第六章-应力作用下的腐蚀模板
材料失效分析(第六章-腐蚀环境)
微观形貌：
冰糖状，晶界局部熔化出现孔洞，晶界面变宽，内 有氧化物，晶粒失去棱边变成表面圆滑的颗粒
2214铝合金的过烧断口
40
3、过烧断裂机理
在高温加热过程中，合金元素或夹杂物（P、S、Si、 Mn等）向晶界偏聚改变了晶界成分，使其熔点降低
温度继续升高，首先在三叉晶界处熔化，然后沿晶
界扩展，晶界的熔化孔洞相连形成熔化块，受外力 作用时沿晶界断开。
2
§1、应力腐蚀断裂
一、引言 1、定义 由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。 2、共同特征 ◆只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残
余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应力都
很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。 ◆要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐 蚀介质一般都是特定的（选择性）。 ◆一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。
25
§3
一、引言 1、定义
蠕变断裂
蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使 σ＜σ0.2 ，也会缓慢地产生塑性变形的现象
蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断
2、发生条件 0K—Tm范围内都会产生蠕变，但只有高于0.3Tm时才较 显著
26
3、蠕变曲线
典型的蠕变曲线
27
二、断裂过程
石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重
微观形貌：典型的延性沿晶断口
38
过烧断口
1、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。 过烧钢的显微组织特点： 晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及 魏氏组织
2、断口形貌
宏观形貌：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗 严重过烧出现豆腐渣状断口 铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界 熔化成网络状熔化节
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。
材料力学性能第六章-金属的应力腐蚀和氢脆
钢丝应力腐蚀与通常拉应力断裂比较
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%。
• SCC在石油、化工、航空、原子能等行业中都受到广泛的重视，如发电厂 中的汽轮机叶片、钢结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件等，均有发生 应力腐蚀的可能性。
• 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。事故调查的结果就是因为应力＋大气中微量H2S导致钢梁产生应力 腐蚀所致。
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。
枝状
泥状花样
奥氏体不锈钢应力腐蚀断口
a) 解理断口
1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM) b) 扇形状或羽毛状的痕迹
业性气氛
铝合金
氯化物溶液，海水及海洋性大 气，潮湿性工业气氛
奥氏体不锈钢
酸性和中性氯化物溶液，海水及 海洋大气，热NaCl、H2S水溶液， 铜合金 严重污染的工业大气等
氨蒸汽、含氨气氛，含氨离子 的水溶液、水蒸汽，湿H2S，氨 溶液
镍基合金
热浓NaOH溶液，HF溶液和蒸汽
钛合金
发烟硝酸，300℃以上的氯化物， 潮湿性空气及海水
结论：应力腐蚀只有金属在介质中略具钝化膜时 才能发生。
四、断口形貌
《材料腐蚀与防护》习题与思考题
《材料腐蚀与防护》习题与思考题第一章绪论1．何谓腐蚀？为何提出几种不同的腐蚀定义？2．表示均匀腐蚀速度的方法有哪些？它们之间有何联系？3．镁在海水中的腐蚀速度为 1.45g/m2.d, 问每年腐蚀多厚？若铅以这个速度腐蚀，其ϖ深(mm/a)多大？4．已知铁在介质中的腐蚀电流密度为0.1mA/cm2，求其腐蚀速度ϖ失和ϖ深。
