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Chapter_6__金属的应力腐蚀和氢脆断裂PPT课件

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第06章金属的应力腐蚀和氢脆断裂

第06章金属的应力腐蚀和氢脆断裂

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测定金属材料的K 测定金属材料的 ISCC 值可用恒载荷法或恒位 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用， 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所 用试样与测定的K 的三点弯曲试样相同， 用试样与测定的 IC 的三点弯曲试样相同 ， 装置见 图6-6。 。 裂纹尖端的ΚⅠ可用公式（6-2）计算。 裂纹尖端的 可用公式（ ）计算。
（6-2） ） 通过做出Κ 的关系图线， 通过做出 Ⅰ初 — lgtf的关系图线，便可从曲线 的水平部分所对应的Κ 值即为材料的Κ 的水平部分所对应的 Ⅰ初值即为材料的 Ⅰscc。
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2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt 、应力腐蚀裂纹扩展速率 当应力腐蚀裂纹尖端的K 当应力腐蚀裂纹尖端的 I>KISCC时，裂纹就会 不断扩展。 不断扩展。 单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 单位时间内裂纹的扩展量称为 应力腐蚀裂纹 扩展速率， 扩展速率，da/dt。 。
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2、微观特征 断口的微观形貌一般为沿晶断裂 沿晶断裂， ⑴ 断口的微观形貌一般为 沿晶断裂 ， 也可能 为穿晶断裂。 穿晶断裂。 ⑵ 其表面可见到 “ 泥状花样 ” 的 腐蚀产物 （见图6-3a）及腐蚀坑（见图 见图 ） 腐蚀坑（见图6-3b）。 ） 应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象 显微裂纹有分叉现象， ⑶ 应力腐蚀的 显微裂纹有分叉现象 ， 呈枯树 枝状，如图所示。表明应力腐蚀时， 枝状 ， 如图所示 。 表明应力腐蚀时 ， 有一主裂纹 扩展较快，其它分枝扩展较慢， 扩展较快 ，其它分枝扩展较慢， 根据这一特征可 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。
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4、 采用电化学保护 使金属远离电化学腐蚀 、 采用电化学保护使金属远离电化学腐蚀 敏感电位区域 敏感电位区域 因为金属在化学介质中只有在一定的电极电 位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此采用外加 位范围内才会产生应力腐蚀现象 ， 因此采用外加 电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应 电位的方法， 力腐蚀敏感电位区域，也是一种防止措施。 力腐蚀敏感电位区域， 也是一种防止措施 。 一般 采用阴极保护法。 采用 阴极保护法。此方法不适用于高强度钢和其 阴极保护法 它氢脆敏感材料。 它氢脆敏感材料。
氢腐蚀开裂PPT课件

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– 在250℃以上迅速形成
• 低的氢溶解度 • 无散裂 • 自始至终形成氢化物的微粒 • 对失效高灵敏 • 一般发生在从高温冷却到室温的过程中
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 防护措施
– 内在现象 – 氢和金属高温反应的结果 – 补救措施
氢脆
裂缝端
σ
氢脆
• 机理
σ
H2(气体)
游离的化学吸附 物理吸附
σ
氢脆
• 机理
σ
H2(气体)
氢扩散
σ
氢脆
• 恢复始态理论
σ
σ σmax
H2(气体) x
σ
氢脆
• 表面减少理论
– 氢的吸附减少了金属的表面自由能 – 裂缝尖端扩展 – 可以解释低压氢环境下高强度钢的裂纹扩展
氢脆
• 平面压力理论
– 在金属成型期间渗氢发生 – 在微孔中可能形成高压氢 – 与氢鼓泡同样机理
• 降低操作温度 • 热处理
氢化物形成的开裂
• 设计指标
– 降低材料强度 – 减少高温操作时的碳含量 – 避免高温操作时使用钛
• 减少氢含量
– 热处理 (加工和焊接) – 使用缓蚀剂 – 保持储存时的干燥环境
– 脆裂可能发生在焊缝周围 – 含氢的焊棒可能引入氢脆 – 措施
• 将低氢焊棒储存在干燥处 • 焊接后进行局部热处理
氢脆
• 防护措施
– 设计: 降低材料强度 – 生产: 在生产区域和热处理时减少氢源 – 焊接: 妥善储存和处理焊接棒 – 补救措施: 在减压条件下，100-650°C烘烤可
6 金属的应力腐蚀和氢脆断裂

