Ⅱ型试样的氢致开裂和应力腐蚀
腐蚀及开裂机理
腐蚀减薄1 盐酸（HCl）腐蚀盐酸（HCl）腐蚀在大多数普通精炼工艺中都受到关注。
不同浓度的盐酸对许多普通制造材料都产生侵蚀作用，而且常常存在于自然条件中。
特别是当它与会更容易发生腐蚀。
奥氏体不锈钢常常发生点蚀，而且会形成隙间腐蚀及/或氯致应力腐蚀裂纹。
如果含有氧化剂，或不经过退火处理（主要是指将材料曝露于高温一段很长时间后，然后再慢慢冷却的热处理制程。
主要目的是：(1)释放应力，(2)增加材料延展性和韧性，(3)产生特殊显微结构。
），则会加快镍合金的腐蚀。
人们关注的是主要精炼设备上的盐酸腐蚀，它包括原油蒸馏，氢处理，和催化重整。
在原油蒸馏中水解镁和钙氯盐后形成了HCl盐酸。
在氢处理设备中，进料口处有机氯化物加氢作用时会产生HCl，或者HCl 随着碳氢化合物或氢进入设备，然后在流体管道中与水浓缩在一起。
在催化重整设备中，氯化物会被催化剂和碳氢化合物带走，导致流体管道或再生系统发生盐酸腐蚀。
2 高温硫/环烷酸腐蚀高温硫腐蚀是一种常见的均匀腐蚀，当温度超过400ºF就会发生。
这种腐蚀在加工油的过程中，常与环烷酸腐蚀同时发生。
而环烷酸腐蚀通常为局部腐蚀。
这些自然存在的物质可能本身就具有腐蚀性，当热分解转化成硫化氢后也会产生腐蚀。
在加氢设备中存在氢元素和催化剂，使硫化物转变为H2S。
由于含有硫物质，许多原油会产生环烷酸。
在蒸馏过程中，这些酸易浓缩成高沸点的成分，例如常压下的重柴油，常压残油和真空柴油。
这些酸也可能存在于真空残油中，酸性较低的多产生点蚀，而酸性较高的产生槽状或沟状腐蚀，而且腐蚀速度更快。
环烷酸可以改变或破坏材料的保护层（硫化物或氧化物），从而持续加快硫化腐蚀速率，甚至会直接破坏原材料。
3高温H2S/H2腐蚀高温H2S/H2腐蚀是一种常见的均匀腐蚀，当温度超过400ºF时就会发生。
这种硫化物腐蚀不同于高温硫/环烷酸腐蚀。
H2S/H2腐蚀发生在氢加工设备中，例如氢除硫工艺和氢裂化装置中，当硫化物通过催化剂与氢气反应可转化为硫化氢。
应力腐蚀
1．应力腐蚀的机理：阳极溶解和氢致开裂机理阳极溶解机理应力腐蚀断裂必须首先发生选择性腐蚀，而金属的腐蚀又受图4所示的阳极极化曲线的影响。
以不锈钢为例，增加介质中Cl-含量，降低介质中O2含量及pH值，都会使图4a中阳极极化曲线从左向右移动，这四根曲线分别对应于蚀坑或裂纹区(图4b)的不同位置。
应力的主要作用在于使金属发生滑移或使裂纹扩展，这两种力学效应都可破坏钝化膜，从而使阳极过程得以恢复，促进局部腐蚀。
钝化膜破坏以后，可以再钝化。
若再钝化速度低于钝化膜破坏速度，则应力与腐蚀协同作用，便发生应力腐蚀断裂。
氢致开裂机理或称氢脆机理，是应力腐蚀断裂的第二种机理。
这种机理承认SCC必须首先有腐蚀，但是，纯粹的电化学溶解，在很多情况下,既不易说明SCC速度，也难于解释SCC的脆性断口形貌。
氢脆机理认为,蚀坑或裂纹内形成闭塞电池，局部平衡使裂纹根部或蚀坑底部具备低的pH值，这是满足阴极反应放氢的必要条件。
这种氢进入金属所引起的氢脆,是SCC的主要原因。
这种机理取决于氢能否进入金属以及金属是否有高度的氢脆敏感性。
高强度钢在水溶液中的SCC以及钛合金在海水中的SCC是氢脆引起的。
2．应力腐蚀开裂的断口形貌：穿晶断口开裂图3．氢鼓泡产生机理，文字图通过实验和理论分析研究了氢鼓泡形核、长大和开裂的过程. 在充氢试样中发现直径小于100 nm未开裂的孔洞, 它们是正在长大的氢鼓泡, 也发现已开裂的鼓泡以及裂纹多次扩展导致破裂的鼓泡.分析表明, 氢和空位复合能降低空位形成能, 从而使空位浓度大幅度升高, 这些带氢的过饱和空位很容易聚集成空位团.H在空位团形成的空腔中复合成H2就使空位团稳定, 成为氢鼓泡核.随着H 和过饱和空位的不断进入, 鼓泡核不断长大, 内部氢压也不断升高.当氢压产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断开, 裂纹从鼓泡壁上形核.图5 氢鼓泡形核、长大示意图(a) 空位V和原子氢H聚集成为空位-原子氢集团; (b) 原子氢在空位团中复合成分子氢H2, 使其稳定, 鼓泡核形成; (c) 空位和氢不断进入鼓泡核使其长大; (d) 当鼓泡核内氢压产生的应力等于原子键合力时, 在鼓泡壁形成裂纹首先, 氢(H)进入金属和空位(V)复合, 使空位形成能大大降低, 从而大幅度升高空位浓度, 这些过饱和空位容易聚集成空位团. 当4个或以上的空位或空位-氢复合体(V-H)聚集成空位四面体或空位团时, 内部形成空腔, 如图5(a). 