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。

2）白点（发裂）氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。

宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。

甚至有白线。

3）氢化物形成氢化物（凝固、热加工时形成）；或（应力作用下，元素扩散而形成）。

氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。

裂纹沿界面扩展。

4、氢导致延滞断裂由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。

原因：氢显著降低金属材料的断后伸长率。

条件：一定温度范围；慢速加载（恒载）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：氢原子数量↑；扩散，偏聚。

2）机理氢固溶，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。

3）特点①t<t H 氢扩散率很漫，不形成氢脆；t=t H 最敏感；t>t H氢气团扩散，无氢脆。

②应变速率高，不会出现氢脆。

③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金属材料的应力腐蚀开裂，是指在静拉伸力和腐蚀介质的共同作用下导致腐蚀开裂的现象。

它与单纯由应力造成的破坏不同，这种腐蚀在极低的应力条件下也能发生；它与单纯由腐蚀引起的破坏也不同，腐蚀性极弱的介质也能引起腐蚀开裂。

它往往是没有先兆的进展迅速的突然断裂，容易造成严重的事故。

因此它是一种危害性极大的破坏形式。

按照裂纹发展过程的电化学反应，可以把应力腐蚀分为两个基本类别：阳极反应敏感型和阴极反应敏感型。

阳极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应力腐蚀裂纹的形成和发展过程是以裂纹处金属的阳极溶解为基础的，裂纹的成长速度也由金属阳极溶解速度决定。

阴极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应反应过程中由于阴极吸氢而造成的脆性破坏，它也称为氢脆型应力腐蚀，也称氢脆。

通常说的应力腐蚀，指的是阳极反应敏感型应力腐蚀。

金属材料发生应力腐蚀的特征，可从四个方面说明1、应力产生应力俯视的应力主要是其中的静态部分，它可以是外加载荷或装配力（例如拧螺栓的力、胀接力等）引起的应力，也可以是构件在加工、热处理、焊接等过程中产生的内应力。

不管来源如何，导致应力腐蚀开裂的应力必须有拉伸应力的成分，压缩应力是不会引起应力腐蚀开裂的。

此外，这种应力通常是比较轻微的。

如果不是在腐蚀环境中，这样小的应力是不会使构件发生机械性的破坏。

构成破坏的应力值要根据材料、腐蚀介质等具体情况来确定。

2、腐蚀介质产生应力腐蚀的材料和介质并不是任意的，只有二者是某种组合时才会发生应力腐蚀。

引起普通钢应力腐蚀的腐蚀介质有：氢氧化物溶液；含有硝酸盐、碳酸盐、硫化氢的水溶液；海水，硫酸-硝酸混合液；融化的锌、锂；热的三氯化铁溶液；液氨。

引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质有：酸性和中性的氯化物溶液；海水；熔融氯化物；热的氟化物溶液；日的氢氧化物溶液。

