应力腐蚀
应力腐蚀概述
3个阶段Three stages
2 SCC破裂类型
– 裂纹起源 – 介质缓慢攻击产生凹坑 – 慢速裂纹扩展 – 快速断裂
3. 一般过程
Stress corrosion cracking
3. 一般过程
4. 影响因素
1．物理冶金因素 例如，金属材料的冶炼方式、化学成分及其偏析情况 ，组织、晶粒度、晶格缺陷及其分布情况，材料的物理 、化学及机械等方面的性能，材料的热处理状态及表面 状况等等
一 SCC
材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性 开裂破坏现象称为应力腐蚀开裂，简称应力腐 蚀。应力腐蚀是危害最大的腐蚀形态之一。应 力腐蚀应是电化学腐蚀和应力机械破坏互相促 进裂纹的生成和扩展的过程。 敏感的合金、特定的介质和一定的静应力是发生 应力腐蚀的三个必要条件。对于一定的材料， 其应力腐蚀只在特定的介质中发生。这种材料 与敏感介质的组合关系，称为应力腐蚀体系。 应力腐蚀的机理分为阳极溶解和氢脆机理两种。
Stress corrosion cracking
5. 特点
Stress corrosion cracking
5. 特点
Stress corrosion cracking
5. 特点
低碳钢在硝 酸盐溶液中 的应力腐蚀 破裂是典型 的沿晶破裂 ，呈“冰糖 状”断口
Stress corrosion cracking
4. 影响因素 3． 介质环境因素 金属材料所处的介质的性质、成 分、浓度、pH值、温度等等因素 都对应力腐蚀破裂有很大的影响．
4. 影响因素
4 电极电位的影响 电位对应力腐蚀破裂起决定性作用。应力腐 蚀破裂只发生在一定的电位范围内，这个范围 大约只有几百mv。不同材料在不同介质中发 生应力腐蚀的电位区(敏感电位区)不同。
应力腐蚀概述
应力腐蚀概述应力腐蚀是一种材料在同时受到应力和特定腐蚀介质作用下发生的破坏现象。
它被广泛应用于金属材料的工程设计和失效分析。
应力腐蚀的研究对于提高材料的耐蚀性能以及确保工程结构的安全是至关重要的。
本文将对应力腐蚀的定义、机理、预防措施以及相关领域的应用进行概述。
一、应力腐蚀的定义应力腐蚀是指金属材料在受到应力和特定腐蚀介质作用下产生的破坏。
这种破坏的特点是剧烈，严重影响材料的使用寿命和安全性。
应力腐蚀与单独的应力或腐蚀介质作用下的腐蚀具有明显的区别，需要同时满足应力和特定腐蚀介质的作用才会发生。
二、应力腐蚀的机理应力腐蚀的机理非常复杂，一般包括三个要素：金属材料、应力和腐蚀介质。
在应力腐蚀环境中，金属表面的被动膜被破坏，导致金属原子与腐蚀介质发生直接作用。
这种作用会引起金属表面的溶解，形成裂纹或表面腐蚀。
同时，应力会加剧腐蚀过程，并促使裂纹的扩展和破坏。
三、应力腐蚀的预防措施为了减少应力腐蚀的发生，可以采取一系列的预防措施。
首先，选择适合的材料是非常重要的。
某些材料对特定腐蚀介质表现出更好的抗腐蚀性能，因此在设计和使用过程中应选择这些材料。
其次，通过适当的设计和加工可以减少应力的集中和作用时间，从而降低应力腐蚀的风险。
此外，应在设计和施工中注意腐蚀控制和材料保护，定期检测和维护工程结构的完整性。
四、应力腐蚀在相关领域的应用应力腐蚀广泛应用于金属材料的工程设计和失效分析。
在航空航天领域，应力腐蚀是导致飞机、火箭和导弹等航天器件失效的主要原因之一。
在核能领域，应力腐蚀研究对于保证核反应堆的安全运行至关重要。
此外，应力腐蚀还在化工、石油、冶金等工业领域具有重要意义，对于设备的正常运行和人们的生命财产安全具有重要的保障作用。
结论应力腐蚀是金属材料在应力和特定腐蚀介质作用下发生的破坏现象。
它需要同时满足应力和腐蚀介质的作用才会发生，具有剧烈的破坏性。
为了减少应力腐蚀的发生，可以采取材料选择、设计和加工、腐蚀控制等预防措施。
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。
3.6 应力腐蚀
3.6.2.5 应力敏感系数
