应力腐蚀
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7.1 应力腐蚀断裂
工程结构失效的重要原因
应力腐蚀－普遍而历史悠久的现象
古代波斯王国青铜少女头像上具有SCC现象 黄铜弹壳开裂、黄铜冷凝管SCC现象 蒸汽机车锅炉碱脆 铝合金在潮湿大气中的SCC； 奥氏体不锈钢的SCC； 含S的油、气设备出现的SCC； 航空技术中出现的钛合金的SCC
腐蚀领域研究最多的课题－应力腐蚀开裂
金属－应力－腐蚀－开裂
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MSCC
7.1 应力腐蚀断裂
四. 应力腐蚀试验方法
1. 恒载荷试验 I型及II型
2. 恒应变试验
C环
3. 预制裂纹试验 双悬臂梁
4. 慢应变速率拉伸试验
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应力腐蚀开裂模型
第7页/共29页
第8页/共29页
应力腐蚀
一. 黄铜的应力腐蚀
现象：弹壳破裂 机理：锌在黄铜晶界上的富集－形成阳极 原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂
（2）氢鼓泡－由于氢进入金属内部而产生 金属内的原子氢在金属的夹杂物、气孔、微缝隙等处形成分子氢，产生很高 的氢压，导致金属鼓泡，并形成内部裂纹
（3）氢化物 氢与Ti、Zr、Nb等金属亲和力较大，易形成金属的氢Hale Waihona Puke Baidu物，导致材料脆断
第15页/共29页
7.2 金属的氢脆和氢损伤
二. 氢脆和氢损伤类型
2. 第二类氢脆 在材料加负载前并不存在断裂源，而是在应力作用下由于氢与应力的交互作 用逐步形成断裂源而导致脆性断裂，其敏感性随应变速率增高而降低
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问题引出
7.1 应力腐蚀断裂
一. 应力腐蚀断裂产生的条件及特征 1. 必须有应力，拉伸应力越大，则断裂所需的时间越短。断裂所需应
力，一般低于材料的屈服强度 2. 腐蚀介质是特定的，只有某些金属－介质的组合，才会发生应力腐
蚀断裂 3. 断裂速度介于无应力时的腐蚀速度及单纯力学因素引起的断裂速度
通过退火消除应力 通过表面镀层
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应力腐蚀
二. 高强度铝合金的应力腐蚀
现象：沿晶界腐蚀 机理：析出相及固溶体为阴极，纯铝为阳极 原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂
铝锌及铝镁硅合金中加入铬 可大大提高应力腐蚀敏感性
提高了晶界电位，降低了晶界腐蚀趋势 提高再结晶温度，避免晶界软化
氢气团－氢与位错结合
（2）固溶体 氢以三种形态固溶于金属中－增加原子间斥力，导致晶格力降低
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7.2 金属的氢脆和氢损伤
二. 氢脆和氢损伤类型
1. 第一类氢脆 在材料加负载前内部存在某种氢脆源，在应力作用下加快裂纹的形成及扩展， 造成金属永久性损伤。其敏感性随应变速率增高而增高
（1）氢腐蚀－高温高压下，氢进入金属，产生化学反应 钢中C与H2反应生成甲烷，造成表面严重脱C，使材料强度大大降低。 甲烷 不能通过扩散逸出，在晶界夹杂处形成CH4气泡。使金属失去力学性能
（1）H2S等与金属接触，氢分子通过物理化学吸附在金属表面，分解产生活化氢原子
（2）水溶液腐蚀时析出氢，水化质子在金属表面上分解成原子氢
（3）含氢物质与金属表面发生反应放出氢
2. 氢的存在形式
（1）化合物
氢在金属中，如超过固溶度，可形成三类化合物
氢分子－在晶界等内部缺陷处聚集
氢化物－钢中Fe3C在高温高压的氢气中，分解成CH4；TiHx
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应力腐蚀
三. 钛合金的应力腐蚀
钛合金在水溶液中的应力腐蚀 钛合金有机溶液中的应力腐蚀 钛合金在热盐中的应力腐蚀 钛合金在气体介质中的应力腐蚀
穿晶及沿晶混合型应力腐蚀
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应力腐蚀
四. 不锈钢的应力腐蚀
现象：NaCl及高温水中 机理：阳极溶解型 在应力的协同作用下，加速金属内活化区的溶解而导致断裂的机理
应力－力学因素
拉伸应力来源： 1. 残余应力－加工、冶炼、装配过程中产生的 2. 外应力及工作所承受的载荷 3. 体积效应所造成的不均匀应力
第2页/共29页
7.1 应力腐蚀断裂
应力－力学因素
应力
工作应力 残余应力 热应力 结构应力
应力在特定破裂体系中起以下作用
应力引起塑性变形； 应力使腐蚀产生的裂纹向纵深扩展 应力使能量集中于局部
7.2 金属的氢脆和氢损伤
