蠕变、应力腐蚀、氢脆
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
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。
(完整版)材料力学名词解释(1)
名词解释第一章:1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力，一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后,随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性,也就是应变落后于应力的现象.3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，卸载后再同向加载，规定残余伸长应力增加；反向加载，规定残余伸长应力降低的现象.5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力.韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7。
解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时,便形成一个高度为b的台阶.8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合，同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时，便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9。
解理面:是金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后,以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似,故称此种晶体学平面为解理面.10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内，可以是韧性断裂,也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时，冲击吸收功明显下降，断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂，这种现象称为韧脆转变12.弹性不完整性：理想的弹性体是不存在的,多数工程材料弹性变形时，可能出现加载线与卸载线不重合、应变滞后于应力变化等现象,称之为弹性不完整性。
弹性不完整性现象包括包申格效应、弹性后效、弹性滞后和循环韧性等13。
弹性极限：式样加载后再卸载，以不出现残留的永久变形为标准，材料能够完全弹性恢复的最高应力。
14.静力韧度:金属材料在静拉伸时单位体积材料断裂前所吸收的功。
15.正断型断裂：断裂面取向垂直于最大正应力的断裂.16.切断型断裂：断裂面取向与最大切应力方向一致而与最大正应力方向约成45度的断裂17.解理断裂：沿解理面断裂的断裂方式.第二章：1。
工程材料力学性能各章节复习知识点
工程材料力学性能各个章节主要复习知识点第一章弹性比功：又称弹性比能，应变比能，表示金属材料吸收弹性变形功的能力。
滞弹性：对材料在弹性范围内快速加载或卸载后随时间延长附加弹性应变的现象。
包申格效应：金属材料经预先加载产生少量塑性变形（残余应变为1%~4%），卸载后再同向加载，规定残余伸长应力（弹性极限或屈服极限）增加，反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
塑性：指金属材料断裂前发生塑性变形的能力。
脆性：材料在外力作用下（如拉伸，冲击等）仅产生很小的变形及断裂破坏的性质。
韧性：是金属材料断裂前洗手塑性变形功和断裂功的能力，也指材料抵抗裂纹扩展的能力。
应力、应变；真应力，真应变概念。
穿晶断裂和沿晶断裂：多晶体材料断裂时，裂纹扩展的路径可能不同，穿晶断裂穿过晶内；沿晶断裂沿晶界扩展。
拉伸断口形貌特征？①韧性断裂：断裂面一般平行于最大切应力并与主应力成45度角。
用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色。
纤维状是塑性变形过程中微裂纹不断扩展和相互连接造成的，而灰暗色则是纤维断口便面对光反射能力很弱所致。
其断口宏观呈杯锥形，由纤维区、放射区、和剪切唇区三个区域组成。
②脆性断裂：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放射状或结晶状。
板状矩形拉伸试样断口呈人字形花样。
人字形花样的放射方向也与裂纹扩展方向平行，但其尖端指向裂纹源。
韧、脆性断裂区别？韧性断裂产生前会有明显的塑性变形，过程比较缓慢；脆性断裂则不会有明显的塑性变形产生，突然发生，难以发现征兆拉伸断口三要素？纤维区，放射区和剪切唇。
缺口试样静拉伸试验种类？轴向拉伸、偏斜拉伸材料失效有哪几种形式？磨损、腐蚀和断裂是材料的三种主要失效方式。
材料的形变强化规律是什么？层错能越低，n越大，形变强化增强效果越大退火态金属增强效果比冷加工态是好，且随金属强度等级降低而增加。
在某些合金中，增强效果随合金元素含量的增加而下降。
材料的晶粒变粗，增强效果提高。