• 慢应变速率法(SSRT)是测定材料的SCC敏感性的快速 试验法。评价合金应力腐蚀敏感性的参数可用应力腐 蚀敏感系数ε f来表示： ε f ＝ Efh/Efk (3-17) • Efh—介质中塑性应变率； Efk—空气中塑性应变率。 • ε f 值愈大，愈耐应力腐蚀。 •
SCC在一定的临界电位范围内产生
• 一般发生在钝化—活化过渡区或钝化—过钝化区。
3.6.2.2 应力腐蚀断裂特征
• 应力腐蚀断裂从宏观上属于脆性断裂。即使塑性很 高的材料也无颈缩、无杯锥状现象。 • 腐蚀介质作用，断口表面颜色呈黑色或灰黑色。 • SCC 方式有穿晶断裂、晶间型断裂、穿晶与晶间混 合型断裂。 • 晶间断裂呈冰糖块状;穿晶断裂具有河流花样等特征。 SCC断口微观特征较复杂，视具体合金与环境而定. • 微断口上往往可见腐蚀坑及二次裂纹。 • 断裂的途径与具体的材料-环境有关。裂纹走向与主 拉伸应力的方向垂直。 • 腐蚀裂缝的纵深比其宽度要大几个数量级。裂纹一 般呈树枝状
应力腐蚀发生的条件
2)特定的腐蚀介质。对于某种合金，能发生应力腐蚀断 裂与其所处的特定的腐蚀介质有关。 • 而且介质中能引起SCC物质浓度一般都很低． • 如N2O4中含有痕量的O2就可使Ti合金贮罐发生破型，
• 在核电站高温水介质中仅含质量分数为ppmCl-和O2时，
奥氏体不锈钢就可发生应力腐蚀开裂。 •
3.6.2 应力腐蚀发生的条件和特征
• 3.6.2.1 应力腐蚀发生的条件 • 发生应力腐蚀断裂需要具备三个基本条件： 1)敏感材料。合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。 • 一般认为纯金属不会发生应力腐蚀断裂。 • 据报导，纯度达 99.999 ％的钢在含氨介质中没有发生 腐蚀断裂，但含有W(P)＝0.004％或W(Sb)=0.01％时， 则发生了应力腐蚀开裂; • 纯铁中碳的质量分数为0.04％C时，在热硝酸盐溶液中 就容易产生硝脆等，说明合金比纯金属更易产生应力 腐蚀开裂。
金属设备的应力腐蚀及预防措施
金属/设备的应力腐蚀及预防措施一、应力腐蚀的机理和特点1．应力腐蚀----金属/设备在拉应力和腐蚀介质同时作用下产生脆性破裂，叫应力腐蚀破裂。
2．应力腐蚀破裂的裂缝形态----主要有二种：a.沿晶界发展，称晶间破裂。
b.裂缝穿过晶粒，称穿晶破裂。
也有混合型，主逢为晶间型，支缝或尖端为穿晶型。
3．应力腐蚀的特征----a.必须存在拉应力（外加载核、热应力、冷/热加工或焊接后的残余应力等），若存在压应力则可抑制这种腐蚀。
b.发生应力腐蚀开裂(SCC)必须同时满足材料、环境、应力三者的特定条件。
也就是说一般只发生在一定的体系，如奥氏体不锈钢/CI-体系，碳钢/NO-3体系，铜合金/NH+4体系等。
根据介质主要成分为氯化物、氢氧化物、硝酸盐、氨、含氧水及硫化物等，而分别称为氯裂（氯脆）、碱裂（碱脆）、硝裂（硝脆）、氨裂（氨脆）、氧裂（氧脆），还有硫化物应力开裂等。
c. 应力腐蚀开裂与单纯由机械应力造成的开裂不同，它在极低的负荷应力下也能产生开裂。
d. 应力腐蚀开裂与单纯由腐蚀引起的开裂也不同，腐蚀性极弱的介质也能引起应力腐蚀开裂。
其全面腐蚀常常很轻，而且没有变形预兆，即发生突然断裂，应力腐蚀是工业生产中危害性最大的一种恶性腐蚀类型。
4．应力腐蚀的机理----应力腐蚀的机理很复杂，按照左景伊提出的理论，破裂的发生和发展可区分为三个阶段：a.金属表面生成钝化膜或保护膜。
b. 钝化膜或保护膜局部破裂，产生孔蚀或裂缝源。
c.裂缝内发生加速腐蚀，在拉应力作用下，以垂直于应力的方向深入金属内部。
裂缝多半有分枝，裂缝端部尖锐，端部的扩张速度很快，断口具有脆性断裂的特征。
二、应力腐蚀试验方法根据应力的加载方法不同，应力腐蚀试验方法主要可分为以下四类：恒变形法----给予试样一定的变形，对其在试验环境中的开裂敏感性进行评定恒载荷法(SSCC)----方法有拉伸试验、弯梁试验、C形环试验、双悬臂梁试验，常用拉伸试验，即把单轴拉伸型的试样进行H2S水溶液应力腐蚀试验，试验介质为%HAc+5%NaCl+饱和H2S水溶液，试验在恒负荷拉伸应力腐蚀试验机上进行。
应力腐蚀形成条件、危害性及裂纹特征