空位所带的氢在空腔中就会复合成H2, 形成氢压. 由于室温时H2不能分解成H, 故含H2的空位团在室温是稳定的, 它就是鼓泡核, 如图5(b). 随着H和空位不断进入鼓泡核, 就导致鼓泡在充氢过程中不断长大, 同时氢压不断升高, 如图5(c). 当鼓泡中的氢压在内壁上产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断裂, 裂纹沿鼓泡壁形核, 如图5(d). 随着氢的不断进入, 裂纹扩展, 直至鼓泡破裂4．氢进入金属材料的途径P1295．氢致脆断类型：可逆和不可逆，第一类和第二类6．第一类氢脆里的三种形式：氢腐蚀，氢鼓泡、白点，氢化物型氢脆7．第二类氢脆两种形式：应力诱发氢化物型氢脆，可逆氢脆8．氢脆的特征：氢蚀，白点宏观断口形貌9．氢的延迟断裂，氢致开裂过程10．氢致脆断的断口形貌特征P13111．减少氢脆倾向的途径：降低内氢的措施，降低环境氢的活性12．氢脆的特点(1)实验室中识别氢脆与应力腐蚀的一种办法是，当施加一小的阳极电流，如使开裂加速,则为应力腐蚀,而当施加一小阴极电流,使开裂加速者则为氢脆。
应力腐蚀及环境氢脆测试方法
K1-tF曲线
五、慢应变率法试验
慢应变率法，又称恒 应变率法，它是将拉伸试 样放在特定的介质中，然 后在慢应变率试验机上， 用一定的、缓慢的应变速 度进行拉伸试验，直到拉 断。
SERT型慢应变应力腐蚀试验机
六、应力腐蚀案例
不锈钢管与管板胀接部位的横向裂纹
管与管板连接方式很多，在应 力腐蚀工程事故分析中，多遇到胀 －焊连接，仅胀未焊连接还仅焊未 胀连接三种。部分胀－焊连接方式 见图。 大量事故分析表明，不论是胀 －焊还是仅胀未焊连接，不锈钢管 束应力腐蚀裂纹多位于胀与未胀过 渡区。 这与滚胀连接时，局部变形， 受有较大的纵向残余拉应力有关。 实测表明，此处纵向应力一般高达 相当于屈服强度的数值。
典型的da/dt－K曲线（K为应力强度因子）
8、破裂电位范围和临界破裂电位
大量的例子表明，对于某一特定体系应力腐蚀 破裂只发生于一定的电位以上，低于这个电位则不 会发生，这个电位值称为应力腐蚀破裂临界电位。
在沸腾的42％MgCl2 溶液中，18－8Ti 不锈钢的电位－断裂 时间关系
二、试样及测试方法的类型
b、三点弯曲试样
恒应变三点弯曲 试样及试验装置
恒载荷三点弯曲试验
1－棒；2－试样； 3－荷重
C、四点弯曲试样
恒应变四点弯曲试样及试样架
恒应变四点弯曲试样及试样架
1－棒；2－试样；3－荷重
d、双弯梁
3、U形弯曲试样
U形试样 弯曲过程
常用的U形试样
1－焊接或缚紧；2－焊接；3－夹紧前；4－受力试样
水中Cl-浓度对 0Cr18Ni10钢SCC 敏感性的影响
5、应力腐蚀破裂敏感系数
在特定条件下，把应力腐蚀破裂时间的倒 数，称为破裂敏感系数。当破裂敏感系数越大时， 材料的应力腐蚀敏感性也越大。
金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂§6.1应力腐蚀一、应力腐蚀及其产生条件1、定义与特点（1）定义（2）特点特定介质（表6-1）低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆不锈钢——氯脆铜合金——氨脆2、产生条件应力：外应力、残余应力；化学介质：一定材料对应一定的化学介质；金属材料：化学成分、显微组织、强化程度等。
二、应力腐蚀1、机理（图6-1）滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）；b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）；c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。
则裂纹逐步向纵深扩展。
（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）2、断口特征宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；断口呈黑色或灰色。
微观：显微裂纹呈枯树枝状；腐蚀坑；沿晶断裂和穿晶断裂。
（见图6-2，和p2）三、力学性能指标1、临界应力场强度因子K ISCC恒定载荷，特定介质，测K I~t f曲线。
将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。