第二章应力状态软性系数：材料某一应力状态，τmax和σmax的比值表示他们的相对大小，成为应力状态软性系数，比为α，α=τmaxσmax缺口敏感度：缺口试样的抗拉强度σbn 与等截面尺寸光滑试样的抗拉强度σb的比值表示缺口敏感度，即为NSR=σbnσb第三章低温脆性：在实验温度低于某一温度t2时，会由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显降低，断裂机理由微孔聚集性变为穿晶解理型，断口特征由纤维状变为结晶状，这就是低温脆性。
应力腐蚀和氢脆
分子态
化合态
▪ 在一般情况下，氢以间隙原子状态固溶在金属中， 对于大多数工业合金，氢的溶解度随温度降低而 降低。
▪ 氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的缺陷(如空 洞、气泡、裂纹等)处以氢分子状态存在。
▪ 氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金属元素作 用生成氢化物，或与金属中的第二相作用生成气 体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中的碳原子作 用形成甲烷等。
▪ 解放初期黄铜子弹壳开裂现象：原因是润滑用肥皂水中 含微量铵离子。
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%。
▪ 当KⅠ值降低到某一临界值（图中为38MPa.m1/2） 时，应力腐蚀开裂实际上就不发生了。这一KⅠ 值称之为应力腐蚀临界场强度因子，也称应力
腐蚀门槛值，以 KⅠSCC表示(SCC表示应力腐蚀 断裂)。
应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
✓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。 ✓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。是金属材料 的一个力学性能指标。
▪ 钛合金（Ti-8Al-1Mo-1V）的预制裂纹试祥在恒载荷作用下，于 3.5％Nacl水溶液中进行应力腐蚀试验的结果。
Ti-8Al-1Mo-1V预制裂纹试祥的KⅠ-tf曲线
▪ 该合金的KⅠc＝100MPa.m1/2，在3.5％盐水中， 当初始KⅠ值仅为40 MPa.m1/2时，仅几分钟试样 就破坏了。如果将KⅠ值稍微降低，则破坏时间 可大大推迟。
失效分析 第2章剖析
2.1 过量弹性变形失效
线膨胀系数是表征材料热胀冷缩特性的参数。 不同材料具有不同的线膨胀系数。如果材料匹 配不当，在温度改变时就可能引发故障。 例：钢的线膨胀系数约为12×10－6℃－1，是青 铜的一半，如果用2Crl3不锈钢作轴，用青铜作 轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作， 但当温度很低时，就会因轴的收缩远小于轴瓦 的收缩而发生抱轴现象。工作载荷和(或)温度使 零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的 数值时，就将导致弹性变形失效。
35
2.4 脆性断裂失效
三、防止和改进措施 (1) 设计上应保证工作温度高于材料的脆性转 变温度，对在低温下工作的零件应选用脆性转 变温度比工作温度更低的材料；避免三向应力 的工作条件，减缓应力集中。 (2) 工艺上应正确执行工艺规程，避免诸如过 热、过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。 (3) 操作上应遵守设计规定的使用条件，操作 平稳，尽量避免冲击载荷。
27
,TK 为缺口试 和 f 的交点对应的温度为TK s
2.4 脆性断裂失效
脆性转变温度是低温脆性材料的一个非常重 要的性能指标，实践也证明，所有零件的低温 脆性断裂都是在低于其脆性转变温度的条件下 发生的。 防止低温脆性断裂，要保证零件的最低工作 温度高于其脆性转变温度，即
T工作 T K (20 ~ 30) C (2．2)
7
2.1 过量弹性变形失效
例：宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造， 就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。 铍的弹性模量为铝的4倍、钢的1．5倍。如果 考虑到相对密度，则铍的比刚度为铝或钢的6 倍多。在空间允许的情况下，也可以采用增加 截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。 如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际 需要采用热膨胀系数适合的材料。
材料失效分析考点
一、名词解释1.失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生，这种丧失其规定功能的现象称为失效。
2.失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。
3.疲劳断裂：金属材料在受到交变应力或重复循环应力时，往往在工作应力小于屈服强度的情况下突然断裂，这种现象称为疲劳断裂，是金属零件或构件在交变应力或重复循环应力长期作用下，由于累积损伤而引起的断裂现象。
4.腐蚀疲劳：是材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下产生的一种失效形式。
5.弯曲疲劳：金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲劳称为弯曲疲劳。