问铁在此介质中是否耐蚀？第二章电化学腐蚀热力学1．如何根据热力学数据判断金属腐蚀的倾向？如何使用电极电势判断金属腐蚀的倾向？2．何谓电势-pH图？举例说明它在腐蚀研究中的用途及其局限性。
3．何谓腐蚀电池？有哪些类型？举例说明可能引起的腐蚀种类。
4．金属化学腐蚀与电化学腐蚀的基本区别是什么？5．a)计算Zn在0.3mol/LZnSO4溶液中的电解电势（相对于SHE）。
b) 将你的答案换成相对于SCE的电势值。
6．当银浸在pH=9的充空气的KCN溶液中，CN-的活度为1.0和Ag(CN)2-的活度为0.001时，银是否会发生析氢腐蚀？7．Zn浸在CuCl2溶液中将发生什么反应？当Zn2+/Cu2+的活度比是多少时此反应将停止？第三章电化学腐蚀反应动力学1．从腐蚀电池出发，分析影响电化学腐蚀速度的主要因素。
2．在活化极化控制下决定腐蚀速度的主要因素是什么？3．浓差极化控制下决定腐蚀速度的主要因素是什么？4．混合电位理论的基本假说是什么？它在哪方面补充、取代或发展了经典微电池腐蚀理论？5．何谓腐蚀极化图？举例说明其应用。
6．试用腐蚀极化图说明电化学腐蚀的几种控制因素以及控制程度的计算方法。
7．何谓腐蚀电势？试用混合电位理论说明氧化剂对腐蚀电位和腐蚀速度的影响。
8．铁电极在pH=4.0的电解液中以0.001A/cm2的电流密度阴极化到电势-0.916V（相对1mol/L甘汞电极）时的氢过电势是多少？9．Cu2+离子从0.2mol/LCuSO4溶液中沉积到Cu电极上的电势为-0.180V（相对1mol/L甘汞电极），计算该电极的极化值。
【腐蚀学】第六章-金属的腐蚀腐蚀形态
iBa=iL(1+SA/SB)
——集氧面积原理
20
4 防止电偶腐蚀的措施
• 电偶序中位置靠近的金属组合 • 设计和组装——首先应避免“小阳极－大阴
极”的组合，其次是尽量选择在电偶序中位 置靠近的金属进行组装。在不同的金属部件 之间采取绝缘措施可有效防止电偶腐蚀。 • 绝缘措施 • 涂层——在金属上使用金属涂层和非金属涂 层可以防止或减轻电偶腐蚀 • 阴极保护
当电极阳极极化时，钝化膜中的电场强度增加，吸 附在钝化膜表面上的腐蚀性阴离子（如 Cl－离子） 因其离子半径较小而在电场的作用下进入钝化膜， 使钝化膜局部变成了强烈的感应离子导电，钝化膜 在该点上出现了高的电流密度。
当钝化膜－溶液界面的电场强度达到某一临界值时， 就发生了点蚀
31
（2）吸附理论(吸附膜理论) • 吸附理论认为蚀孔的形成是阴离子(如Cl－离子)与氧
腐蚀产物 可能对金属有保护作用
质量损失 大
失效事故率 低
可预测性 容易
评价方法 失重法、平均深度法、电 流密度法
局部腐蚀 集中在某一区域 阴阳区相对固定，可分辨
阳极面积远小于阴极面积 阳极极化电位＜阴极极化电 位 无保护作用 小 高 难 局部腐蚀倾向、局部最大腐 蚀深度法、强度损失法等
8
二、 电偶腐蚀
i’Ac i’Ba
iBa=iBc
lg i
16
电偶腐蚀效应—— 当两种金属偶接后，阳极金属的腐蚀电流 与未偶接时该金属的自腐蚀电流的比值， 一般用表示
iB' a ig iB' c ig
iBa
iBa
iBa
17
3 电偶腐蚀的影响因素 (1) 电化学因素
• 电位差 • ——在电偶序中的起始电位差越大，电偶腐蚀倾向就
《应力腐蚀》PPT课件
应力腐蚀发生的条件
3)拉伸应力。拉伸应力有两个来源。 一是剩余应力(加工、冶炼、装配)，温差热应力及相变
的相变应力; 二是材料承受外加载荷造成的应力。 一般以剩余应力为主，约占事故的80％左右， 金属与合金所承受的拉应力愈小，断裂时间愈长。 应力腐蚀可在极低的应力下(如屈服强度的5％~10％或
更低)产生。一般认为当拉伸应力低于某一个临界值 时，不再发生断裂破坏，这个临界应力称应力腐蚀开 裂门槛值，用K1SCC或临界应力σth表示。
• 大气腐蚀条件不同，锈层成分和构造是很复杂的。
Evans认为大气腐蚀的锈层处在潮湿条件下，锈层
起强氧化剂作用,在锈层内阳极反响发生在金属
/Fe3O4 界 面 上 ：
Fe → Fe2+ +2e
(4-3)
• 阴极反响发生在Fe3O4/FeOOH界面上:
• 2)潮大气腐蚀。潮大气腐蚀是指金属在相对湿度小于 100%的大气中，外表存在肉眼看不见的薄的液膜层 (10nm~1μm)发生的腐蚀。如铁没受雨淋也会生锈。
大气腐蚀的分类
3)湿大气腐蚀。湿大气腐蚀指金属在相对湿度大100%， 如水分以雨、雾、水等形式直接溅落在金属外表上， 外表存在肉眼可见的水膜(1μm ~1mm)发生的腐蚀.