2、裂纹扩展速度da/dtK I>K ISCC，裂纹扩展，速率da/dtDa/dt~ K I|曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳）由（图6-7，P152）可以估算机件的剩余寿命。
四、防止应力腐蚀的措施1、合理选材；2、减少拉应力；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。
§6-2 氢脆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（简称氢脆）一、氢在金属中存在的形式内含的（冶炼和加工中带入的氢）；外来的（工作中，吸H）。
间隙原子状，固溶在金属中；分子状，气泡中；化学物（氢化物）。
二、氢脆类型及其特征1、氢蚀（或称气蚀）高压气泡（对H，CH4）宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。
关于抗氢致开裂开裂及抗硫化物应力腐蚀开裂试验R-HIC钢板的问答
通常抗氢致开裂HIC（Hydrogen Induced Crack）主要是针对低碳高强度结构钢制压力管线讲的( 现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢)。
目前国内生产的此类专用钢(抗HIC专用钢)主要材料牌号有：16MnR(HIC),20R(HIC),SA516(HIC)。
该类钢的碳当量可用Ce=C+Mn6+(Cr+Mo+V)5+(Ni+Cu)15计算。
质保书中C：0.022，Mn：1.05，Cr：18.20，Ni：8.32材料成分大致符合不锈钢00Cr19Ni10(GBT1220—1992)主要元素成分要求。
提供的是00Cr19Ni10或类似材质，应该没有太大问题。
参考资料：关于提高提高管线钢抗HIC能力的措施提高管线钢抗HIC能力的措施有成份设计、冶炼控制、连铸工艺、控轧控冷等四个方面。
展开来说，主要有三点：提高钢的线纯净度。
采用精料及高效铁水预处理（三脱）及复合炉外精炼，达到S≤0.001%，P≤0.010%，[O]≤20ppm，[H]≤1.3ppm。
同时采用Ca处理。
②晶粒细化。
主要通过微合金化和控轧工艺使晶粒充分细化，提高成分和组织的均匀性。
为此，钢水和连铸过程要电磁搅拌；连铸过程采用轻压下技术；多阶段控制轧制及强制加速冷却工艺；Tio处理，使得钢获得优良的显微组织和超细晶粒，最终组织状态是没有带状珠光体的针状铁素体或贝氏体。
③昼降低含C量（C ≤0.06%），控制Mn含量，并添加Cu和Ni。
从炼钢来看，宝钢、武钢、鞍钢、攀钢、太钢等企业能生产不同等级的管线钢种，目前国内能生产X42、X52、X60、X65、X70等，X70目前在试用。
管线钢国产化程度大幅度提高，产品质量有了显著的改进，产品的成份控制、强度、韧性、晶粒度、焊接性能等均已接近或达到国外同类产品的水平。
高S原油加工过程中硫腐蚀及防护选材准则 thread-4029-1-1.html（作者前言）：2001年1月，中国石化科技开发部邀请英国壳牌石油公司材料专家霍普金申（音译）在南京就“高S原油加工过程中硫腐蚀及防护选材准则”做了讲座。
金属在h2s环境中抗硫化应力开裂和应力开裂及应力腐蚀开裂的试验方法
金属在h2s环境中抗硫化应力开裂和应力开裂及应力腐蚀开裂的试验方法全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：金属在H2S环境中的抗硫化应力开裂和应力开裂以及应力腐蚀开裂是工程材料研究中一个重要的课题。
随着工业发展的进步，金属在硫化氢环境下遇到的腐蚀问题越来越严重，因此对金属的抗硫化能力进行有效评估和研究显得尤为重要。
本文将重点介绍金属在H2S环境中抗硫化应力开裂和应力开裂以及应力腐蚀开裂的试验方法。
一、抗硫化应力开裂试验方法1.慢应变速率拉伸试验（SSRT）慢应变速率拉伸试验是一种常用的用于评估金属抗硫化应力开裂能力的试验方法。
在试验中，将金属样品置于硫化氢环境中，通过施加不同应变速率的拉伸载荷来评估金属的应力开裂敏感性。
通过观察试验样品的断口形貌，可以判断金属在H2S环境中的抗硫化应力开裂能力。
2.冲击试验（Charpy V-notch Impact Test）Charpy V-notch冲击试验是一种常用的测试金属在低温下的韧性能力的方法，也可以用于评估金属在H2S环境中的抗硫化应力开裂能力。