6.疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹，或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
7.冲蚀磨损：是指材料受到小而松散的流动粒子冲击时，表面出现破坏的一类磨损现象。
其定义可以描述为固体表面同含有固体粒子的流体接触做相对运动，其表面材料所发生的损耗。
8.粘着磨损相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着，使材料从一个表面转移到另一表面的现象，称为粘着磨损。
9.磨损：当相互接触的零件表面有相对运动时，表面材料的粒子由于机械的、物理的和化学的作用而脱离母体，使零件的形状、尺寸或者重量发生变化的过程称为磨损。
10.磨损失效：机械零件因磨损导致尺寸减小和表面状态改变并最终丧失其功能的现象称为磨损失效。
11.蠕变：蠕变是金属零件在应力和高温的长期作用下，产生永久变形的失效现象。
12.屈服失效：由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效。
13.塑性变形失效：金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值称为塑性变形失效。
14.断裂：零件在外力作用下发生开裂或折断称为断裂。
15.解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称这种断裂为解理断裂。
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。
常见腐蚀机理汇总
控制方法
• 硫酸露点腐蚀的控制方法根本是要控制 燃料的含硫量;
• 提高排放烟气温度（高于露点）; • 采用耐硫酸露点腐蚀用钢（NSI钢、ND
钢等）也是有效的方法。
CO2 腐蚀机理
• 二氧化碳腐蚀遵循如下反应机理:
• Fe+2CO2+2H2O→Fe+2H2CO3→Fe2++H2+2HCO3-
阳极反应机理
1
2腐蚀状态的机理识别与影响因素分析
序号 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
腐蚀类型 苛性碱腐蚀 侵蚀/冲蚀 碳酸盐应力腐蚀开裂 胺开裂 氯应力腐蚀开裂 渗碳 氢脆 硝酸盐应力腐蚀 热冲击 汽蚀 石墨腐蚀
序号
腐蚀类型
30 短时过热——应力开裂
31 脆性断裂
32 σ相/X相脆化
汽油馏分-硫醇为主； 煤油和柴油馏分-硫醚为主，峰值在120℃-250℃之间；硫醇含量少 重质馏分油和渣油-噻吩及其衍生物，元素硫、硫化氢和二硫化物在石油中的
含量比较少，主要分布在250℃以下的馏分中；活性硫化物在＜350℃馏分中数 量不多，腐蚀非常严重；
环烷酸的构成
原油中的酸性组分含有环烷酸、脂肪酸、芳香酸、无机酸、酚 类和硫醇等，总称为石油酸。 除胜利原油中的环烷酸占石油 酸的总量百分比小于40％外，其他油田的原油中环烷酸均占原 油酸性物质的90%左右。
2腐蚀状态的机理识别与影响因素分析
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
腐蚀类型 硫腐蚀 湿硫化氢腐蚀 蠕变/应力破断 高温H2/H2S腐蚀 连多硫酸腐蚀 环烷酸腐蚀 二硫化氨腐蚀 氯化氨腐蚀 盐酸腐蚀
序号 10 11 12 13 14 15 16 17 18
应力腐蚀及环境氢脆测试方法
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。
02
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。
03
不锈钢管与管板胀接部位的横向裂纹
0Cr15Ni75Fe耐蚀合金管材与管板胀接后， 滚胀区内表面残余应力分布
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
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。
1
b、平面应变的条件是
2
B，a，（W－a）2.5(KISCC/s)2
试样破裂百分比 用应力腐蚀试样在特定条件下发生破裂和未发生破裂的百分数来表示敏感性。
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。
Ni对18％Cr钢和合金的 SCC倾向影响示意图 1－穿晶破裂 2－晶间破裂
应力腐蚀破裂临界应力强度因子KISCC
01
KISCC系指在应力腐蚀破裂条件下的临界应力强度因子。KISCC的实用价值在于它可以预示材料在特定环境中抗应力腐蚀破裂的能力和使用寿命以及是否处于安全使用状态。 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。
单击添加标题
K1-tF曲线
01
五、慢应变率法试验
SERT型慢应变应力腐蚀试验机
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。
专题三典型工业管道损伤模式知识讲解
专题三、典型工业管道损伤模式
2压力管道常见失效 2.1压力管道失效分类
压力管道常常按照损伤发生的原因、产生的后果、失效时 宏观变形量和失效时材料的微观断裂机制进行分类：
按发生失效产生的后果或现象可分为：泄漏、爆炸、失稳。 按故障发生原因大体可分为:过度变形、低应力脆断、腐
蚀破坏、疲劳破坏、蠕变破坏等。
专题三、典型工业管道损伤模式
在高温环境下，只要温度达到一定的程度，管道金 属材料即使受到的拉应力低于该温度下的屈服强度， 也会随时间的延长而发生缓慢持续的伸长，这就是 金属材料的蠕变现象。金属材料发生蠕变破坏时具 有明显的塑性变形，变形量的大小视材料的塑性而 定。