大气腐蚀速度与金属外表水膜厚度的关系见图4-1。
腐蚀速度与水膜厚度的规律
1)区域I 金属外表只有约几个水分子厚(1~10nm)水膜， 还没有形成连续的电解质溶液，相当于干的大气腐 蚀．腐蚀速度很小。
2)区域II 金属外表水膜厚度约在1μm时，由于形成连续 电解液层，腐蚀速度迅速增加，发生潮的大气腐蚀。
• 3)区域III 失稳断裂区，裂纹深度已接近临界尺寸 acr , 当超过这个值时，应力强度因子到达K1c时， 裂纹生长率迅速增加直至发生失稳断裂。
应力腐蚀的名词解释
应力腐蚀的名词解释应力腐蚀，作为材料科学领域的一个重要概念，指的是在特定的环境条件下，应力和腐蚀共同作用导致材料发生破坏的现象。
它是一种使工程材料失效的特殊腐蚀形式，可在各种工业领域中产生严重的后果。
本文将以解释应力腐蚀的含义为主题，探讨其原理、危害、应对措施以及相关研究的新进展。
首先，需要明确应力腐蚀的基本概念和工作原理。
应力腐蚀的发生需要同时存在应力和腐蚀介质，应力可以是外加的、或由材料自身的残余应力产生。
当材料处于一定应力环境下，腐蚀介质的存在将增加材料的腐蚀倾向。
在应力和腐蚀作用共同作用下，材料会出现裂纹和脱落等损伤，最终导致材料失效。
应力腐蚀与其他腐蚀形式相比，其破坏速度通常更快且难以预测，因此对于工程材料来说是一个非常重要的考虑因素。
接下来，我们将探讨应力腐蚀对材料性能和结构的危害。
首先，应力腐蚀可能导致材料的力学性能下降，比如降低材料的强度、延展性和韧性等，从而对工程结构的安全性产生重大负面影响。
其次，在一些特殊的应用场景中，例如航空航天、核电等领域，应力腐蚀对材料的耐久性和可靠性提出了更高的要求。
若接触到腐蚀性介质的材料发生应力腐蚀，不仅会导致经济损失，更为严重的是可能引发重大事故，甚至威胁人员生命安全。
为了解决应力腐蚀问题，人们采取了一系列的防护措施。
其中，对于金属材料来说，选择合适的材料对腐蚀介质的抗蚀性能至关重要。
此外，设计合理的结构减少应力集中、避免材料应力超过临界值也是有效的方法。
此外，对于某些特殊环境条件下的应用，如海水腐蚀、高温高压腐蚀等，还需要通过涂层、阻挡膜、阳极保护等技术手段来提高材料的耐蚀性能。
此外，通过改变材料的热处理工艺或添加抑制杂质的合金元素，也可以提升材料的抗腐蚀性能。
随着科学技术的不断进步，对于应力腐蚀机理和控制方法的研究也取得了长足的进步。
近年来，人们开始关注新型材料和新型防护技术在应力腐蚀领域的应用。
例如，针对应力腐蚀带来的裂纹扩展问题，光纤感应技术等新兴技术为提前监测应力腐蚀损伤提供了有效手段；利用纳米材料和复合材料的制备技术，人们也在不断探索能够提高材料抗腐蚀性能的新型防护材料。
第六章 2亮模板
F+P
5、用途 用于建筑结构，适合焊接、
热轧钢板
铆接、栓接等。
常以热轧板、带、棒及型
钢使用，用量约占钢材总
量的70%。
黄河小浪底枢纽工程
螺纹钢
二、低合金高强度结构钢
1、性能要求 ⑴ 高强度及足够韧性。 ⑵ 良好的焊接性能。 ⑶ 良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。
2、成分特点 ⑴ 低碳：≤0.2%C. ⑵ 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。
耐磨件，如变速箱齿轮
20CrMnTi。用于中等载荷的 淬透直径（25~60）mm油 高淬透性钢： 耐磨件，如柴油机曲轴。
汽 车 变 速 箱 齿 轮
18Cr2Ni4WA.用于大载荷的
淬透直径（100）mm油
柴油机曲轴
四、调质钢
调质件（螺杆）
调质后使用的钢种。
1、性能要求
⑴ 良好的综合力学性能.
的4%左右。中国每年腐蚀
珠光体腐蚀示意图
的损失至少到400亿元以上.
㈡ 不锈钢中合金元素的作用 1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。 2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 ① 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜.