3、材料一般认为极纯的金属不产生应力腐蚀破坏，只有在合金或含有杂质的金属中才会发生。

4、破坏过程a.孕育阶段。

这是在应力腐蚀裂纹产生前的一段时间，为裂纹的成核作准备。

b.裂纹稳定扩展阶段。

在应力和腐蚀介质的联合作用下，裂纹缓慢扩展c.裂纹失稳扩展阶段。

这是最后的机械性破坏。

另外，金属材料的应力腐蚀破裂还有一个特点是金属的开裂与金属本身厚度无关。

常见的厚度大腐蚀也慢（均匀腐蚀）的情况在这里不适用。

因此，靠增加金属厚度来延缓应力腐蚀破裂几乎是无效的。

腐蚀环境金属失效分析1　腐蚀失效的分类金属是最重要的工业材料。

但是,金属在外界环境影响下常遭受化学和电化学的作用而引起腐蚀失效。

从热力学的观点来看,除少数的贵金属(如金、铂)外,各种金属都有与周围介质发生作用而转变成离子的倾向。

也就是说,金属受腐蚀是自然趋势。

因此,腐蚀失效现象是普遍存在的,钢铁结构在大气中生锈,海船外壳在海水中腐蚀,地下金属管道穿孔,热电厂锅炉损坏,化工厂金属容器损坏等等,都是金属腐蚀失效的例子。

据统计,1998年美国因腐蚀带来的经济损失高达2760亿美元,占美国GDP的3%以上。

世界航空业因腐蚀原因造成的民航飞机的破坏占总破坏量的40%～60%,其中不乏因腐蚀失效造成的航空事故。

由于材料表面与环境介质发生化学或电化学反应而引起的材料的破坏或变质称为材料的腐蚀。

腐蚀的分类方法很多,以下是两种常见的分类方法。

1.1　按腐蚀机理分类(1)化学腐蚀　金属表面与周围介质发生化学作用而引起的破坏,其特点是在作用过程中没有电流产生。

金属在干燥气体中的腐蚀,金属在非电解质中的腐蚀都属于化学腐蚀。

(2)电化学腐蚀　金属表面与周围介质发生电化学作用而引起的破坏。

其特点是介质中有能导电的电解质溶液存在,腐蚀过程中有电流产生。

这类腐蚀最普遍,包括:大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、电解质溶液腐蚀和熔融盐腐蚀。

1.2　按腐蚀破坏的形式分类(1)均匀腐蚀　在全部或大部分暴露的表面上发生的相对均匀的腐蚀,例如铝合金在碱性溶液里发生的腐蚀。

这类腐蚀容易分析和进行寿命预测,容易防护。

(2)局部腐蚀　腐蚀主要局限于微小区域中。

局部腐蚀的腐蚀速度通常比均匀腐蚀大几个数量级,而且难以发现,可能导致灾难性失效,因此它的危害要比均匀腐蚀大得多。

局部腐蚀又可分为以下几类:点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀、氢损伤和腐蚀疲劳。

还可以按腐蚀环境分类,如前所述的海水腐蚀、土壤腐蚀、大气腐蚀、电解质溶液腐蚀、熔融盐腐蚀,以及生物腐蚀、非电解质溶液的腐蚀、杂散电流腐蚀和高温腐蚀(氧化、硫化)等等。

2　金属腐蚀的形貌和分析方法2.1　均匀腐蚀前面已介绍了均匀腐蚀的特点,它是从腐蚀的外观来定义的,因此仅凭外观观察就可以做出判断。

均匀腐蚀(UniformCorrosion)中“均匀”一词并不很恰当,有人称为全面腐蚀(GeneralCorrosion),当然“全面”应该指被暴露的面。

均匀腐蚀是最常见的、也是最简单的一种腐蚀形态。

耐候钢、镁合金、锌合金和铜合金常发生均匀腐蚀,而钝化金属如不锈钢、铝合金或镍2铬合金则通常发生局部腐蚀,铝合金在碱溶液中会发生均匀腐蚀。

发生均匀腐蚀的金属在化学成分、显微组织和受力状况方面在宏观尺度上是均匀的。

腐蚀介质通常也是均匀的,而且可以无障碍地接触金属表面。

取决于腐蚀产物是附着在金属表面还是脱离开金属表面,发生腐蚀后的材料厚度在外观上可以增厚,也可以减薄,但剩余的金属厚度总是减薄的,有时候需要通过截面金相来测定。

因此金属材料的厚度损失经常用来表征均匀腐蚀的程度。

2.2　点蚀点蚀也是一种很常见的腐蚀形态,图1是某型航空发动机不锈钢叶片上的点蚀坑的剖面金相。

这种形态的腐蚀通常发生在具有钝性的或有保护膜的金属上,而且环境的均匀腐蚀性相对较弱。

点蚀难以发现,用常规的无损检测手段也难以检测,有时蚀孔的孔口被腐蚀产物覆盖,仅表现为一点微小的锈红色,很显然,这种情况下彩色照片比黑白照片更能显示蚀点。

确认点蚀的方法是沿蚀孔深度方向制备金相磨片。

沿纵深发展的蚀孔可能在材料绝大部分尚完整的情况下造成穿孔,引起泄漏,而危险物品的泄漏可能引发灾难性事故。

蚀孔处的应力集中也可能导致断裂,图2所示是航空发动机的不锈钢叶片在蚀孔处萌生的疲劳裂纹。

由于许多蚀孔弥散分布,可采用ASTMG46《点蚀的检查和评价》对腐蚀损伤进行定量评估。

点蚀的生长具有自催化能力,一旦开始生长,会加速生长。

蚀孔内介质与外界的介质相比,氯化物浓缩,对蚀孔内进行成分分析,通常会发现明显的氯存在。

发生点蚀时,环境介质通常是静止的。

钢铁、铜、镁、不锈钢、耐热合金、铝合金和钛合金等在大多数含有氯离子的介质中都有可能发生点蚀。

含有氧化性金属阳离子的氯化物如三氯化铁、氯化铜和氯化汞等属于强烈的点蚀促进剂。

2.3　晶间腐蚀晶间腐蚀是指晶界相或与之紧邻的区域作为阳极优先溶解,而晶内很少或没有腐蚀。

发生晶界腐蚀后从材料的外观上有可能看不出任何变化。

确认晶间腐蚀的方法是金相检验,抛光后无需侵蚀即可看到因腐蚀变粗变黑的晶界(图3)。

发生晶间腐蚀的原因常常是在金属的热经历中曾经在某一温度段停留过一定时间,在此期间合金成分或杂质元素在晶界上富化或贫化,或者出现晶界析出物,使得晶界或晶界附近相对于晶内为阳极优先腐蚀,晶内为阴极。

这种热经历称为敏化。

消除敏化的措施是进行所谓稳定化处理,让晶界析出物重新溶解。

焊接中焊缝两侧一定距离处的材料会正好处于敏化温度范围,接触腐蚀介质后,会在这个平行于焊缝的狭长区域中发生晶间腐蚀,称为焊缝腐蚀。

构件发生晶界腐蚀后,很难用肉眼发现,但构件的强度已大大降低,在一个小载荷下就可能发生沿晶分离。

可能发生晶间腐蚀的金属有不锈钢、镍合金、铝合金和铜合金。