以上是鼓包产生的三种原因，压力管道一旦发生鼓 包现象，必须停止使用！
专题三、典型工业管道损伤模式
2.3.2冲刷 冲刷是管道内的介质对管壁的长期冲刷，造成了管
壁壁厚的减薄。冲刷是机械磨损的一种。 冲刷一般伴随着冲刷腐蚀。介质流向突然发生改变，
对金属及金属表面的钝化膜或腐蚀产物层产生机械 冲刷破坏作用，同时又对不断露出的金属新鲜表面 发生激烈的化学或电化学腐蚀，从而造成比其他部 位更为严重的腐蚀损伤，故腐蚀速度较快。
专题三、典型工业管道损伤模式
2.3.5变形
压力管道由于不合理或错误的设计、安装，热应力导致管 道在某些位置产生很大反力和反力矩、管系振动导致管道 超出允许振动控制范围，致使管道系统发生结构（或其一 部分）形状改变的现象。严重时压力管道发生整体坍塌。
2.3.6泄漏
压力管道由于管道裂纹或爆管、腐蚀变薄穿孔、法兰及阀 门密封而失效等各种原因造成的介质流溢称为泄漏。
专题三、典型工业管道损伤模式
前者是管材扎制裂纹、焊接裂纹和应力裂纹，后 者是疲劳裂纹和腐蚀裂纹。要根据裂纹的分类采 取相应的预防措施。
蠕变、应力腐蚀、氢脆详解
26
腐蚀疲劳
1腐蚀疲劳定义 2腐蚀疲劳裂纹形态特征 3腐蚀疲劳的机理 4腐蚀疲劳S-N曲线 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 6腐蚀疲劳的控制
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1腐蚀疲劳定义
0.应力腐蚀现象
SCC在石油、化工、航空、原子能行业中都受 到广泛重视，如发动机厂中的汽轮机叶片、钢 结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件。
1967年12月，美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之 间的俄亥俄大桥突然倒塌，死46人。事故调查 结果就是因为应力+大气中微H2S导致钢梁产生 应力腐蚀所致。
4
1应力腐蚀定义
应力腐蚀 腐蚀 腐蚀疲劳 氢脆 蠕变
1
应力腐蚀
0应力腐蚀现象 1应力腐蚀定义 2应力腐蚀特征 3应力腐蚀的影响因素 4应力腐蚀的防止措施 5应力腐蚀抗力指标及测试方法
2
0应力腐蚀现象
第一次世界大战期间，用H70经过深冲成型的 黄铜弹壳，在战场上出现大量破裂现象。经研 究表明，经冲压加工的黄铜弹壳内存在残余应 力。在战场含氨气或二硫化按等介质，产生应 力腐蚀破裂或季节裂纹。这个问题通过240- 3 260℃退火，消除残余应力来解决。
（1）拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。
（2）纯金属一般不发生应力腐蚀。
（3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应
力腐蚀现象。
（4）应力腐蚀是一种延迟断裂。
（5）破坏一般是脆性的。没有明显的塑性变形。 9
2应力腐蚀特征
断口形貌特征：应力腐蚀裂纹多起源于表面蚀
坑处，而裂纹传播途径垂直于拉力轴。
应力腐蚀断口，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。
断裂分类
断裂类型根据断裂的分类方法不同而有很多种，它们是依据一些各不相同的特征来分类的。
根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显的宏观塑性变形，脆性断裂在断裂前基本上不发生塑性变形，是一种突然发生的断裂，没有明显征兆，因而危害性很大。
通常，脆断前也产生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％为脆性断裂；大于5％为韧性断裂。
可见，金属材料的韧性与脆性是依据一定条件下的塑性变形量来规定的，随着条件的改变，材料的韧性与脆性行为也将随之变化。
多晶体金属断裂时，裂纹扩展的路径可能是不同的。
沿晶断裂一般为脆性断裂，而穿晶断裂既可为脆性断裂（低温下的穿晶断裂），也可以是韧性断裂（如室温下的穿晶断裂）。
沿晶断裂是晶界上的一薄层连续或不连续脆性第二相、夹杂物，破坏了晶界的连续性所造成的，也可能是杂质元素向晶界偏聚引起的。
应力腐蚀、氢脆、回火脆性、淬火裂纹、磨削裂纹都是沿晶断裂。
有时沿晶断裂和穿晶断裂可以混合发生。
按断裂机制又可分为解理断裂与剪切断裂两类。
解理断裂是金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用），当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。
解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。
对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。
通常，解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂，两者不是同义词，它们不是一回事。
剪切断裂是金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，它又分为滑断（又称切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。
纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。
根据断裂面取向又可将断裂分为正断型或切断型两类。