6 金属的应力腐蚀和氢脆断裂


举例
低碳钢,低合金钢— 低碳钢,低合金钢—碱脆,硝脆; 高强度钢 钛合金 不锈钢— 不锈钢—氯脆; 铜合金— 铜合金—氨脆; 高强度铝合金— 高强度铝合金—脆裂.
2,产生条件
应力:静应力远低于材料的屈服强度,且 一般为拉应力.包括工作应力和残余应力. 化学介质:一定材料对应一定的化学介质; 如黄铜—氨气氛,不锈钢— 如黄铜—氨气氛,不锈钢—氯离子的腐蚀 介质,低碳钢— 介质,低碳钢—碱脆. 金属材料:纯金属一般不会产生应力腐蚀, 合金对应力腐蚀都比较敏感,不同的合金 成分,敏感性不同.
四,防止应力腐蚀的措施
应力腐蚀是通过阳极溶解的过程进行的. 应力腐蚀机理就是滑移— 应力腐蚀机理就是滑移—溶解理论.它 可以简单地归结为四个过程,即滑移— 可以简单地归结为四个过程,即滑移— 膜破—阳极溶解— 膜破—阳极溶解—再钝化. 防止应力腐蚀的方法要视具体的材料— 防止应力腐蚀的方法要视具体的材料— 介质而定.
2,应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 应力腐蚀临界应力场强度因子K
定义:在特定介质中不发生应力腐蚀断裂 的最大应力场强度因子. 含宏观裂纹的试样,恒定载荷,特定介质, 测KI~tf曲线. KISCC值的测定:1) 恒载荷法:使KI不断增 值的测定:1) 恒载荷法:使K 大的方法,最常用的是恒载荷的悬臂梁弯 曲试验装置.2) 恒位移法:使K 曲试验装置.2) 恒位移法:使KI不断减少, 用紧凑拉伸试样和螺栓加载.
防止应力腐蚀的措施
1,合理选择金属材料:正确选材,选用 KISCC较高的合金. 2,减少或消除机件中的残余拉应力:主要是 应力集中,注意工艺措施. 3,改善化学介质. 4,采用电化学保护:使金属远离电化学腐蚀 区域.一般采用阴极保护法,但高强度钢 或其它氢脆敏感的材料不宜采用.
第六章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂

第六章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂

第六章金属的应力腐蚀与氢脆断裂Chapter 6 Stress Corrosion and Hydrogen Embrittlement ofMetals第一节概述(Brief introduction)1、定义（Definition）在应力和环境介质的共同作用下，金属构件产生破坏行为按其受力情况与破坏方式的不同可分为以下三种基本类型。

应力腐蚀——金属构件在静态或准静态拉应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的低应力脆断称为应力腐蚀（SCC）；（包括低碳钢的碱脆、低碳钢的硝脆、奥氏体不锈钢的氯脆和低合金高强度钢的氢脆等）腐蚀疲劳——金属构件在交变应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的断裂称为腐蚀疲劳；腐蚀磨损——金属构件在环境介质作用下还受机械摩擦，或者由于腐蚀介质的直接冲刷等引起表面磨损的现象腐蚀磨损。

由于金属的应力腐蚀现象更为普遍，并且其破坏原理更为复杂，氢脆也是极为重要的一种破坏方式，因此本章重点以应力腐蚀和氢脆为主。

同时由于这类腐蚀大多为低应力脆断，因此具有很多的危险性，同时随着航空、原子能、石油化工等工业的迅速发展，这类腐蚀越来越多，因此有必要进行研究。

第二节应力腐蚀（Stress corrosion）（一）应力腐蚀现象及其产生条件(Stress corrosion phenomenon and engendering condition)应力和环境综合作用的结果，其效果不是两者的简单迭加。

