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/dt

K I>K ISCC，裂纹扩展，速率da/dt

Da/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

①tt 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