若断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；断裂面取向与最大切应力方向相一致而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。
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。
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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：
材料力学名词解释（2）
材料力学名词解释（2）材料力学名词解释低周疲劳:金属在循环载荷作用下，疲劳寿命为102~105次的疲劳断裂循环硬化和循环软化？答：金属材料在恒定应变范围循环作用下，随循环周次增加，其应力形变，抗力不断增加，即为循环硬化。
若在循环过程中，应力逐渐减小，则为循环软化。
热疲劳：机件再有温度循环变化时产生的循环热应力作用下发生的疲劳冲击疲劳：机件在重复冲击载荷作用下的疲劳断裂应力腐蚀：金属在拉应力和特定而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。
氢脆：尤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，简称氢脆磨损：机件表面相接触并作相对运动时，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐流失、造成表面损伤的现象即为磨损磨粒磨损：是当摩擦副一方表面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。
微动磨损：接触表面之间因存在小振幅相对振动或往复运动而产生的磨损称为微动磨损。
1.腐蚀磨损。
氧化磨损？答：在摩擦过程中，摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，腐蚀产物的形成和脱落引起腐蚀磨损。
氧化磨损：存在与大气中的机件表面总有一层氧的吸附层。
当摩擦副作相对运动时，由于表面凹凸不平，在凸起部位单位压力很大，导致产生塑性变形。
塑性变形加速了氧向金属内部扩散，从而形成氧化膜。
由于形成的氧化膜强度低，在摩擦副继续作相对运动时，氧化膜被摩擦副一方的凸起所剥落，裸露出新表面，从而又发生氧化，然后又再被磨去。
如此，氧化膜形成又除去，机件表面逐渐被磨损，这就是氧化磨损过程。
接触疲劳：是机件两接触面作滚动或滚动加滑动摩擦时，在交变接触应力长期作用下，材料表面因疲劳损伤，导致局部区域产生小片或小块金属剥落而使材料流失的现象。
接触应力：两物体相互接触时，在表面产生局部压入应力称为接触应力。
蠕变：金属长时间在恒温，恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。
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1应力腐蚀定义
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1应力腐蚀定义
危害：缓和的介质+较小的应力
1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微腐 蚀。
2.导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力
发生应力腐蚀的温度一般在50-300℃
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1应力腐蚀定义
8
2应力腐蚀特征
在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中 产生的应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征： （1）拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。 （2）纯金属一般不发生应力腐蚀。 （3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应 力腐蚀现象。
对含有裂纹的金属材料，应力腐蚀条件下的断 裂判据： 当作用于裂纹尖端的初始应力强度因子：
19
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
5.2KISCC的测定方法 （1） 采用光滑试样
数据分散； 对某些材料可能会给出错误的判断 ； 名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于 工程应用。
20
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
26
腐蚀疲劳
❖ 1腐蚀疲劳定义 ❖ 2腐蚀疲劳裂纹形态特征 ❖ 3腐蚀疲劳的机理 ❖ 4腐蚀疲劳S-N曲线 ❖ 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 ❖ 6腐蚀疲劳的控制
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1腐蚀疲劳定义
腐蚀疲劳是：材料在腐蚀介质中承受交变荷载 所产生的疲劳破坏现象。 腐蚀疲劳多存在于传递的推进器、轴、舵、汽 车弹簧、轴、矿山绳索。
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4腐蚀疲劳中的S－ N曲线