绝大多数金属材料在一定介质下都有应力腐蚀倾向。

如：1）低碳及低合金钢的碱脆与硝脆；2）奥氏体不绣钢的氯脆；3）铜合金的氨脆；4）高强度铝合金在空气、蒸馏水中的脆断；5）低合金高强度钢及不锈钢的氢脆等。

可见产生应力腐蚀的条件是：应力、介质及合金的材料（纯金属不会产生应力腐蚀）。

（二）应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征（Fracture mechanism and morphology of stress corrosion）1、断裂机理（Fracture mechanism）目前断裂机理有多种理论，至今尚未得到统一，但主要以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论为主。

应力腐蚀和氢脆PPT课件

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命明显缩短，冲击韧性值显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下， 材料经过一段时期后会突然脆断。
第39页/共78页
• 在近代工业发展中，大量的实践证明，几乎所有 的金属材料都有程度不同的氢脆倾向，高强度钢 含氢不到 百万分之一量级就引起滞后破坏便是一 例。
• 而氢又是石油化工工业中的重要原料和工作介质， 钢材长期和氢接触，不但可能变脆，而且在较高 温度下还可能被氢腐蚀。
• 应力腐蚀的裂纹扩展速率较小，有点象疲劳， 是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达 到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外 载时，就突然发生断裂。
第14页/共78页
• 应力腐蚀断裂速度为0.01～3mm/h，远远大于 无应力存在下的局部腐蚀速度（如孔蚀等）， 但又比单纯力学断裂速度小得多。
• 例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106 倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级， 这主要由于纯力学断裂通常对应的应力水平要 高得多。
能力知识点3 提高应力腐蚀抗力的措施
第31页/共78页
降低和消除应力
• 在加工(如热处理、焊接、电镀等)和装配过程中，应尽量避免产 生残余拉应力，或者在加工中采取必要的消除应力措施。
• 制备和装配时尽量使结构具有最小的应力集中系数，并使其与 介质接触部分具有最小的残余拉应力。
第32页/共78页
合理选择金属材料
第33页/共78页
改善化学介质
• 控制环境，改善使用条件，除去介质中危害性大的化学成分。 例如把水中氧降低到1×10-6以下；使用离子交换树脂去除氯离 子等。
• 控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以下，以抑制SCC 的发生。
• 采用外加电流阴极保护法也可以防止SCC的发生，而且在裂纹 形成后还可使其停止发展。
材料力学性能课件(金属的应力腐蚀和氢脆断裂)PPT课件

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九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理
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杜大明
材料力学性能�来自第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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（1）当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在 金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即 所谓“钝化”。 （2）由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部 地区的保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露在腐蚀 介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。 （3）阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定 程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能 重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成 反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加深，最 后形成孔洞。 （4）孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面 附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介 质共同作用形成应力腐蚀裂纹。
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材料力学性能 2.白点
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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�白点：以氢分子的形式存在于缺陷处，多呈圆形或椭 圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，故称白点 。 � 原因：由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因 氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶 解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷 处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无 法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除 这类白点。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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四、防止应力腐蚀的措施
�（1）降低应力 �如能将构件所承受的应力降低到临界应力以下，则 可以避免应力腐蚀开裂。 � （2）改变介质条件 �改变介质条件可以减小或消除材料的应力腐蚀开裂 敏感性。 �（3）选用合适的合金材料 �一定的合金只在相应的介质中才显示应力腐蚀开裂 敏感性。 �（四）采用电化学保护 �由于金属在介质中只在一定的电极电位范围内才会 产生应力腐蚀开裂。采用外加电位的方法，使金属在 介质中的电位远离应力腐蚀开裂敏感电位区域。
金属的应力腐蚀和氢脆断裂