② Cr含量大于13%时，形成单相
铁素体组织。
③ 提高基体电极电位(n/8规律)
弹簧的表面质量对其
寿命影响很大。
提高表面质量的方法:
① 防止表面脱碳；
板 簧 喷 丸 处 理 示 意 图
5、常用钢号及用途 Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较 大截面弹簧。
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。
应力腐蚀和氢脆
在纵向断面上，裂纹呈现近似圆形或椭圆形的银白色斑点， 故称白点；在横断面宏观磨片上，腐蚀后则呈现为毛细裂 纹，故又称发裂。
10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上的白点形貌
如炼油过程中的一些加氢反应装置；石油化工生产
过程中的甲醇合成塔等。
二、氢的来源
按照氢的来源可将氢脆分为内部氢脆和环境氢脆。
⑴内部氢脆：材料在使用前内部已含有足够的氢
并导致了脆性，它可以是材料在冶炼、热加工、 热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中产生。
严格控制电镀工艺，镀后还要通过 对电镀件长时间的烘烤，使游离状 的氢得以释放，减轻对镀件产品的 影响。
M——裂纹截面上的弯矩， M＝F·。 L B——试样厚度。 W—— 试样宽度。 a—— 裂纹长度。
1/ 2
4.12M KI 3/ 2 BW
1 3 a a3
能力知识点3 提高应力腐蚀抗力的措施
降低和消除应力
在加工(如热处理、焊接、电镀等)和装配过程中， 应尽量避免产生残余拉应力，或者在加工中采取 必要的消除应力措施。 制备和装配时尽量使结构具有最小的应力集中系 数，并使其与介质接触部分具有最小的残余拉应 力。
三、氢脆的类型和特点
氢可通过不同的机制使金属脆化，因氢脆的种类 很多，现将常见的几种氢脆现象从其特征简介如 下。
1.氢蚀
这是由于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。 如在石油高压加氢及液化石油气的设备中，在300～ 500℃时，由于氢与钢中的碳化物作用生成高压的CH4气 泡，当气泡在晶界上达到一定密度后，金属的塑性将大幅 度降低。 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。
应力腐蚀内部晶格结构
应力腐蚀内部晶格结构应力腐蚀是金属材料在受到外部应力作用下，在一定环境中的作用下，发生了晶格腐蚀，进而呈现出晶粒脆性断裂现象。
应力腐蚀内部晶格结构的研究对于金属材料的使用具有重要的意义，下面本文将从应力腐蚀内部晶格结构的特征和其形成机理两个方面来分析研究。
一、应力腐蚀内部晶格结构的特征顾名思义，应力腐蚀就是在受到应力作用下发生晶格腐蚀。
应力腐蚀内部晶格结构的特征主要表现在以下几个方面：1.内部应力。
当金属材料在受到外部应力作用时，其内部应力会给原有晶格结构造成破坏。
当材料受到外界环境的协同作用时，就会引发晶格结构的腐蚀。
2.结构腐蚀。
应力腐蚀过程中，内部晶格结构受到腐蚀，导致原有的晶格结构被破坏，随着腐蚀的加剧，结构逐渐松散，最终导致晶粒脆性断裂。
3.晶场梯度。
晶场梯度是形成应力腐蚀的必要条件，如果材料内部存在晶场梯度，则会促使晶体的腐蚀加剧。
晶场梯度是应力腐蚀内部晶格结构的重要标志。
二、应力腐蚀内部晶格结构形成的机理应力腐蚀内部晶格结构的形成机理主要有以下两种：1.化学反应：在一定的环境下，金属材料与介质发生化学反应，会产生一些化学物质，特别是金属反应产物与环境中的气体或液体分子发生反应，结果会形成一种黏附剂，就是相互作用的金属和外界环境而发生粘着的物质。
这些物质会在材料表面聚集，形成微观物质的粘接，极大地破坏晶体结构。