材料的腐蚀疲劳特性除和介质有关外，还和材 料成分、常规力学性能、试验频率以及抗腐蚀 能力有关。
钢的强度愈高，其腐蚀疲劳的敏感性相对愈大。
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4腐蚀疲劳中的S－ N曲线
在四种不同环境条件下的S-N曲线
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5腐蚀疲劳裂纹扩展模型
腐蚀疲劳时疲劳的一种特殊形式。目前工程中 常用的疲劳裂纹扩展速率函数是Pairs公式。
（2） 采用预制裂纹的试样 在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏 时间tf随KIi的下降而大大增长。
最大应力强度因子KImax和门槛应力强度因子KIth （KIscc ）
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5应力腐蚀抗力指标及测试方法
（2） 采用预制裂纹的试样 在KIth和KImax之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕育期tinc和亚临界裂 纹扩展期二者组成。
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3腐蚀疲劳的机理
蚀孔-应力集中理论 材料在腐蚀环境中，表面形成许多小孔腐蚀。 虽然蚀孔数量较多，但只有有滑移阶梯、暴露 出新的金属表面的称为阳极蚀孔。点蚀形成过 程使材料表面电位不等，由于电化学和引力的 联合作用，蚀点不断向金属深处腐蚀，坏理论 在氧起主要作用的环境中，低频疲劳时，被破 坏的表面膜有足够的时间获得修补，不形成裂 纹，因此腐蚀疲劳寿命可以很长。 交变应力频率较高时，新暴露的活性点多，修 补程度小，腐蚀疲劳严重。
4
1应力腐蚀定义
应力腐蚀破坏：机器零件受腐蚀介质和静应力 联合作用而失效的现象。
应力腐蚀断裂（stress corrosion cracking）： （SCC）金属在应力和特定化学介质共同作用
℃
下，经过一段时间后所产生低应力脆断现象。 应力腐蚀开裂是危害性最大的局部腐蚀之一，
在腐蚀过程中，若有微裂纹形成，其扩展速度 比其他类型的局部腐蚀要快几个数量级。
应力腐蚀 腐蚀 腐蚀疲劳
氢脆 蠕变
1
应力腐蚀
❖ 0应力腐蚀现象 ❖ 1应力腐蚀定义 ❖ 2应力腐蚀特征 ❖ 3应力腐蚀的影响因素 ❖ 4应力腐蚀的防止措施 ❖ 5应力腐蚀抗力指标及测试方法
2
0应力腐蚀现象
第一次世界大战期间，用H70经过深冲成型的
黄铜弹壳，在战场上出现大量破裂现象。经研
究表明，经冲压加工的黄铜弹壳内存在残余应
。 用da/dt和KI给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个区域组成 滞后断
裂示意图
亚临界裂纹扩展速率da/dt表征了材料 的另一种应力腐蚀抗力。
孕育期：裂纹产生前的一段时间，主要是形成
22
蚀坑（裂纹核心）的过程。
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
一种钛合金在3.5%盐水中的破坏时间与初始应
力强度因子的关系 ：
39
氢脆
❖ 1氢脆定义 ❖ 2氢脆分类 ❖ 3氢脆破坏特点 ❖ 4氢脆与应力腐蚀的关系 ❖ 5氢脆的防治措施
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1氢脆定义
氢脆（hydrogen embrittlement）是由于氢和应 力的共同作用而导致金属材料产生塑性下降、 断裂或损伤的现象。
从力学性能来看，氢脆有以下表现：
氢对金属材料的强度影响不大，但使断面收缩 率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值 显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下， 材料经过一段时间后会突然脆断。
4）高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆
45
3氢脆断裂特征
氢蚀 氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基 体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。 这种氢脆现象的断裂源产生在工件与高温、高 压氢气相接触的部位。
宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状；微观：晶
界明显加宽，呈沿晶断裂。
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3氢脆断裂特征
酸洗及电镀过程中氢进入钢中后常沿晶界处聚
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2氢脆分类
电镀中常出现氢脆
严格控制电镀工艺，镀后通过对电镀件长时间
烘烤，使游离状的氢得以释放，减轻对镀件产
品的影响。
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2氢脆分类
环境氢脆
材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境 与介质中产生氢脆。这样的环境通常包括：
1）在纯氢气中（有少量水分）由分子氢造成氢 脆