通过在冲击试验中引入硫化氢气体，可以模拟实际工作环境下的应力开裂情况，进一步评估金属的性能。
2.环境应力开裂试验（Environmental Stress Cracking Test）2.断裂力学分析（Fracture Mechanics Analysis）断裂力学分析是一种常用的方法，用于评估金属在应力腐蚀开裂条件下的裂纹扩展行为。
通过对金属样品的裂纹形貌和裂纹扩展速率等参数进行分析，可以评估金属在应力腐蚀开裂条件下的裂纹扩展机制和发展规律。
第二篇示例：金属在H2S环境中抗硫化应力开裂和应力开裂及应力腐蚀开裂是材料科学和工程领域一个重要而复杂的问题。
H2S是一种常见的硫化氢气体，常常存在于石油、天然气等工业生产中。
金属材料在H2S环境中受到应力作用时容易发生各种腐蚀和开裂现象，这对于工程结构的安全性和可靠性都提出了严峻的挑战。
氢脆失效危害巨大，它是如何发生的，生产过程中如何预防？
氢脆失效危害巨大，它是如何发生的，生产过程中如何预防？一、氢脆的概念及机理氢脆是工程失效分析中经常提到的一个术语。
顾名思义，它是由氢引起的金属材料的脆化。
其机理是氢原子沿晶界进驻晶界并向内扩散并聚集，并在应力作用下最终导致沿晶界开裂，从而导致金属材料最终产生脆性断裂。
与氢脆相关联的另一种失效模式是应力腐蚀。
氢脆机理非常复杂，氢脆断裂现象多种多样。
国内外氢脆理论有很多种，如位错钉扎理论、晶界聚集理论、氢气泡理论、脆性相理论等。
迄今为止，还没有统一的理论能够解释所有的氢脆现象。
但从理论上讲，氢不仅能使金属材料变脆，也能使金属材料变韧，即氢能致软化也能硬化。
在失效分析中，特别是在断裂分析中，裂纹并不总是以脆性的形式出现，而是也会以韧窝断裂的形式出现。
二、氢的来源及其在金属中的存在形态金属材料中氢的来源一般有两种。
一种是内氢，也就是材料内部含有的氢，其来源有：1.金属材料在冶炼、焊接或熔铸的时候导致内部残留的氢；2.金属材料在化学及电化学处理过程中，如电镀、酸洗时，进入金属内部的氢。
另一种是环境氢，即外来的氢。
零件或构件处于含氢的环境中工作，简称“临氢”。
金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进入金属内部的氢。
氢在金属中的存在形态有如下几种：溶解氢：以间隙原子状态固溶于金属中的氢[H]；化合氢：形成各种氢化物；TiH、NiH、VH、ZrH、NbH等分子氢：气态H2存在于金属内部的气孔、裂缝中；氢还可以与各种合金元素溶质原子、晶体缺陷、各种化合物相发生程度不同的结合。
如与位错结合成为Cottrell气团。
三、氢脆的种类及其特征1. 氢蚀（氢+第二相→高压气体）发生氢鼓泡的温度较高，在205－595℃。
例如碳钢在300－500℃的高压氢气氛中工作，氢与钢中的碳结合生成CH4而断裂。
反应公式：H+C=H4C。
宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状；微观断口晶界明显加宽，呈沿晶断裂。
2. 白点（发裂）通常发生于大型钢锻件中。
10-应力腐蚀开裂-氢致开裂
应力腐蚀开裂很普遍，化工
行业约占四分之一。危害性极大，
如飞机失事，桥梁断裂，油气管
爆炸。
6
304不锈钢在沸腾45%MgCl 溶液中的穿晶裂纹
敏化304不锈钢在室温连多硫 酸溶液中的晶间裂纹
应力腐蚀的裂纹有晶间型、穿晶型和混合型三种类型。
二、SCC发生的条件和特征
1、力学特征
应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成的破坏。
1、贫铬理论—晶界碳化物析出（过渡期，固溶处理可消除）
晶界碳化物析出示意图
敏化热处理 不锈钢在弱氧化性介质中发生的 晶间腐蚀，可以用贫铬理论解释。
奥氏体不锈钢（含碳相对高） 铁素体不锈钢（含碳、氮低） 晶间腐蚀最易发生在活化—钝化 过渡区。
3
2、阳极相理论—晶界σ相析出并溶解 （过钝化区，固溶处理不能消除）
可逆氢脆：含氢金属在高速变形时并不显示脆性，而在缓慢
变形时由于氢逐渐向应力集中处富集，在应力与氢交互作用下形成 裂纹形核、扩展，最终导致脆性断裂。
28
2、第一类氢脆：氢脆的敏感性随应变速率增加而增加，即材 料在加载前存在某种裂纹源，加载后在应力作用下加快了裂 纹的形成与扩展。 氢腐蚀：氢在高温高压下与金属中第二相发生化学反应,生成
如锅炉钢在碱性溶液中的碱脆 低碳钢在硝酸溶液中的硝脆 奥氏体不锈钢在含氯离子溶液中的氯脆 黄铜在氨气氛中的氨脆 高强度钢在酸性或中性NaCl中的氢脆