当氧气、杂质离子等发生化学反应，会以极低的速度消耗金属的物质，发展成肉眼可以看到的腐蚀，夹杂一些化学细菌，形成较为严重的化学腐蚀，最终导致应力腐蚀。
2.机械疲劳：在金属材料的表面会产生一些疲劳缺陷，当外部应力作用增大时，疲劳缺陷会进一步扩大，从而使局部形成高应力区域，这些高应力区的晶体结构容易受到外界环境的影响，因此很容易产生应力腐蚀。
特别是当高应力区域由于精炼后，表面硬度更高，易受到环境的影响，会很快发生腐蚀现象。
三、结论应力腐蚀内部晶格结构的研究具有重要的意义。
了解应力腐蚀的内部晶格结构特征以及其形成机理，可以帮助我们更好地预测和防止应力腐蚀的发生，从而延长材料的使用寿命。
《材料腐蚀与防护》课程笔记
《材料腐蚀与防护》课程笔记第一章绪论1.1 材料腐蚀学科特点材料腐蚀学科是研究材料在环境作用下性能退化的一门科学，它具有以下特点：- 多学科交叉：腐蚀现象涉及化学反应、电化学过程、材料科学、物理学、生物学等多个领域，因此材料腐蚀学科是一门典型的交叉学科。
- 实践性强：腐蚀问题无处不在，从日常生活到工业生产，都存在着材料腐蚀的问题，这要求腐蚀学科的研究具有很强的实践性和应用性。
- 复杂性：腐蚀过程往往受多种因素的影响，如环境条件、材料性质、应力状态等，这些因素的相互作用使得腐蚀问题非常复杂。
- 经济影响大：材料腐蚀会导致设备损坏、结构失效，从而造成巨大的经济损失和安全风险。
1.2 材料腐蚀学科的发展材料腐蚀学科的发展可以分为以下几个阶段：- 古代认知阶段：在古代，人们就已经意识到金属会随着时间的推移而腐蚀，但由于科学技术的限制，只能采取一些简单的防护措施，如涂油、包裹等。
- 近代科学阶段：19世纪末到20世纪初，随着化学和物理学的发展，科学家们开始系统地研究腐蚀现象，提出了电化学腐蚀理论。
- 现代技术阶段：20世纪中叶，随着电子技术、材料科学和电化学技术的进步，腐蚀学科得到了快速发展，出现了许多新的腐蚀防护技术和方法。
- 当代综合管理阶段：21世纪初，腐蚀学科进入了综合管理阶段，强调腐蚀控制的系统性和科学性，发展了腐蚀监测、风险评估和管理信息系统。
1.3 腐蚀的定义腐蚀是材料在环境介质的化学、电化学或物理作用下，其表面或内部发生变质，从而导致材料性能下降、结构破坏的过程。
这个过程通常伴随着能量的变化。
1.4 腐蚀的分类腐蚀可以根据不同的标准进行分类：- 按照腐蚀机理分类：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀。
- 按照腐蚀环境分类：大气腐蚀、水腐蚀、土壤腐蚀、高温腐蚀等。
- 按照腐蚀形态分类：均匀腐蚀、局部腐蚀（如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等）、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。
1.5 腐蚀速度表示方法腐蚀速度是衡量材料腐蚀程度的重要参数，常用的表示方法有：- 质量损失法：通过测量材料在一定时间内的质量损失来计算腐蚀速度，单位通常是毫克/平方厘米·小时（mg/cm²·h）。
《材料腐蚀与防护》习题与思考题
《材料腐蚀与防护》习题与思考题第一章绪论1．何谓腐蚀？为何提出几种不同的腐蚀定义？2．表示均匀腐蚀速度的方法有哪些？它们之间有何联系？3．镁在海水中的腐蚀速度为 1.45g/m2.d, 问每年腐蚀多厚？若铅以这个速度腐蚀，其ϖ深(mm/a)多大？4．已知铁在介质中的腐蚀电流密度为0.1mA/cm2，求其腐蚀速度ϖ失和ϖ深。
问铁在此介质中是否耐蚀？第二章电化学腐蚀热力学1．如何根据热力学数据判断金属腐蚀的倾向？如何使用电极电势判断金属腐蚀的倾向？2．何谓电势-pH图？举例说明它在腐蚀研究中的用途及其局限性。
3．何谓腐蚀电池？有哪些类型？举例说明可能引起的腐蚀种类。
4．金属化学腐蚀与电化学腐蚀的基本区别是什么？5．a)计算Zn在0.3mol/LZnSO4溶液中的电解电势（相对于SHE）。