应力腐蚀形成条件、危害性及裂纹特征
1.应力腐蚀形成条件一是拉应力，二是应力腐蚀环境（含温度、腐蚀性介质）。
2.危害性是应力腐蚀而引起的断裂是在没有明显宏观变形、无任何征兆的情
况下发生的，破坏具有突发性。
裂纹往往深入到金属内部，一旦发生，很难修复，有时只好整台设备报废。
由于应力腐蚀裂纹原因复杂，涉及许多学科领域，到目前为止，尚有许多问题没搞清楚。
3.裂纹特征从宏观形态看，应力腐蚀裂纹只产生在与腐蚀介质接触的金属表
面，然后由表面向内部延伸，表面看呈直线状、树枝状、龟裂状或放射状等多种形态，但都没有明显塑性变形，裂纹走向与所受拉应力垂直。
从微观形态看，深入金属内部的应力腐蚀裂纹呈干枯的树根状，“根须”细长而带有分支，见下图，裂纹断口为典型的脆性断口。
应力腐蚀断裂
裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系——三阶段：
lg da dt
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
K1SCC
K1C K1
图2 裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系
试验原理
疲劳裂纹扩展速率da/dN表达式
② 当整体金属仍是弹性 变形状态时，裂纹尖 端的前沿为塑性区。
③ 裂纹尖端前具有三向 拉伸应力区，氢可在 此处富集。
裂纹尖端易于继续阳 极溶解，裂纹壁上阴 极反应析出的氢易于 进入金属。
位错与氢结合；运动 的位错快速输送氢。
指出富集部位，三向 拉伸区较疏松，富集 氢可降低应变能。
硫化物应力（SSC）腐蚀
K1
=
P
C3
(a W
B a
)
3）硫化氢环境门限应力强度因子KISCC的测定
材料在硫化氢环境下的 抗断裂特性
实验方法 用螺栓对试样加载P0 ，
用引伸计测量加载过程 中试样裂纹开口位移， 记录中止时位移量V0
试件放入H2S溶液中，经过一定 时间，试件裂纹扩展 ，螺栓力
松弛，载荷下降， 则KI下降，
三向受拉处，物质最稀松，有空穴产生，氢集中 在空穴中。
焊接时，氢离子结合呈氢原子或氢分子，形 成107的大气压。高的压力使钢材表面出现 氢鼓包，内部产生裂纹。
要求焊接时焊条要烘干，不得受潮。
3.硫化物应力腐蚀性能试验方法
美国腐蚀工程协会NACE TM0177—2005规定了四种标准 方法：
W - a 2.5( Ke )2 0.2
K1SCC/s>0.3，视为合格
应力腐蚀
应力腐蚀（一）应力腐蚀现象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。
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迭加所造成的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按持有机理产生的断裂。
其断裂抗力比单个因素分别作用后再迭加起来的要低很多。
由拉伸应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀（常用英文的三个字头SCC表示）。
不论是韧性材料还是脆性材料都可能产生应力腐蚀断裂。
应力腐蚀断裂一般都是在特定的条件下产生的：1．只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂(近来有研究说压应力下也可能产生)。
这种拉应力可以是外加载荷造成的应力；也可以是各种残余应力，如焊接残余应力，热处理残余应力和装配应力等。
一般情况下，产生应力腐蚀时的拉应力都很低，如果没有腐蚀介质的联合作用，机件可以在该应力下长期工作而不产生断裂。
2．产生应力腐蚀的环境总是存在特定腐蚀介质，这种腐蚀介质一般都很弱，如果没有拉应力的同时作用，材料在这种介质中腐蚀速度很慢。