2）由氢化物，如HF致脆
3）由H2S致脆
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1938年，英国发生了一起飞机失事的空难事故， 造成机毁人亡。调查发现，飞机发动机主轴断 成两截，经过进一步检查，发现在主轴内部有 大量像人的头发丝那么细的裂纹。大量“裂纹” 是怎么产生的呢？要怎么才能防止这种裂纹造 成的断裂现象呢？当时正在谢菲尔德大学研究 部工作的中国学者李薰通过大量研究工作，在 世界上首次提出的“发裂”是由于钢在冶炼过程 中混进的氢原子引起的。
极吸氢的过程
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5氢脆的防止措施
氢脆一经产生，就消除不了。 （1）降低或抑制材料中的氢含量 冶炼时采用干料，或采用真空处理或真空冶炼。
合金结构钢锻件的冷却要缓慢，防止白点。
对氢敏感的钢材酸洗或电镀后，要进行高温加
热。
51
5氢脆的防止措施
（2）力学因素 在材料零件设计和加工过程中，应排除各种产 生残余应力的因素，采用表面处理。
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5应力腐蚀抗力指标及测试方法
恒位移试验：这是一种KI不断减小的试验方法， 常用一种特殊结构的紧凑拉伸试样，并通过螺 栓自身加载。试验开始时，用螺栓产生一初始 的裂纹张开位移。当裂纹扩展而位移保持恒定 时，负荷将自动下降，从而也使K值降低，当K 值下降到KIth（KIscc）以下时，裂纹就会基本上 停止扩展。
它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的 关系。
34
5腐蚀疲劳裂纹扩展模型
工程中还有一种十分常用的是Forman模型，这 是考虑了腐蚀疲劳的环境效应。其实是Pairs公 式的一种修正，其形式为
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5腐蚀疲劳裂纹扩展模型
在上面两个公式的基础上，借助于试验数据， 进行回归分析后对模型做出了合理的修正。考 虑了介质浓度、加载频率和应力比对腐蚀疲劳 裂纹扩展速率的影响，引入了环境加速因子 Cenc(f,R,D)。 将不同的载荷频率、应力比、介质浓度组合作 为试验条件，对腐蚀疲劳试验过程中记录各种 数据Cair
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
5.1应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 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。 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。是金属材料
的一个力学性能指标。
18
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
集，导致晶界脆化，形成沿晶断裂。
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3氢脆断裂特征
白点（发裂） 在重轨钢及大截面锻件中易出现这类氢脆。 钢在冷凝过程中溶解度降低而析出大量氢分子， 在锻造或轧制过程中来不及逸散出去，便聚集 在某些缺陷处而形成氢分子。
氢体积发生急剧膨胀，内压力增大，足以将金
属局部撕裂，而形成裂纹。
48
3氢脆断裂特征
4.2 1.结构设计中尽量降低最大有效力：比如增大 曲率、关键部位厚度、焊接结构域采用对接。
2.采用流线型设计，使结构的应力分布趋于均 匀，避免过高的峰值；
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4应力腐蚀的防治措施
4.3降低材料对SCC敏感度
采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善 合金的组织结构以降低对SCC的敏感度：例如 采用退火处理消除内应力，高强度铝合金时效 处理。
最大应力强度因子
门槛应力强度因子 23
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩展速率 曲线
在I区和Ⅲ区，扩展速率da/dt与应 力强度因子有很强的关系，但在Ⅱ 区，实际上几乎没有关系（但仍受 温度、压力和环境的影响）。
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5应力腐蚀抗力指标及测试方法
（3） 两类不同的测试方法 恒载试验 ：这是一种KI不断增大的试验方法， 常用悬臂梁式弯曲试验装置，采用类似三点弯 曲试样。试样一端固定，另一端与一力臂相连， 并由砝码加载。
（4）应力腐蚀是一种延迟断裂。 （5）破坏一般是脆性的。没有明显的塑性变形。
9
2应力腐蚀特征
断口形貌特征：应力腐蚀裂纹多起源于表面蚀 坑处，而裂纹传播途径垂直于拉力轴。
应力腐蚀断口，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。
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3应力腐蚀的影响因素
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5腐蚀疲劳裂纹扩展模型
经过七点增量递增多项式拟合进行回归处理， 得到不同试验条件下的疲劳裂纹扩展速率方程。 然后引入环境加速因子Cenc。