二. 氢脆和氢损伤类型
2. 第二类氢脆 （2）可逆氢脆 特点：
• 是一种滞后破坏，在上、下临界应力之间作用时，金属发生滞后破坏 • 温度的影响：发生在－100℃～150℃，室温-30℃～30℃氢脆最敏感 • 材料强度的影响：材料的抗拉强度越大，氢脆越敏感 • 应变速率的影响：形变速度越小，氢脆越敏感，当应变速率大于某一值时，
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7.1 应力腐蚀断裂 腐蚀－电化学因素
凡是能促使钝化膜不稳定的电势区域，都易产生应力腐蚀断裂 在活化－钝化以及钝化－再活化过渡区的很窄电位区内容易发生应力腐蚀
金属断裂－金属学因素
1. 晶界吸附－晶界偏聚 2. 晶界沉淀－过饱和固溶体脱溶沉淀时，在晶界择优不均匀长大 3. 位错与金属结构交互作用 4. 表面膜对位错运动的影响
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7.1 应力腐蚀断裂
二. 应力腐蚀过程的三个阶段
1. 孕育期，因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果使裂纹形核 2. 腐蚀裂纹扩展期，裂纹形核后，在腐蚀介质和拉应力共同作用下扩展 3. 失稳断裂，由于拉应力局部集中，裂纹急剧生长导致零件破坏
三. 应力腐蚀机理
1. 快速溶解理论－裂尖形变，位错连续到达；裂纹的前沿是阳极区 2. 表面膜破裂理论－位错沿滑移面产生滑移，形成滑移台阶；表面膜不能变形 3. 电化学阳极溶解 自催化理论－腐蚀优先沿已存在的阳极溶解活化通道进行 4. 氢脆理论－氢扩散到裂纹尖端，局部区域脆化，裂尖溶液酸化，氢析出提供可能 5. 吸附理论－环境中的侵蚀性物质吸附在金属表面，削弱金属原子间的结合力
（1）不可逆氢脆 含有过饱和状态氢的合金在应力作用下析出氢化物而导致断裂，应力不可逆
（2）可逆氢脆 处于固溶状态的氢合金，在慢速变形情况下产生的脆性断裂，对应力可逆。 过程： 金属中的氢在应力梯度作用下向高的三向拉应力处富集，当偏聚氢浓度达到 临界值时，便会在应力场的联合作用下导致开裂
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应力腐蚀
五. 高强钢的应力腐蚀
现象：海水及硫化物破裂 机理：环境氢脆 原因：氢渗入材料内部
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7.2 金属的氢脆和氢损伤
氢损伤（氢脆）－指由于氢的存在或氢与材料相互作用， 引起材料脆化，导致材料力学性能变坏的现象
一. 氢的来源及在金属中的存在形式
1. 氢的来源：内氢，外氢
工程结构失效的重要原因
应力腐蚀－普遍而历史悠久的现象
古代波斯王国青铜少女头像上具有SCC现象 黄铜弹壳开裂、黄铜冷凝管SCC现象 蒸汽机车锅炉碱脆 铝合金在潮湿大气中的SCC； 奥氏体不锈钢的SCC； 含S的油、气设备出现的SCC； 航空技术中出现的钛合金的SCC
腐蚀领域研究最多的课题－应力腐蚀开裂
金属－应力－腐蚀－开裂
第5页/共29页
MSCC
7.1 应力腐蚀断裂
四. 应力腐蚀试验方法
1. 恒载荷试验 I型及II型
2. 恒应变试验
C环
3. 预制裂纹试验 双悬臂梁
4. 慢应变速率拉伸试验
第6页/共29页
应力腐蚀开裂模型
第7页/共29页
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应力腐蚀
一. 黄铜的应力腐蚀
现象：弹壳破裂 机理：锌在黄铜晶界上的富集－形成阳极 原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂
（2）氢鼓泡－由于氢进入金属内部而产生 金属内的原子氢在金属的夹杂物、气孔、微缝隙等处形成分子氢，产生很高 的氢压，导致金属鼓泡，并形成内部裂纹
（3）氢化物 氢与Ti、Zr、Nb等金属亲和力较大，易形成金属的氢Hale Waihona Puke Baidu物，导致材料脆断
第15页/共29页
7.2 金属的氢脆和氢损伤
二. 氢脆和氢损伤类型
2. 第二类氢脆 在材料加负载前并不存在断裂源，而是在应力作用下由于氢与应力的交互作 用逐步形成断裂源而导致脆性断裂，其敏感性随应变速率增高而降低
第1页/共29页
问题引出
7.1 应力腐蚀断裂
一. 应力腐蚀断裂产生的条件及特征 1. 必须有应力，拉伸应力越大，则断裂所需的时间越短。断裂所需应
力，一般低于材料的屈服强度 2. 腐蚀介质是特定的，只有某些金属－介质的组合，才会发生应力腐
蚀断裂 3. 断裂速度介于无应力时的腐蚀速度及单纯力学因素引起的断裂速度
通过退火消除应力 通过表面镀层
第9页/共29页
应力腐蚀
二. 高强度铝合金的应力腐蚀
现象：沿晶界腐蚀 机理：析出相及固溶体为阴极，纯铝为阳极 原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂
