合金 C276、C4、C22、C-2000、625、5923hMo 和 686。当这些合金在高于 600 摄氏度的温度下时效时，可能会发生四面体封闭填充相的沉淀，这会降低它们的延展性。每种合金通过这些阶段转变所需的时间各不相同；例如，合金 C4 比合金 C276 对这种微观结构变化具有更高的抵抗力。 EAC 敏感性也可以通过冷加工和低温处理来增加。因此，这些合金在含有 H2S 的环境中可能对 EAC 具有敏感性。

也有报道称，合金 C276 和 625 在暴露于水临界点附近的各种水溶液时会出现晶间裂纹。在酸性盐水中模拟 C4、-22 和 625 合金的核废料的裂纹扩展扩展测试似乎与时间有关——对于如此激进和关键的环境，时间必须包括更长期的测试。

对于湿热氟化氢 (HF)，取决于温度和 HF 浓度，这些合金可能对 EAC 敏感。含钨合金似乎受到的影响最大。

这些合金中的高含量 Mo 在高温苛性碱环境中似乎是有害的，因为 Mo 和 Cr 会脱合金。这种机制可能会促进合金 C276 中的穿晶开裂。然而，敏感性也可能是测试条件的函数。

在高温和阳极电位下，合金 C22 在含有氯化物和碳酸氢盐 (HCO3) 或碳酸盐的环境中易受 EAC 的影响。 HCO3溶解失Cr ^- 在保护性氧化膜中可能是敏感性的来源。

Ni-Cr-Fe-(Mo) 合金中的环境辅助开裂

Ni-Cr-Fe-(Mo) 合金包括合金 600、690、825 和 800。它们广泛用于各种应用，例如初级水反应堆环境。

特别是，合金 600 和 690 在纯水和苛性碱中经受 EAC 的影响，并且对开裂的敏感性强烈取决于温度、拉伸应力水平、H2 气体的存在、溶液 pH 值和电化学电位。影响开裂的冶金因素包括微量元素或杂质元素的存在、冷加工的程度以及碳化物形成和位置的热处理。合金 690 具有较高的 Cr 含量，在这些环境中比合金 600 具有更高的抗开裂性；但仍然可以破解。

有人提出，氧在晶界向内扩散会导致 Cr 的晶间氧化，其中晶间氧化脆化是随后开裂的前兆。在这些条件下，合金 800 也容易受到 EAC 的影响；但机制不同。在 300 摄氏度和大于 10 的 pH 值下，铁 (Fe) 和铬会发生脱合金，并导致薄膜诱导的裂解机制。铅 (Pb) 或硫酸根阴离子的存在会增强合金 800 在这些环境中的降解。

合金 825 比奥氏体不锈钢更耐 Cl-​​SCC；但是它仍然很容易受到影响。合金 800 和 825 在加热到 400 到 800 摄氏度时会敏化——这是在晶界沉淀的碳化铬。如果工艺条件是在金属表面形成硫化物垢，这些合金易受连多硫酸应力腐蚀开裂的影响。 （有关此主题的更多信息，请参阅：奥氏体不锈钢的连多硫酸应力腐蚀开裂。）

镍基合金中的裂纹形态

镍基合金的 EAC 裂纹形态可以是穿晶（穿过晶粒）、晶间（沿晶界）或混合模式，根据环境条件（例如温度、工艺杂质的存在、工艺化学和微观结构变化）具有分支的二次裂纹。然而，这些裂纹的存在并不自动意味着 EAC 是失效机制，因为其他机制，如应力松弛开裂是通过晶间模式传播的。 （有关此主题的更多信息，请参阅：应力松弛开裂，一种被遗忘的现象。）

可能需要进行详细的故障分析，包括对工艺条件的全面评估和可能的 EAC 测试，以正确识别确切的故障模式。