特定的电位范围：应力腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀的发展有 一个共同点—均以“闭塞电池”机制为推动力。
10
合金的应力腐蚀断裂电位区（阴影）
铁的裂纹pH值及其电位分布
电位（V）
γ相
1.5
1.0
σ相
0.5
应力腐蚀开裂(SCC)课件
大家好，前面我们学习了全面腐 蚀、电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、 晶间腐蚀和选择性腐蚀。这些都 是不考虑外力的情况下金属的腐 蚀形态。
贵金属 全面腐蚀
次贵金属
电偶腐蚀
孔蚀
层状 塞状 缝隙腐蚀 晶间腐蚀 选择性腐蚀
实际上，在各种环境中服役的金 属材料，除了受腐蚀介质的作用 外，同时还受到各种应力作用， 这样将导致更为严重的腐蚀破坏。
安全区
其次，SCC裂纹也有一定的特点， 它们起源于表面；一般呈树枝状， 长宽尺寸相差几个数量级；扩展方 向一般垂直于主拉伸应力的方向； 有晶间型、穿晶型和混合型。晶间 型的有软钢、铝合金、铜合金等； 穿晶型的有奥氏体不锈钢、镁合金； 混合型的有钛合金等。
F F
混合型
SCC裂纹的扩展速率一般为106-10-3mm/min，比均匀腐蚀快 约百万倍，但又仅为纯机械断裂 速度的十亿分之一。在整个过程 中，扩展速率并不是一成不变的。
拉应力
拉应力 A区，裂纹两侧，腐蚀电流密度10-5A/cm2 阴极C 静态阳极A （稳定阳极）
介 质
腐蚀介质 A* 屈服阳极A* （动力阳极） A
A*区，裂纹尖端，腐蚀电流密度0.5A/cm2 阴极C
我画的很简陋，请进行美化，谢谢！
阴极保护可以防止和抑制应力腐 蚀破裂，是对此理论的证明，所 以其接受度较高。
这种现象尤其容易发生在热交换 器、冷却器、蒸汽发生器、送风 机等设备上，像锅炉璧、埋地管 道等，涉及所有重要的经济领域。
锅炉壁
埋地管道
由于是脆性断裂，所以往往会带 来灾难性的后果，如美国的“银 桥”由于长期在含有较高浓度的 硫化氢和二氧化硫的空气中服役 而突然断裂，造成46人丧生和 巨大的经济损失。
第七章应力作用下的腐蚀解析
(4)材料和环境的交互作用反映在电位上，一般认为，应力腐蚀破裂有三个易产
生破裂的区间。
活化-阴极保护过渡区（区域1）
活化-钝化电位过渡区（区域2）
钝化-过钝化电位区（区域3）
三个电位过渡区都是钝化膜不稳定的区域，在应 力与腐蚀介质中易诱发应力腐蚀。
在区域1: ➢wNi20%不锈钢在8mol/l沸腾H2SO4中； ➢18Cr-9Ni不锈钢在225℃、wNaOH20%溶液中发生 破裂；
镁合金 Mg-Al Mg-Al-Zn-Mn
钛及钛合金
HNO3，NaOH，HF溶液，蒸馏水 NaCl+ H2O2溶液，海滨大气，NaCl-K2CrO4溶液，水，SO2-CO2-湿空气 红烟硝酸，N2O4，HCl，Cl-水溶液，固体氯化物（＞2900C），海水，CCl4，甲醇、甲醇蒸气，三氯乙
烯，有机酸
第一节 应力腐蚀破裂 应力腐蚀破裂是指材料在固定拉应力和腐蚀介质的共同作用下产生的破裂。 所谓固定，是指方向一定的拉应力，但是大小可以变化。腐蚀和应力是相互 促进，不是简单叠加 ，两者缺一不可 。应力腐蚀破裂简称应力腐蚀，国外 称之为SCC (Stress Corrosion Cracking 的缩写)。
残余应力，金属材料在生产过程和加工过程中，在材料内部产生的应 力如冷轧、弯曲、机械加工、焊接、热处理过程中也能产生应力。
热应力，由于淬火、周期性的加热和冷却而引起的应力。
结构应力，由于设备，部件的安装和装配而引起的应力。
产生应力腐蚀破裂的应力值一般低于材料的屈服点。在大多数产生应力腐 蚀的系统中，存在一个临界应力值。当应力值低于该临界值时，不会产生 应力腐蚀破裂。
在区域2：普碳钢在8mol/LNaOH溶液中发生应力 破裂；
第7章 应力腐蚀和氢脆断裂
12
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
13
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。
32
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。
15
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：
材料的应力腐蚀