产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，也就是说，每种材料只对某些介质敏感，而这种介质对其它材料可能没有明显作用，如黄铜在氨气氛中，不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中容易发生应力腐蚀，但反应过来不锈钢对氨气，黄铜对氯离子就不敏感。
3．一般只有合金才产生应力腐蚀,纯金属不会产生这种现象.合金也只有在拉伸应力与特定腐蚀介质联合作用下才会产生应力腐蚀断裂。
常见合金的应力腐蚀介质：碳钢：荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H2S水溶液，海水，海洋大气与工业大气奥氏体不锈钢：氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度90%），热NaCl，H2S水溶液，严重污染的工业大气（所以不锈钢水压试验时氯离子的含量有很严格的要求）。
马氏体不锈钢：氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢：海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金：水蒸汽，湿H2S，氨溶液铝合金：湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气（二）应力腐蚀断口特征与疲劳相似，应力腐蚀断裂也是通过裂纹形成和扩展这两个过程来进行的，一般认为裂纹形成约占全部时间的90%左右，而裂纹扩展仅占10%左右。
应力腐蚀和晶间腐蚀的区别
应力腐蚀和晶间腐蚀的区别在不锈钢的问题上经常提到应力腐蚀和晶间腐蚀，他们的腐蚀到底有什么不同呢？如何区分呢？1、晶间腐蚀晶粒间界是结晶方向不同的晶粒间紊乱错合的界域，因而，它们是金属中各溶质元素偏析或金属化合物沉淀析出的有利区域。
在某些腐蚀介质中，晶粒间可能先行被腐蚀。
这种沿着材料晶粒间界先行发生腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的局部破坏现象，称为晶间腐蚀。
特点是金属的外形尺寸几乎不变，大多数仍保持金属光泽，但金属的强度和延性下降，冷弯后表面出现裂缝，失去金属声，作断面金相检查时，可发现晶界或毗邻区域发生局部腐蚀，甚至晶粒脱落，腐蚀沿晶界发展推进较为均匀。
2、应力腐蚀金属材料在应力（拉应力）和腐蚀介质的联合作用下，经过一定时间后出现低于材料强度极限的脆性开裂现象，致使金属材料失效，这种现象称为应力腐蚀开裂。
特点是出现腐蚀裂缝甚至断裂，裂缝的起源点往往在点腐蚀小孔或腐蚀小坑的底部；裂缝扩展有沿晶间、穿晶粒和混合型三种，主裂缝通常垂直于应力方向，多半有分枝；裂缝端部尖锐，裂缝内壁及金属外表面的腐蚀程度通常很轻微，裂缝端部的扩张速度很快，断口具有脆性断裂的特征。
首先，试验方法不同，晶间腐蚀试验采用硫酸和硫酸铜，加热温度650℃左右；应力腐蚀试验采用沸腾氯化镁，加热到1025℃。
其次，试验目的不同，晶间腐蚀试验是考核沿晶界的局部腐蚀情况；应力腐蚀试验是考核表面裂纹所显示的应力承受水平。
其相同之处是，都是针对不锈钢的检验，都是当对检验结构有疑问时，采用金相检验予以确认。
晶间腐蚀：金属晶界区域的溶解速度远大于晶粒本体的溶解速度时，就会产生晶间腐蚀，产生原因主要是金属晶界区的物质同晶粒本体的电化学性质有差异（外在要具有适当的介质在该介质条件下足以显示出晶界物质同晶粒本体之间的电化学性质差异，而这种差异引起不等速溶解）。
当固溶处理后的奥氏体不锈在500~850温度范围内加热时过饱和的碳就要全部或部分地从奥氏体中析出，形成铬地碳化物，分布在晶界上，析出的碳化铬的含铬量比奥氏体基体的含铬量高得多，含铬量这样高的碳化晶界析出必然使碳化物附近的晶界区贫铬，形成贫铬区，贫铬区的电解密度比晶粒本体溶解电解密度大很多，从而使贫铬区优先溶解，产生晶间腐蚀。
第五章6应力开裂腐蚀
饱和期：裂纹互相连接，内部脱碳直到碳耗尽。 体积不再膨胀
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氢腐蚀的影响因素
• 温度 • 氢分压 • 冷加工变形：加速腐蚀（应变易集中在铁素体和碳化物界