b) 将你的答案换成相对于SCE的电势值。
6．当银浸在pH=9的充空气的KCN溶液中，CN-的活度为1.0和Ag(CN)2-的活度为0.001时，银是否会发生析氢腐蚀？7．Zn浸在CuCl2溶液中将发生什么反应？当Zn2+/Cu2+的活度比是多少时此反应将停止？第三章电化学腐蚀反应动力学1．从腐蚀电池出发，分析影响电化学腐蚀速度的主要因素。
2．在活化极化控制下决定腐蚀速度的主要因素是什么？3．浓差极化控制下决定腐蚀速度的主要因素是什么？4．混合电位理论的基本假说是什么？它在哪方面补充、取代或发展了经典微电池腐蚀理论？5．何谓腐蚀极化图？举例说明其应用。
6．试用腐蚀极化图说明电化学腐蚀的几种控制因素以及控制程度的计算方法。
7．何谓腐蚀电势？试用混合电位理论说明氧化剂对腐蚀电位和腐蚀速度的影响。
8．铁电极在pH=4.0的电解液中以0.001A/cm2的电流密度阴极化到电势-0.916V（相对1mol/L甘汞电极）时的氢过电势是多少？9．Cu2+离子从0.2mol/LCuSO4溶液中沉积到Cu电极上的电势为-0.180V（相对1mol/L甘汞电极），计算该电极的极化值。
详解应力腐蚀
详解应力腐蚀机械设备零件在应力(拉应力)和腐蚀介质的联合作用下，将出现低于材料强度极限的脆性开裂现象，导致设备和零件失效，这种现象称为应力腐蚀开裂(简称SCC)。
根据介质的主要成分为氯化物、氢氧化物、硝酸盐及含氧水等，而分别称为氯裂(氯脆或氯化物开裂)、碱裂(碱脆)、硝裂(硝脆)及氧裂(氧脆)等。
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；它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。
由应力腐蚀而引起的裂纹是在没有任何明显宏观变形更无任何征兆的情况下发生的，所以其破坏具有突发性。
裂纹往往又深入到金属内部，一旦发生也很难修复，有时只能整台设备报废。
碳钢及低合金钢在湿度较大的硫化氢环境中易发生硫化物应力腐蚀，对石油、石化工业装备的安全运行构成很大的威胁。
对低浓度硫化氢环境，可通过净化材质、大幅度降低S、P含量，改善材料组织结构等措施，对应力腐蚀起到有效抑制作用。
一、形成应力腐蚀裂纹的基本条件如下:(1) 金属材料是合金也包括微量元素的合金，纯金属一般不发生应力腐蚀裂纹；(2) 材质与腐蚀介质的匹配并非任何金属材料与任何介质都能产生应力腐蚀裂纹，它们有一定的匹配关系；(3) 必须存在拉应力，拉应力可以是工作应力和焊接残余应力。
焊接残余应力通常在焊缝及近缝区为拉应力，有时高达材料的屈服点。
所以即使焊接结构不承受载荷，只要材质与腐蚀介质符合匹配关系也会引起应力腐蚀裂纹。
二、应力腐蚀的发生条件和特征：(1) 必须是拉应力；(2) 构成一定材料发生应力腐蚀的环境介质是特定的；(3) 应力腐蚀破裂速度远大于其他局部腐蚀速度，但比纯力学(机械)断裂速度小得多；(4) 应力腐蚀断裂，常在无明显预兆的情况下突然发生，故其危害性极大；(5) 裂纹形态有晶间型、穿晶型和混合型3种；(6) 断口形貌，宏观上属于脆性断裂，其微观上可观察到断面上仍有塑性流变痕迹。
应力腐蚀试验方法
应力腐蚀试验方法应力腐蚀是金属材料在特定应力和介质环境下发生的腐蚀现象，常见于工业设备、航空航天等领域。
应力腐蚀试验是旨在研究材料在应力和介质共同作用下的腐蚀性能的一种实验方法。
下面我将介绍两种常见的应力腐蚀试验方法。
一、环境应力腐蚀开裂（Environmentally Assisted Cracking，EAC）试验方法：环境应力腐蚀开裂试验是研究材料在应力和介质环境作用下的开裂行为的一种试验方法。
常见的方法包括缩小试验、C-环缝试验和高温高压试验。
1. 缩小试验方法：该方法是通过在材料上施加恒定的拉应力，同时将材料浸泡在特定介质中，观察材料的腐蚀开裂情况。