材料的应力腐蚀标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]材料应力腐蚀材料在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏叫应力腐蚀。
这里需强调的是应力和腐蚀的共同作用。
材料应力腐蚀具有很鲜明的特点，应力腐蚀破坏特征，可以帮助我们识别破坏事故是否属于应力腐蚀，但一定要综合考虑，不能只根据某一点特征，便简单地下结论。
影响应力腐蚀的因素主要包括环境因素、力学因素和因素。
原理应力腐蚀是指在拉应力作用下，金属在腐蚀介质中引起的破坏。
这种腐蚀一般均穿过晶粒，即所谓穿晶腐蚀。
应力腐蚀由残余或外加应力导致的应变和腐蚀联合作用产生的材料破坏过程。
应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂。
应力腐蚀一般认为有阳极溶解和氢致开裂两种。
常见应力腐蚀的机理是:零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。
由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。
加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。
这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。
影响应力腐蚀过程试验研究表明:当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。
一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。
一般存在拉应力，但实验发现压应力有时也会产生应力腐蚀。
对于扩展速率，应力腐蚀存在临界KISCC，即临界应力强度因子要大于KISCC，裂纹才会扩展。
一般应力腐蚀都属于脆性断裂。
应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为10- 6~10-3 mm/min，而且存在孕育期，扩展区和瞬断区三部分。
容易发生应力腐蚀的设备发生这种腐蚀的主要设备有热交换器、冷却器、蒸汽发生器、送风机、干燥机和锅炉特点(1)造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力(近年来，也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。
应力腐蚀及环境氢脆测试方法
KISCC可以实测得到，也可以通过计算方法求 得。一般，通过理论方法求得KISCC十分麻烦，工 程上多通过实测得到。
7、裂纹扩展速率da/dt及裂纹扩展速度v
d、恒位移中心预裂试样
4、恒K1试样
a、锥梯形试样
b、与（w-a）无关的锥梯形试样
c、与（w-a）有关的锥梯形试样
5、KISCC及da/dt的测试步骤
a、试样的准备 应力腐蚀破裂试样的截取，要考虑
到母材的轧制方向，不同取向的试样， 试验结果不一样。
b、平面应变的条件是 B，a，（W－a）2.5(KISCC/s)2
b、三点弯曲试样
恒应变三点弯曲 试样及试验装置
恒载荷三点弯曲试验
1－棒；2－试样； 3－荷重
C、四点弯曲试样
恒应变四点弯曲试样及试样架
恒应变四点弯曲试样及试样架
1－棒；2－试样；3－荷重源自d、双弯梁3、U形弯曲试样
U形试样 弯曲过程
常用的U形试样
1－焊接或缚紧；2－焊接；3－夹紧前；4－受力试样
• 应力腐蚀试验的试样是浸在腐蚀介质中的，因此对 于裂纹扩展情况的观察和测量都受到限制。
• 应力腐蚀试验的微区电化学过程的测试，还存在技 术上的困难，如微区的电极电位，微区的极化曲线 等等的测量，目前还相当困难。
• 应力腐蚀试验的影响因素很多，往往试验结果数据 很分散，而且重现性较差，因此处理很困难。
损坏情况：运转2月后发现泄漏，运转3个月检修时发现70多根 管子 破裂。破裂多发生在高温侧管板缝隙附近。 分析检验：裂纹从管外壁产生，向内壁扩展，属穿晶型应力 腐蚀裂纹特征。断口扫描电镜发现，破裂是典型的脆性解 理断裂，是由氯化物应力腐蚀造成的。
应力腐蚀和氢脆
二、应力腐蚀产生的条件