铝锌及铝镁硅合金中加入铬 可大大提高应力腐蚀敏感性
提高了晶界电位，降低了晶界腐蚀趋势 提高再结晶温度，避免晶界软化
氢气团－氢与位错结合
（2）固溶体 氢以三种形态固溶于金属中－增加原子间斥力，导致晶格力降低
第14页/共29页
7.2 金属的氢脆和氢损伤
二. 氢脆和氢损伤类型
1. 第一类氢脆 在材料加负载前内部存在某种氢脆源，在应力作用下加快裂纹的形成及扩展， 造成金属永久性损伤。其敏感性随应变速率增高而增高
（1）氢腐蚀－高温高压下，氢进入金属，产生化学反应 钢中C与H2反应生成甲烷，造成表面严重脱C，使材料强度大大降低。 甲烷 不能通过扩散逸出，在晶界夹杂处形成CH4气泡。使金属失去力学性能
（1）H2S等与金属接触，氢分子通过物理化学吸附在金属表面，分解产生活化氢原子
（2）水溶液腐蚀时析出氢，水化质子在金属表面上分解成原子氢
（3）含氢物质与金属表面发生反应放出氢
2. 氢的存在形式
（1）化合物
氢在金属中，如超过固溶度，可形成三类化合物
氢分子－在晶界等内部缺陷处聚集
氢化物－钢中Fe3C在高温高压的氢气中，分解成CH4；TiHx
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应力腐蚀
三. 钛合金的应力腐蚀
钛合金在水溶液中的应力腐蚀 钛合金有机溶液中的应力腐蚀 钛合金在热盐中的应力腐蚀 钛合金在气体介质中的应力腐蚀
穿晶及沿晶混合型应力腐蚀
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应力腐蚀
四. 不锈钢的应力腐蚀
现象：NaCl及高温水中 机理：阳极溶解型 在应力的协同作用下，加速金属内活化区的溶解而导致断裂的机理
应力－力学因素
拉伸应力来源： 1. 残余应力－加工、冶炼、装配过程中产生的 2. 外应力及工作所承受的载荷 3. 体积效应所造成的不均匀应力
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7.1 应力腐蚀断裂
应力－力学因素
应力
工作应力 残余应力 热应力 结构应力
应力在特定破裂体系中起以下作用
应力引起塑性变形； 应力使腐蚀产生的裂纹向纵深扩展 应力使能量集中于局部
7.2 金属的氢脆和氢损伤
二. 氢脆和氢损伤类型
2. 第二类氢脆 （2）可逆氢脆 特点：
• 是一种滞后破坏，在上、下临界应力之间作用时，金属发生滞后破坏 • 温度的影响：发生在－100℃～150℃，室温-30℃～30℃氢脆最敏感 • 材料强度的影响：材料的抗拉强度越大，氢脆越敏感 • 应变速率的影响：形变速度越小，氢脆越敏感，当应变速率大于某一值时，
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7.1 应力腐蚀断裂 腐蚀－电化学因素
凡是能促使钝化膜不稳定的电势区域，都易产生应力腐蚀断裂 在活化－钝化以及钝化－再活化过渡区的很窄电位区内容易发生应力腐蚀
金属断裂－金属学因素
1. 晶界吸附－晶界偏聚 2. 晶界沉淀－过饱和固溶体脱溶沉淀时，在晶界择优不均匀长大 3. 位错与金属结构交互作用 4. 表面膜对位错运动的影响
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7.1 应力腐蚀断裂
二. 应力腐蚀过程的三个阶段
1. 孕育期，因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果使裂纹形核 2. 腐蚀裂纹扩展期，裂纹形核后，在腐蚀介质和拉应力共同作用下扩展 3. 失稳断裂，由于拉应力局部集中，裂纹急剧生长导致零件破坏
三. 应力腐蚀机理
1. 快速溶解理论－裂尖形变，位错连续到达；裂纹的前沿是阳极区 2. 表面膜破裂理论－位错沿滑移面产生滑移，形成滑移台阶；表面膜不能变形 3. 电化学阳极溶解 自催化理论－腐蚀优先沿已存在的阳极溶解活化通道进行 4. 氢脆理论－氢扩散到裂纹尖端，局部区域脆化，裂尖溶液酸化，氢析出提供可能 5. 吸附理论－环境中的侵蚀性物质吸附在金属表面，削弱金属原子间的结合力
（1）不可逆氢脆 含有过饱和状态氢的合金在应力作用下析出氢化物而导致断裂，应力不可逆
（2）可逆氢脆 处于固溶状态的氢合金，在慢速变形情况下产生的脆性断裂，对应力可逆。 过程： 金属中的氢在应力梯度作用下向高的三向拉应力处富集，当偏聚氢浓度达到 临界值时，便会在应力场的联合作用下导致开裂
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应力腐蚀
五. 高强钢的应力腐蚀
现象：海水及硫化物破裂 机理：环境氢脆 原因：氢渗入材料内部
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7.2 金属的氢脆和氢损伤
氢损伤（氢脆）－指由于氢的存在或氢与材料相互作用， 引起材料脆化，导致材料力学性能变坏的现象
一. 氢的来源及在金属中的存在形式
1. 氢的来源：内氢，外氢