金属的应力腐蚀和氢脆断裂

显然：KI初≥KISCC为金属材料在应力腐蚀 条件下的断裂判据
• 测定金属材料的KIscc可用 恒载荷法或恒位移KI初， 一般用恒载荷法。
• 整个试验过程中载荷恒定， 随着裂纹的扩展，裂纹尖
端KI增大，可用下式计算：
KI
4.12M BW 3/ 2
1
[
3
3 ]1/ 2
• 其中α＝1－a/W，M=FL
• 应力腐蚀断裂SCC：拉应力和特定介质共同作
用下所引起的断裂 • • 一．应力腐蚀断裂的条件及特征 • 1、应力腐蚀现象 低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含
有硝酸根离子介质中的“硝脆”。 奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”。 铜合金在氨气介质中的氨脆。
2、产生条件
（1）应力：机件所承受的应力包括工作应力和 残余应力。在化学介质诱导开裂过程起作用 的是拉应力，且产生应力腐蚀的应力不一定 很大。
• 可按下式将腐蚀的失重指标换算成腐蚀的深度指 标：
• VL= V-×24×365×10-3/ρ= V-×8.76/ρ • VL－腐蚀的深度指标 mm/a （毫米/年） • ρ－金属的密度 g/cm3
• （3）均匀腐蚀金属耐蚀性的评定 • 对于均匀腐蚀的金属材料，耐蚀性等级的划分大
多采用深度指标，但金属腐蚀深度一般是随时间变 化的，所以从腐蚀手册查到的资料难以精确地反映 出实际情况，因此选用评定标准时，应考虑实际情 况和使用期限。
1、均匀腐蚀的程度与评定方法
• （1）腐蚀速度的质量指标
• 金属因腐蚀而发生质量变化，在失重时是指腐蚀前的 质量与清除腐蚀产物后的质量之间的差值1
S t
• V-－失重时的腐蚀速度g/m2h
• W0－金属初始质量 • W1－清除腐蚀产物后的质量 • S－金属的表面积 t－腐蚀时间
氢脆断裂ppt课件

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2）沿晶断口显示出的晶界面平坦且无附着物， 有时可见白亮、不规则的细线条。
微观断口形貌与含氢量、钢的成分、晶粒大小、 应力大小、应变速度及温度等因素有关。
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16ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀 应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
所引起的准解理面。
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主要特征：
拉伸塑性降低 缺口抗拉强度降低 静载条件下的延迟断裂 屈服强度不受明显影响 易发生于低应变速率及中温范围
2
1、断口宏观特征
1）典型的脆性断裂特征：平齐、光亮，常存 在放射状棱线或呈颗粒状。
2）断口上有时可见银灰色并发亮的斑点，此 即白点。
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2、微观特征
1）常呈现沿晶或准解理形貌，有时可见解理 或局部韧窝。
一.氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。
某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。
二者常常共存。
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二、氢 脆
常发生于高强度钢和高强度合金中。
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差异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
第6章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂

第6章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂


6.1 应力腐蚀
一、定义：
应力腐蚀断裂： 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用
下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象， 称为应力腐蚀断裂。
实际服役的零件通常承受的应力水平较低，介质 的腐蚀作用也较弱，它们单独存在时，零件可能 不会失效。但在二者联合作用下，失效则发生。
应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破 坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成 的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有 机理产生的断裂。其断裂强度比单个因素分别作用 后再叠加起来的要低得多。
6.1 应力腐蚀
二、应力腐蚀断裂产生的条件及特征
1、拉应力是产生应力腐蚀断裂的必要条件 拉应力可来自外载（工作应力），也可以来自各 种残余应力，如焊接、冷加工、热处理等引起的 残余应力。
2、产生应力腐蚀的环境总是存在化学介质 介质的腐蚀性一般都很弱，若无拉应力作用，材 料在介质中的腐蚀速度很慢，甚至可在金属表面 形成保护膜而不产生应力腐蚀断裂。只有在介质 与拉应力同时作用下，才产生强烈的应力腐蚀。 而且，产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，即 每种材料只对某些介质敏感，而该介质对其它材 料可能没有明显作用。
3、金属材料中只有合金才产生应力腐蚀，一般纯金 属不会发生应力腐蚀。所有合金对应力腐蚀都有 不同程度的敏感性。
4、应力腐蚀是一种延迟断裂，即在拉应力作用下， 需经一定时间后才产生裂纹和裂纹扩展。
5、应力腐蚀断裂一般是脆性的，不产生宏观塑性变 形。其断口可为沿晶、穿晶和混合型断裂。多数
情况下，以沿晶断裂为主。
一、氢脆的概念
由氢和应力联合作用而使材料产生脆性断 裂的现象谓之氢脆断裂，简称氢脆，亦称氢损 伤。
二、氢脆产生原因
• 氢脆的产生可有多种途径。在应力腐蚀过程 中，除在阳极产生金属溶解外，若同时在阴极 发生 H++eH 的反应生成原子氢，则会使氢 吸附在金属表面。
6-1 金属的应力腐蚀.