▪ （1）只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开 裂(近年来，也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。 这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，但 主要是各种残余应力，如焊接残余应力、热处理 残余应力和装配应力等。 据统计，在应力腐蚀开裂事故中，由残余应 力所引起的占80%以上，而由工作应力引起的则 不足20%。
▪ 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。
采用电化学保护
▪ 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。
F/A－18舰载机
SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构的临界载荷破裂失效。 在飞机制造时，安装和装配应力也应该消除。材料选择和过程 也能预防SCC，选择较小SCC倾向的铝合金是关键。必须采用 经过长时间时效处理、延展的和消除了应力的铝合金。同样， 利用开发的用于减少应力腐蚀开裂的恰当的铝回火热处理也很 重要。
▪ 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化 的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。
▪ 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物 （泥状花样），或腐蚀坑。而疲劳断口的表面，如果是 新鲜断口常常较光滑，有光泽。
▪ 应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是沿晶断 裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂 纹有似人字形或羽毛状的标记。
枯枝状
泥状花状
奥氏体不锈钢应力腐 蚀断口
1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM)
a) 解理断口Βιβλιοθήκη b) 扇形状或羽毛状的痕迹
氢腐蚀开裂PPT课件
• 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
应力腐蚀断裂和氢脆
海川流浪人应力腐蚀断裂和氢脆金属材料的两种经常有关而又有别的被破坏（或断裂）的现象。
应力腐蚀断裂(SCC) 是应力与腐蚀介质协同作用下引起的金属断裂现象（见金属腐蚀）。
它有三个主要特征:①应力腐蚀断裂是时间的函数。
拉伸应力越大,则断裂所需时间越短；断裂所需应力一般都低于材料的屈服强度。
这种应力包括外加载荷产生的应力、残余应力、腐蚀产物的楔形应力等。
②腐蚀介质是特定的，只有某些金属-介质的组合（见表发生应力腐蚀断裂的典型体系──金属与腐蚀介质的组合）情况下，才会发生应力腐蚀断裂。
若无应力，金属在其特定腐蚀介质中的腐蚀速度是微小的。
③断裂速度在纯腐蚀及纯力学破坏之间，断口一般为脆断型。
氢脆(HE) 又称氢致开裂或氢损伤，是一种由于金属材料中氢引起的材料塑性下降、开裂或损伤的现象。
所谓“损伤”，是指材料的力学性能下降。
在氢脆情况下会发生“滞后破坏”，因为这种破坏需要经历一定时间才发生。
氢的来源有“内含”的及“外来”的两种：前者指材料在冶炼及随后的机械制造（如焊接、酸洗、电镀等）过程中所吸收的氢；而后者是指材料在致氢环境的使用过程中所吸收的氢（见金属中氢）。
致氢环境既包括含有氢的气体,如H□、H□S；也包括金属在水溶液中腐蚀时阴极过程所放出的氢。
金属的应力腐蚀断裂和氢脆是两种既经常相关而又不同的现象。
在高温高压氢气中结构件的开裂，既是HE，又是SCC；水溶液中应力腐蚀时,若阴极过程析出的氢对断裂起了决定性作用，则这种破坏既是SCC，也是HE;这两个实例便位于图1应力腐蚀断裂(SCC)和氢脆(HE)关系的示意所示的重叠区内。
试验方法和工程参量应力腐蚀试验一般采用光滑或缺口试样，固定环境条件（即腐蚀介质和温度），采用断裂为临界点、测定固定应力下的断裂时间（□□）或固定□□下的断裂应力(□□),用□□的长短或□□的高低,来衡量材料抗应力腐蚀断裂能力的大小。
70年代以来，人们广泛地运用了断裂力学研究应力腐蚀断裂；用预制裂纹的试样进行应力腐蚀试验,如图2断裂时间□□与应力场强度因子(□□)之间的关系所示。
硫化氢环境中17-4PH钢抗氢致开裂与应力腐蚀开裂性能