实验中可使用制备成不同形状（如C 型、U型）的试样，并在应力水平下进行测试。
观察试样在特定应力水平下，特定腐蚀介质中的开裂情况。
通常采用光学显微镜观察、扫描电子显微镜分析等手段来评估试样的开裂形貌和开裂数量。
2. C-环缝试验方法：该方法是将制备好的C-环缝试样浸泡在特定的腐蚀介质中，并施加一定的恒定拉应力，以研究材料的应力腐蚀开裂行为。
首先，根据要求切割试样，并在材料的缺口位置焊接上一个C型的环缝。
然后将试样浸入腐蚀介质中，施加一定拉应力，观察开裂情况。
最后，可以通过金相显微镜观察和扫描电子显微镜分析来评估开裂行为。
3. 高温高压试验方法：该方法模拟材料在高温高压条件下应用时的实际工作环境，并考察材料的应力腐蚀开裂行为。
试验中，设置高温高压腐蚀设备，将试样置于高温高压介质中，施加一定的拉应力，并持续一段时间。
通过观察试样的开裂情况，以及利用金相显微镜和电子显微镜分析开裂形貌和开裂数量，评估材料的腐蚀性能。
二、慢应变速率腐蚀（Slow Strain Rate Testing，SSRT）试验方法：慢应变速率腐蚀试验是在材料的常应力和特定介质环境下，施加缓慢恒定的应变速率，并观察材料是否发生开裂的一种试验方法。
SSRT试验的步骤如下：1. 制备材料试样，并根据标准要求制备出相应尺寸的试样。
《材料腐蚀与防护》习题与思考题
《材料腐蚀与防护》习题与思考题第一章绪论1．何谓腐蚀？为何提出几种不同的腐蚀定义？2．表示均匀腐蚀速度的方法有哪些？它们之间有何联系？3．镁在海水中的腐蚀速度为 1.45g/m2.d, 问每年腐蚀多厚？若铅以这个速度腐蚀，其ϖ深(mm/a)多大？4．已知铁在介质中的腐蚀电流密度为0.1mA/cm2，求其腐蚀速度ϖ失和ϖ深。
问铁在此介质中是否耐蚀？第二章电化学腐蚀热力学1．如何根据热力学数据判断金属腐蚀的倾向？如何使用电极电势判断金属腐蚀的倾向？2．何谓电势-pH图？举例说明它在腐蚀研究中的用途及其局限性。
3．何谓腐蚀电池？有哪些类型？举例说明可能引起的腐蚀种类。
4．金属化学腐蚀与电化学腐蚀的基本区别是什么？5．a)计算Zn在0.3mol/LZnSO4溶液中的电解电势（相对于SHE）。
b) 将你的答案换成相对于SCE的电势值。
6．当银浸在pH=9的充空气的KCN溶液中，CN-的活度为1.0和Ag(CN)2-的活度为0.001时，银是否会发生析氢腐蚀？7．Zn浸在CuCl2溶液中将发生什么反应？当Zn2+/Cu2+的活度比是多少时此反应将停止？第三章电化学腐蚀反应动力学1．从腐蚀电池出发，分析影响电化学腐蚀速度的主要因素。
2．在活化极化控制下决定腐蚀速度的主要因素是什么？3．浓差极化控制下决定腐蚀速度的主要因素是什么？4．混合电位理论的基本假说是什么？它在哪方面补充、取代或发展了经典微电池腐蚀理论？5．何谓腐蚀极化图？举例说明其应用。
6．试用腐蚀极化图说明电化学腐蚀的几种控制因素以及控制程度的计算方法。
7．何谓腐蚀电势？试用混合电位理论说明氧化剂对腐蚀电位和腐蚀速度的影响。
8．铁电极在pH=4.0的电解液中以0.001A/cm2的电流密度阴极化到电势-0.916V（相对1mol/L甘汞电极）时的氢过电势是多少？9．Cu2+离子从0.2mol/LCuSO4溶液中沉积到Cu电极上的电势为-0.180V（相对1mol/L甘汞电极），计算该电极的极化值。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
度），经过一段时间后，即使是延展性很好的金属也
会发生脆性断裂 断裂事先没有明显的征兆，往往造成灾难性的后果
5
应力腐蚀开裂形貌
6
案例：
• 1982年9月17日，一架日航DC-8客机在虹桥机场着陆时 突然冲出跑道——刹车系统高压气瓶晶间SCC爆炸