6-1 金属的应力腐蚀.


腐蚀电流： I=（Vc-Va）/R Vc-阴极电位 Va –阳极电位 R-微电池中的电阻
极化作用大（Vc-Va）↓=0 金属进入钝化状态， 腐蚀停止 去极化作用大（Vc-Va）↑ 腐蚀损伤
介于扩展区，最后瞬断区 断口呈黑色或灰色。 微观：沿晶断裂和穿晶断裂 泥状花样、腐蚀坑
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第一节 应力腐蚀
一、应力腐蚀及其产生条件
1、定义与特点 （1）定义
材料或零件在拉应力和腐蚀环境的共同作用下，经过一 段时间后所产生的低应力脆断现象叫应力腐蚀。
2、产生条件: 1)应力 ：外应力 、残余应力 2)化学介质 ：一定材料对应一定的化学介质 低碳钢-碱脆 A不锈钢-氯脆 铜合金-氨脆 3)金属材料 ：化学成分—合金或杂质高的金属比纯金属敏感
Ⅰ初始阶段 主要取决于KI
Ⅱ稳定阶段 电化学过程起决定 lgda/dt 作用
Ⅰ ⅡⅢ
Ⅲ失稳阶段 取决于KI
KISCC KI KIC
可以估算机件的剩余寿命（ Ⅱ阶段）
四、防止措施 1、合理选材
对介质不敏感的材料
p129
抗应力腐蚀的材料 高KISCC
四种高强度钢 抗拉强度为1650MPa时
2、减少或消除残余拉应力 冷变形或者焊接后的去除应力处理
表面处理形成残余压应力
3、改善化学介质 ↓有害的化学离子：如水的净化处理
加入缓蚀剂：
锅炉碱脆: 硝脆
加入强氧化剂 加入苛性钠
如硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐
4、采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域。
外加电流
牺牲阳极
位错结构等—平面状结构比波纹状结构敏感
二、应力腐蚀断裂机理及断口特征 1、机理 钝化膜破坏理论（滑移——溶解理论）
金属应力腐蚀和氢脆断裂ppt课件