面上，在晶界形成高密度微孔，增加了组织和应力的不均 匀性，增加气泡形核位置，并有利于裂纹的扩展。） • 碳化物的球化处理：使界面能降低而有利于孕育期的延长。 • 稳定化元素
机理：C+2H2 → CH4
Fe3C+2H2 → 3Fe+CH4
或4H + Fe3C → 3Fe+CH4
反应生成的高压气体，在高压、高温、含氢条件下氢
分子扩散到钢中，并生成甲烷，甲烷在钢中的扩散能力很
低，这样甲烷量不断增多，形成局部高压，造成应力集中
使该处发展为裂纹。（脱碳）
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氢腐蚀过程
孕育期：晶界碳化物及其附近有大量亚微型充满甲烷的 鼓泡形核。 力学性能和显微组织均无变化
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2、氢鼓泡（Hydrogen Blistering） 氢鼓泡是指过饱和的氢原子在缺陷位置（如夹杂、气孔、
微缝隙处）析出后，形成氢分子，在局部区域造成高氢压 （106MPa），引起表面鼓泡或形成内部裂纹，使钢材撕裂 开来的现象，称氢诱发开裂（HIC）或氢鼓泡（HB）。
40
3、氢化物脆裂 （ Hydrogen Embrittlement） 氢化物脆裂脆（HE）是指由于氢扩散到金属中以固溶态
材料因素 力学因素
SCC
环境因素
2、发生应力腐蚀断裂的主要是合金，几乎所有金属的 合金在特定的环境中都有一定的应力腐蚀敏感性。例如， 纯度达9999%的铜在含氨介质中不会腐蚀断裂，但含有 004%磷或001%锑时，则发生开裂。
氯化物会导致点蚀和应力腐原理
氯化物会导致点蚀和应力腐原理氯化物在工程材料中的应用广泛，但同时也存在一些潜在风险，其中包括点蚀和应力腐蚀。
本文将以氯化物导致点蚀和应力腐蚀为主题，从原理、影响因素、预防措施等方面进行详细讨论。
一、点蚀的原理点蚀是指金属表面局部区域产生的小孔洞或凹坑。
氯化物是导致点蚀的主要因素之一。
其作用机理主要包括两个方面：一是氯化物的存在导致金属表面的局部腐蚀，形成小孔洞；二是氯化物通过极化效应，降低了金属的极化能力，使得金属更易腐蚀。
二、应力腐蚀的原理应力腐蚀是指金属在受到外界应力作用下，在特定介质中发生的腐蚀现象。
氯化物也是导致应力腐蚀的重要因素之一。
其作用机理主要包括三个方面：一是氯化物在介质中能够增加金属的应力集中程度，使得金属表面出现微小的应力集中区域；二是氯化物作为电解质，加速了金属的电化学反应速度，使得腐蚀更为迅速；三是氯化物可以影响金属的裂纹扩展行为，导致金属在应力作用下更易发生断裂。
三、影响因素氯化物导致点蚀和应力腐蚀的影响因素主要包括：氯化物浓度、温度、氯化物类型、金属材料和应力状态等。
1.氯化物浓度：氯化物的浓度越高，对金属的腐蚀作用越大。
2.温度：温度越高，金属和氯化物之间的反应速率越快，导致腐蚀加剧。
3.氯化物类型：不同类型的氯化物对金属的腐蚀效果有所不同，如氯化铵和氯化钙的腐蚀作用较大。
4.金属材料：不同金属对氯化物的腐蚀抵抗能力不同，某些金属对氯化物的腐蚀更为敏感。
5.应力状态：应力作用下，金属的腐蚀形式和速率有所变化，更易发生应力腐蚀。
四、预防措施为了避免氯化物导致的点蚀和应力腐蚀，工程实践中可以采取以下预防措施：1.选择适当的材料：选择抗氯化物腐蚀性能较好的金属材料，如不锈钢、高合金钢等。
2.提高金属表面的耐氯化物能力：通过表面处理技术，如防腐涂层、阳极处理等，提高金属表面对氯化物的耐蚀性能。
3.合理设计和施工：在工程设计和施工过程中，考虑到氯化物的影响，采取合理的措施，如增加材料厚度、减少应力集中等。
应力腐蚀
2 1
oCr18Ni12Mo 2 (∅80×7.25管 材)
2
N:未破裂 M:母材内破裂 括号内数字为试验时间
D:焊缝内破裂
应 力 （公 斤 ／ 毫 米 ） ²
30
未喷丸处理 喷丸处理
20
10
10²
10³
10⁴
喷丸处理
oCr18Ni10 (42%
Mgcl₂
)
• 防止措施