硫化氢环境中17-4PH钢抗氢致开裂与应力腐蚀开裂性能王瑶;魏安安;申登峦【摘要】根据美国NACE标准研究了17-4PH钢在酸性H2S水溶液中的抗氢致开裂(HIC)和应力腐蚀开裂(SCC)的性能,利用光学显微镜及扫描电镜(SEM)观察了裂纹及组织形貌,并结合理论分析了材料的氢致开裂与应力腐蚀开裂行为.结果表明:17-4PH钢在标准NACE试验溶液中会产生氢致裂纹,试样内部微裂纹主要在晶界、夹杂等缺陷处成核并扩展;标准C型环试样在0.8σs的恒应力作用下,浸泡于饱和硫化氢溶液中,720 h内3组试样均发生断裂,表明其SCC敏感性较大,试样的宏观裂纹由边缘向内部扩展;扫描电镜结果显示,SCC断口有明显的脆性断裂(解理断口)特征,应力腐蚀开裂是由HIC引起,且裂纹扩展形式多为穿晶型.【期刊名称】《腐蚀与防护》【年(卷),期】2016(037)002【总页数】4页(P100-103)【关键词】17-4PH钢;硫化氢;应力腐蚀开裂;氢致开裂【作者】王瑶;魏安安;申登峦【作者单位】常州大学机械工程学院,常州213016;常州大学机械工程学院,常州213016;常州大学机械工程学院,常州213016【正文语种】中文【中图分类】TG172.9不锈钢材料在湿H2S环境中的腐蚀开裂时有发生， 17-4PH是一种典型的马氏体沉淀硬化型不锈钢，其性能特点是强度高、硬度高，耐蚀性能优于普通马氏体不锈钢，并可通过改变热处理工艺调整强度级别。
马氏体相变和时效处理形成沉淀硬化(Precipitation Hardening)相是其主要强化手段，由于其衰减性能好,抗腐蚀疲劳及疏水性强，被广泛应用于海上平台、涡轮机叶片、阀门、机械零部件等。
在酸性H2S水溶液中，17-4PH钢易发生氢脆，且对时效温度十分敏感。
徐增华指出17-4PH钢在317 ℃时效易氢脆破断，而在510 ℃以上温度时效则不易破断，为了改善沉淀硬化不锈钢抗氢脆性能，采用较高温度进行时效或过时效处理，是行之有效的措施[1]。
金属的应力腐蚀和氢脆断裂(最全版)PTT文档
3、显微组织对耐磨性的影响 4、服役工况的影响
三、提高材料耐磨性的措施
1、工况分析 2、选材及其强化处理
Hale Waihona Puke 感谢观看金属的应力腐蚀和氢脆断裂
二、应力腐蚀
1、机理 滑移——溶解理论（钝化膜破坏 理论） a）应力作用下，滑移台阶露头 且钝化膜破裂（在表面或裂纹 面）； b）电化学腐蚀（有钝化膜的金 属为阴极，新鲜金属为阳极）； c）应力集中，使阳极电极电位 降低，加大腐蚀； d）若应力集中始终存在，则微 电池反应不断进行，钝化膜不能 恢复。则裂纹逐步向纵深扩展。 （该理论只能很好地解释沿晶断 裂的应力腐蚀）
间隙原子状 固溶在金属中；
将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。
1、是材料的物性与服役工况的综合表现。 b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）； 化学物（氢化物）。
二、氢脆类型及其特征
1、氢蚀（或称气蚀） 高压气泡（H2，CH4） 宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）； 微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。
三、钢的氢致延滞断裂机理
三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。 1）孕育期 氢原子数量↑；扩散，偏聚。 氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受 阻，产生应力集中，萌生裂纹。 2）温度的影响 tt3<>）ttHH应氢氢力扩气状散团况率扩很散漫，，无不氢形脆成。氢脆；t=tH 最敏感； 应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进H溶解。
高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。[循环软化]
四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系。 “相互促进” 阳极溶解、金属开裂 阴极吸氢，延滞断裂。
五、防止氢脆的措施 1）材料 降低含氢量，细化组织 2）环境 减少吸氢的可能性 3）力学因素 减小残余应力