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2. 白点〔发裂〕
当钢中含有过量的氢肘，随着温度降低， 氢在钢中的溶解度减小。假设过饱和的氢未 能分散逸出，便聚集在某些缺陷处而构成氢 分子。此时。氢的体积发生急剧膨胀，内压 力很大足以将金属部分撕裂，而构成微裂纹。 这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为 雪白色。故称为白点。
图6-9为10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上 的白点形貌
产生应力腐蚀。 ⑶ 金属资料 普通以为，纯金属不会产生应力腐蚀，一切合
金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
〔一〕 应力腐蚀断裂机理 关于在应力和化学介质结协作用下裂纹
的构成和扩展问题，有多种实际，至今尚未 得到一致的见解。下面着重引见以 阳极溶解为根底的钝 化膜破坏实际。如图 6-1所示。
〔二〕. 应力腐蚀断口特征
应力腐蚀的显微裂纹如 图6-2所示，常有分叉景象， 呈枯树枝状。这阐明，在应 力腐蚀时，有一主裂纹扩展 较快，其它分支裂纹扩展较 慢。根据这一特征可以将应 力腐蚀与腐蚀疲劳、晶间腐 蚀以及其它方式的断裂区分 开来。
断口的微观形貌丁般为沿晶断裂，也能 够为穿晶解理断裂。其外表可见到“泥状花 样〞的腐蚀产物(图6-4a)及腐蚀坑(图6-4b)。
图6-5为某种钛合金的预制裂纹试样在恒载荷下， 于3.5%NaCl水溶液中进展应力腐蚀实验的结果。
试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的、 最大应力场强 度因子称为应 力腐蚀临界应 力场强度因子 (或称为应力腐 蚀门槛值)，以
表示。
KⅠscc
对于含有裂纹的机件，当作用于裂纹尖端的初
始应力场强度因 KⅠ初 ≤ KⅠsc时c ，原始裂纹在化学介
第Ⅱ阶段时间越长，资料抗应力腐蚀性能越好。
四、防止应力腐蚀的措施

第7章 应力腐蚀和氢脆断裂


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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
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应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀断裂最基本机理：是滑移－溶解理论(或称钝化膜 破坏理论)和氢脆理论。
对应力腐蚀敏感的合金在特定化学介质中， （1）表面先形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，
即处于钝化态。若无应力作用，金属不会发生腐蚀破坏。
（2）若有拉应力作用，则 可使裂纹尖端产生局部塑 性变形，滑移台阶在表面 露头时钝化膜破裂，显露 出新鲜表面。
1
2
第一章 应力腐蚀和氢脆断裂
3
第一节 应力腐蚀
4
金属机件在加工过程中常会产生残余应力，在服役过程中 又承受外加载荷，同时又与周围环境中各种化学介质或氢相 接触，便会产个特殊的断裂现象，这就有应力腐蚀断裂和氢 脆断裂等。
这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。
随着航空航天、海洋、原子能发电、石油、化工等工业的迅 速发展，对金属材料强度的要求越来越高，接触的化学介质 的条件越加苛刻，致使上述各种断裂形式逐年增多。
（原来存在或从环境介质中吸收），在低于屈服强度的应力 持续作用下，经过一段时间（孕育）后，在金属内部，特别 在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆 性断裂。
这种因氢的作用而产生的延迟断裂称为“氢致延迟断裂”。 工程上所说“氢脆”：大多数是指这类氢脆。
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氢致延滞断裂特点
氢致延滞断裂特点： 1）只在一定温度范围内出现； 如高强度钢多在－100～ 150℃间，而以室温下最敏感。
若裂纹尖端应力集中始终存在， 则微电池反应便不断进行，钝 化膜不能恢复，裂纹将逐步向 纵深扩展。
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应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀过程，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I 可表示为：