严格控制腐蚀环境，防止Cl-、OH-浓缩：防 止水蒸发，设备定期清洗，即时排污 添加缓蚀剂：如液氨溶液中加0.2%的水 保护性覆盖膜：电镀、喷镀、渗镀，涂料等 采用阴极保护:接负电位为-0.8V时，可有效抑 制铬镍钢的腐蚀。
1 1000
PPM
温 度 OF
400 347 型 300
200
316型 100
0
20
40
60
80
100
120
产生破裂所需要的时间（小时）
温度对破裂诱发时间的影响，316及347型不锈钢在含875ppm Nacl的水中
（根据Fontant等）
●●
冶金因素
合金的化学成分、热处理、组织结构、加 工状态对其SCC敏感性都有影响。 对于奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的SCC 来说，提高Ni含量，加入硅、铜，有利 于提高抗SCC性能。 增加碳含量也有利于提高耐SCC性能，但 含碳量大则容易产生晶间性SCC。
H
在扩展的裂纹中的阳极反应
随H+阴极还原氢进入 合金中 H++e H H（Fe）H2
当（H+）建立（可能是慢的一步）从孔蚀形 成显微裂纹 在裂纹中阳极反应得到高浓度（H+）如： 2Cr+3H2O Cr2O3+6H++6e
化工设备中应力腐蚀的机理及防护探讨
化工设备中应力腐蚀的机理及防护探讨化工设备中应力腐蚀是一种常见的腐蚀形式，指的是在材料承受应力的与介质发生相互作用，导致材料发生腐蚀破坏的现象。
应力腐蚀会导致设备的损坏和事故风险的增加，因此对于应力腐蚀的机理和防护措施进行探讨具有重要的意义。
应力腐蚀的机理主要包括三个部分：应力、介质和材料。
首先是应力，化工设备通常会承受各种应力，如拉伸、压缩、弯曲、挤压等，这些应力会使材料内部的晶体结构发生变化。
其次是介质，化工设备在工作过程中会接触各种介质，如酸、碱、盐溶液等，介质的性质会影响应力腐蚀的发生。
最后是材料，不同的材料对应力腐蚀的敏感性不同，某些材料特别容易受到应力腐蚀的影响。
为了有效防护化工设备中的应力腐蚀，可以采取以下措施：1. 控制应力：在设计和施工阶段，应合理控制和预测设备中的应力分布，避免在高应力区域使用脆性材料，并考虑应变和变形的效应。
还应使用优良的接头技术和设备安装工艺，来减少应力集中和高应力区域的产生。
2. 选择合适的材料：应根据设备的工作环境和介质性质，选择抵抗应力腐蚀的材料。
目前常用的防腐材料包括不锈钢、镍基合金、钛合金等，这些材料具有较好的耐腐蚀性能和机械强度，能够有效避免应力腐蚀的发生。
3. 优化设备维护与检修：定期对设备进行维护与检修，及时清洗、除锈和涂层保护，可以减少腐蚀的发生。
还应定期检查设备内部的腐蚀情况，及时发现问题并进行修复。
4. 增加防护措施：可对设备进行额外的防护措施，如使用防腐涂层、防腐胶带、衬里等。
这些防护措施能够降低设备与介质之间的接触，减少腐蚀的发生。
化工设备中应力腐蚀的机理和防护方法需要综合考虑应力、介质和材料等多个因素。
通过合理控制应力、选择合适的材料、优化设备维护与检修以及增加防护措施等措施，可以有效预防和减少应力腐蚀的发生，提高设备的工作安全性和使用寿命。
应力腐蚀
应力腐蚀&晶晶间腐蚀应力腐蚀开裂（SCC ）：是指承受应力的合金在腐蚀性环境中由于烈纹的扩展而互生失效的一种通用术语。
应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。
发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力（不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之）和特定的腐蚀介质存在。
型纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。
这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。
在微观上，穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹，而沿晶界扩图的裂纹称为沿晶裂纹，当应力腐蚀开裂扩展至其一深度时（此处，承受载荷的材料断面上的应力达到它在空气中的断裂应力），则材料就按正常的裂纹（在韧性材料中，通常是通过显微缺陷的聚合）而断开。
因此，由于应力腐蚀开裂而失效的零件的断面，将包含有应力腐蚀开裂的特征区域以及与已微缺陷的聚合相联系的“韧窝”区域。
碳钢和低合金钢焊制的压力容器最常见的应力腐蚀环境包括：湿H2S 环境，液氨环境以及NaOH 溶液。
而奥氏体不锈钢压力容器最常见的应力腐蚀是氯离子引起的。
可产生应力腐蚀破坏的金属材料与环境的组合主要有以下几种： 1. 碳钢和低合金钢：介质为碱液、硝酸盐溶液、无水液氨、湿硫化氢、醋酸等；2. 奥氏体不锈钢：氯离子、氯化物+蒸汽、湿硫化氢、碱液等；3. 含钼奥氏体不锈钢：碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜的水溶液等；4. 黄铜：氨气及溶液、氯化铁、湿二氧化硫等；5. 钛：含盐酸的甲醇或乙醇、熔融氯化钠等；6. 铝：湿硫化氢、海水等减弱应力腐蚀的有效方法就是对设备进行消除应力热处理。
消除应力热处理属于焊接工件被加热到500-650度而后再缓慢冷却的过程。
应力的降低起因于高温下的蠕变，在碳钢中从450度开始出现；在含钼的钢中，从550度开始出现。
温度越高，应力越易于消除。
但是一旦超过钢材的原始回火温度，钢的强度便要降低。
所以消除应力的热处理一定要掌握好温度和时间两个要素，缺一不可。
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；
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)。
7-应力腐蚀与腐蚀疲劳
• 减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净 化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体 不锈钢的氯脆十分有效；
• 可以在腐蚀介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入300×106的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高 。
19
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设 计
22
7.2 氢脆
• 氢脆的定义
– 由氢和应力的联合作用而产生脆性断裂的现象谓之氢 脆断裂，简称氢脆。
• 氢脆发生的机理
– 原子氢在结合成氢分子的过程受阻，部分氢原子会溶 解到金属内部，而当金属同时受应力作用时，就可能 通过某种机制导致裂纹产生和脆性扩展。
• 影响氢脆发生的因素
– 氢原子溶入金属的数量、它的扩散能力以及基体受力 的状态。
7 应力腐蚀与腐蚀 疲劳
现代设计与分析研究所 何雪浤
1
7 应力腐蚀与腐蚀疲劳
• 机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而 失效的现象叫做应力腐蚀破坏；
• 受腐蚀介质和交变应力联合作用的失效则 叫做腐蚀疲劳破坏；
• 在应力腐蚀过程中，通常会同时产生金属
吸氢而引起的脆性破坏，即所谓氢脆现象
。
2
7 应力腐蚀与腐蚀疲劳
2
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恒位移试验方法
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7.1.3 应力腐蚀的机理
1．钝化膜理论 – 在应力腐蚀破坏时，首先表现为钝化膜的破坏 。
• 破坏部分成为阳极； • 裂纹尖端应力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。
– 在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹尖端处容易产生局部塑 性变形而形成滑移台阶所致。