第6章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂


KI初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即
为材料的KIscc
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12
K<KISCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于 腐蚀环境中而不发生破坏。
KISCC<K<KIC时，在腐蚀性环境和应力共同作用下， 裂纹呈亚临界扩展，随裂纹不断增长，裂纹尖端K值 不断增大，达到KIC断裂。
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2
2、产生条件
应力：静应力远低于材料的屈服强度，且一般为拉应 力。包括工作应力和残余应力。
化学介质：一定材料对应一定的化学介质；表6-1所 示
金属材料：纯金属一般不会产生应力腐蚀，合金对应 力腐蚀都比较敏感，不同的合金成分，敏感性不同。
精选版课件ppt
3
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
纹且扩展，最后突然发生的脆性断裂。
特点：
1) 只在一定温度范围内出现；
2) 提高应变速率，可降低材料氢脆的敏感性；
3) 显著降低材料断 后 延 伸 率 ，但有一极限值；而断面收
缩率随含H量增加一直降低；
4) 高强度钢的这类断裂有可逆性。即低应力慢速应变后，
由于氢脆降低塑性，卸载停留一定时间后再进行高速加载
4
滑移－溶解理论
在阳特极定金化属学变介成质正中离首子先进在入表电面解形质成中一产层生钝阳化极膜溶，解在，拉于应是力在 作金用属下表裂面纹形尖成端蚀地坑区。产拉生应局力部在塑蚀性坑变或形原，有滑裂移纹台的阶尖在端表形面成 露应头力时集钝中化，膜使破阳裂极，电显位露降出低新，表加面速。阳这极个金新属表的面溶在解电。解如质果 溶裂液纹中尖成端为的阳应极力，集具中有始钝终化存膜在的，金那属么表微面电为池阴反极应，便从不而断形进 成行腐，蚀钝微化电膜池不。能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。
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——但是已产生微裂纹的无法恢复
形变速率与温度的综合作用：
③ 施加不同的载荷F，使裂纹前端产生不同 大小的初始应力场强度因子KI,
→ KI初始－tf曲线。
五、预防应力腐蚀断裂的措施
1、消除或减少机件中的残余拉应力。 （1）退火消除残余应力。 （2）改变应力状态：
采用喷丸、表面热处理——表面压应 力；
构件结构的改进——减小应力集中
2、改善介质条件： 消除或减少助长应力腐蚀开裂的有害
④ 应力腐蚀断裂速度(10－4-10－1cm/h)远 大于工业上正常纯腐蚀速度(10－5 cm/h)
பைடு நூலகம்
三、应力腐蚀断裂机理 1 钝化膜破坏机理： (1)拉应力→引起滑移→局部保护膜破裂；
(2)阳极反应——蚀坑 M→ M+n + ne ┗ 裂纹产生
(3)尖端产生应力集中， 使阳极电位下降，溶解 加速——裂纹扩展
试验速度下不呈现脆性。 ——对应变速度的敏感性是氢脆区别于其它
脆性的明显标志之一。 ——提高应变速度可降低材料对氢脆敏感度
(2)对温度敏感 只在一定温度范围内出现。 高强度钢：－100～150℃，尤室温敏感
——氢脆区别于其它脆性的标志之二。 (3)具可逆性
有氢脆的材料通过调整温度、脱氢或冲 氢处理、应变速率的调整，可使氢脆现象消 除或重现。
不发生应力腐 蚀的最大应力
场强度因子 ——KISCC
某种钛合金预制裂纹试样的KI－tf曲线
引入：应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC （1）定义：
试样在特定化学介质中不发生应力腐 蚀断裂的最大应力场强度因子，也称为应 力腐蚀门槛值。
（2）意义：表示含有宏观裂纹的材料在 应力腐蚀条件下的断裂韧度。
一定的材料与介质，KISCC值恒定。 ——力学性能指标，
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第一节 应力腐蚀
一、应力腐蚀断裂现象 应力腐蚀现象最先发现于黄铜零件中
一次大战中，冷冲子弹壳，开裂现象 ┗含微量氨气的海风——