2．闭塞电池理论 （1）在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔或 裂纹源。
应力腐蚀致脆的名词解释
应力腐蚀致脆的名词解释应力腐蚀致脆（Stress Corrosion Cracking，SCC）是一种常见的材料失效方式，它是金属或合金在同时受到应力和腐蚀介质作用下出现的脆性断裂现象。
这种形式的腐蚀破坏常常发生在高强度金属和合金上，尤其是在气体、液体或溶液中的高温环境下。
本文将对应力腐蚀致脆的概念、机制以及防治方法进行解释和探讨。
应力腐蚀致脆是由于金属或合金在存在外部应力的情况下，受到腐蚀介质的化学作用引起的。
腐蚀介质可以是气体、液体或溶液，其特点是具有一定的电导率和一定的化学活性。
应力载荷可以是静态载荷，如拉伸、压缩等，也可以是动态载荷，如振动、冲击等。
应力腐蚀致脆的机制非常复杂，通常包括三个关键要素：金属或合金的组织结构、外部应力和腐蚀介质。
首先，金属或合金的晶粒结构和晶界结构对应力腐蚀具有很大的影响。
晶界是金属晶粒之间的边界，往往是应力腐蚀的起始点。
其次，外部应力会对金属或合金的晶粒和晶界产生应力集中效应，从而导致晶界的腐蚀敏感性增加。
最后，腐蚀介质可以促进晶界处的金属离子迁移，从而加速腐蚀反应，并诱导裂纹的形成和扩展。
在实际应用中，应力腐蚀致脆往往给工程设计、生产和运行带来严重的安全隐患。
例如，在核电站中，应力腐蚀致脆可能导致重要结构元件的失效，威胁到核安全；在航空航天领域，它可能导致飞行器的部件断裂，危及乘客的生命安全。
因此，对于应力腐蚀致脆的预防和控制具有重要的理论和实践价值。
为了防止应力腐蚀致脆的发生，可以采取多种方法。
首先是合金的选材。
选择具有良好抗腐蚀和抗应力腐蚀性能的合金是有效预防应力腐蚀致脆的基础。
其次是改善材料的热处理和加工工艺，以提高合金的组织和性能。
合理的热处理过程和加工方法有助于减轻应力集中和晶界腐蚀敏感性。
此外，采用外加保护层、阴极保护和涂层等技术手段也可以降低合金的腐蚀速率和应力腐蚀敏感性。
此外，在工程实践中，还应注意合金的应力控制和腐蚀环境的控制。
对于高应力集中的部位，可以通过合理设计和合适的安装方法来减轻应力集中现象。
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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P129
5．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P131
11．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。
(2)在强度较低的材料中，或者虽为高强度材料但受力不大，存在的残余拉应力也较小，这时其断裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此处三向拉应力最大，氢浓集在这里造成断裂。
(3)断裂的主裂纹没有分枝的情况，这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。
氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者从一种裂纹扩展型式转变成另一种型式，但就具体的金属-环境组合来说，氢脆有特定的裂纹形态。
例如，在淬火回火钢中氢脆常沿着原奥氏体晶界扩展；而在钛合金中容易形成氢化物，裂纹是沿着氢化物与基体金属的界面上发展。
(4)氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。
(5)大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。
氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。
形变速度愈大，氢脆的敏感性愈小，当形变速率大于某一临界值后，则氢脆完全消失。
氢脆对材料的屈服强度影响较小，但对断面收缩率则影响较大。