子弹壳开裂现象： 润滑用肥皂水中含微量铵离子
又例： 1967年12月美国俄亥俄桥突然塌陷，死
46人，钢梁：应力＋大气中微量H2S。 铆接锅炉爆炸：水中含少量NaOH，造成
应力腐蚀断裂机理简图
2 应力腐蚀断裂过程 (1) 孕育阶段：裂纹产生前 (2) 裂纹亚稳扩展阶段：裂纹缓慢扩展 (3) 裂纹失稳扩展阶段：最后的机械破坏
3 断口形貌 (1)宏观形貌特征：
与疲劳断口相似，裂纹起源于表面， 有亚稳扩展区和最后瞬断区——宏观上 是脆性断裂。
(2)微观形貌特征: a、泥状花样及腐蚀坑 b、多为沿晶断裂，少量穿晶解理断裂； c、应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象。
低碳钢的碱脆。 飞机起落架断裂 ┗ 低合金超高强度钢的氢脆 另：奥氏体不锈钢的氯脆
共性： 应力与某种腐蚀介质共存——应力腐蚀断裂
二、应力腐蚀断裂定义及产生条件 1 定义：材料在拉应力和特定的环境介质
共同作用下，经过一段时间，所产生的低 应力脆性断裂现象，称为应力腐蚀断裂。
危害：缓和的介质＋较小的应力 导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或
四、应力腐蚀力学性能指标
1、不发生应力腐蚀的临界应力σSCC 早期：光滑试样，(应力＋介质)环境下，
测定σ-tf(不同应力水平-断裂时间)关系曲线
90%tf
σSCC
缺点：
t裂纹形成≈90%tf 不能真实反映 带裂纹试样
光滑试样的应力腐蚀的σ－tf关系曲线
2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 采用预制裂纹的试样： 裂纹＋应力——应力场强度因子
氢脆类型及脆化机制
二、氢致延滞断裂产生机理：
当原子态氢结合成H2受阻时，原子态H 进入金属，氢在刃型位错处聚集，形成氢 气团
拉应力下，位错运动 →氢气团钉扎 作用→应变硬化
位错运动受阻 →位错塞积，氢原子 聚集→产生应力集中→产生裂纹→扩展→ 断裂→氢脆。
三、氢致延滞断裂的特点 (1) 对应变速度敏感 变形速度愈慢，脆性发展愈明显； 静载荷能够反映氢的影响，而标准拉伸
（3）断裂判据：
① 裂纹尖端KI初始≥KIC时，立即断裂。 ┗ 断裂判据
② 当KISCC<KI初始<KIC时， 随KI初始↓，断裂时间↑。
③ KI初始< KISCC 时，不断裂
（4） KISCC测定方法： ① 预制裂纹试样＋化学介质，
② 在恒定载荷(拉伸应力)下，测定发生断 裂时间与初始应力场强度因子(KI初始)的关系;
原子态氢数量、扩散能力、基体受力状况等
阴极反应引起脆性时
┗ 阴极反应敏感型应力腐蚀
a 应力腐蚀断裂
b 氢致延滞断裂
一、氢脆概念 由于氢和应力的共同作用而导致金属材料
产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂(氢脆)。
类型： 氢蚀、 白点(发裂)、 氢化物致脆 氢致延滞断裂
类型 氢蚀
白点 (发裂)
脆化机制
化学离子。 离子交换法、添加缓冲剂等。
3、合理选材： 根据介质，避开敏感合金(表6－1)
4、采用电化学保护 外加电位，使偏离腐蚀电位
第二节 氢脆
钝化膜破坏机理
——阳极反应敏感型应力腐蚀
两极反应：
原子态氢：
阳极：Fe→Fe2 ＋ ＋2e
溶入钢中会
阴极：H+＋e→H；2H→H2↑ 引起脆性
故：阴极反应是否引起脆性取决于溶入金属的
轻微腐蚀； 导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力
2 应力腐蚀的特征 ①造成应力腐蚀破坏的应力一般是拉应力；
实质：压应力腐蚀破坏速度极小 ② 只有特定的合金成分与特定的介质相组 合才会造成应力腐蚀破坏——表6－1；
Al-Mg合金系：WMg>4%时 —— ①、 ②亦为产生的条件
③只有合金才产生应力腐蚀，纯金属极少。 例如：a、氢氧化铵溶液中 纯铜————无脆化现象 含0.004%P的铜——脆化现象 b、硝酸盐中： 纯铁无脆化，工业纯铁脆化
氢与材料中第二相反应生成高压 气体(例：钢中氢与碳化物生成 CH4)，气体在晶界聚集造成脆性。
过饱和氢在金属中偏聚形成氢气， 体积膨胀引起大的内应力，导致 微裂纹，裂纹断面呈银白色椭圆 状。
氢脆类型及脆化机制
类型
脆化机制
氢化物致 氢和金属原子形成脆性氢化物。 脆
氢致延滞 含一定量固溶态氢的金属，在低于材料 断裂 屈服强度的应力持续作用下，经过一段 孕育期后，在金属内部尤其是三向拉应 力区形成裂纹、裂纹逐步扩展、最后突 然脆性断裂的现象。