• 1967年12月15日，美国银桥突然坍塌，车辆行人坠入 河中，死46人——钢梁因应力腐蚀和腐蚀疲劳联合作 用产生裂缝而断裂 • 1965年3月，美国路易斯安那州输气管线；1977年4月， 沙特阿卜凯克油田油管线，大火，死多人——管道外 侧产生SCC • 1968年威远至成都的输气管线泄漏爆炸，死亡20余人。 四川某气田因一阀门SCC漏气，火灾持续22天，损失 近6亿元
16
（2）裂纹形态
宏观上应力腐蚀破裂属于脆性断裂，即使高塑性金属
亦如此，微观断裂面仍有塑性流变痕迹。
SCC裂纹分为晶间型、穿晶型和混合型三种 裂纹的途径取决于材料与介质，同一材料因介质变化 ，裂纹途径也可能改变
11
(2) 特定介质 每种合金的SCC只对某些特定的介质敏感，并不是 任何介质都能引起SCC 材料与环境的交互作用反映 在电位上就是SCC一般发生在 活化－钝化或钝化－过钝化 的过渡区电位范围，即钝化 膜不完整的电位区间 E
i
12
一些金属和合金产生SCC的特定介质
材 料 介 质
低碳钢
高强钢 奥氏体不锈 钢 铝合金 铜和铜合金
10
(1) 敏感材料 几乎所有的金属或合金在特定的介质中都有一定 的SCC敏感性，合金和含有杂质的金属比纯金属更
容易产生SCC
纯度99.99%的Cu在含氨介质中不会发生腐蚀断裂， 但含有0.04%的P和0.01%的Sb时则发生开裂 纯度99.99%的Fe在硝酸盐中很难开裂，但含0.04%C 时则容易产生硝脆
应力作用下的腐蚀
中国石油大学材料科学与工程系
孙建波 2011年5月
回顾：局部腐蚀的大阴极小阳极现象
Ig IAc iBa
电偶腐蚀的引申 局部腐蚀大阴极小阳极现 象普遍性。 力场作用下的应力集中对 腐蚀的促进。
iBc
Ac
Ba
Bc
2
回顾：局部腐蚀的闭塞电池效应
所谓“闭塞电池”乃是由于在腐蚀体系内金属钝化膜 破裂后形成的蚀坑、隙缝及裂纹等的几何形状或腐蚀 产物在其坑口的覆盖而使腐蚀介质的扩散受到抑制所 形成的腐蚀电池。 诱发活性阴离子吸附 酸化过程加速阳极自催化快 速溶解 促进应力存在下的耦合腐蚀 诱发阴极析氢形成氢损伤
7
8
应力腐蚀开裂很普遍，化工行业约占四分之一。
SCC占总腐蚀百分比
(美)
(日) (日) (日) (美)
杜
三
邦
菱
3 年
10年 10年 10年 10年
23 %
45.6% 35.3% 42.2% 18.7%
不锈钢 石油化工 原子能
9
6.1.2 产生SCC的基本条件
SCC需要同时具备三个条件
敏感的金属材料 特定的腐蚀介质 足够大的拉伸应力 特定的材料：不存在应力时，单纯的腐蚀作用？No 不存在腐蚀时，单纯的应力作用？No
3
应力作用下的腐蚀
内忧外患：腐蚀介质+应力 应力来源：
外部施加： 工作应力（工况载荷）������ 残余应力（制造加工过程内部应力） 热应力（温差引起的应力） 腐蚀产物体积效应产生的应力 结构应力（安装及装配过程引起的应力） 相对运动、高速流体的流动等施加在金属表面上 来自金属内部：如氢原子侵入金属内部产生应力
NaOH溶液、硝酸盐溶液、含H2S和HCl溶液、CO－CO2－H2O、碳酸盐、磷酸 盐
各种水介质、含痕量水的有机溶剂、HCN溶液 氯化物水溶液、高温高压含氧高纯水、连多硫酸、碱溶液 熔融NaCl、湿空气、海水、含卤素离子的水溶液、有机溶剂 含NH4+的溶液、氨蒸汽、汞盐溶液、SO2大气、水蒸汽 发烟硝酸、甲醇（蒸汽）、NaCl溶液（>290℃）、HCl（10％，35℃）、H2SO4 （6-7％）、湿Cl2（288℃，346℃，427℃）、N2O4（含O2，不含NO，24-74℃） 湿空气、高纯水、氟化物、KCl＋K2CrO4溶液 熔融氢氧化物、热浓氢氧化物溶液、HF蒸汽和溶液 含氯离子水溶液、有机溶剂
14
6.1.3 SCC的特征
典型的滞后破坏 裂纹分为晶间型、穿晶型和混合型 裂纹扩展速度比均匀腐蚀快约106倍 SCC开裂是一种低应力的脆性断裂
15
(1)SCC是典型的滞后破坏 材料在应力和腐蚀介质共同作用下，需要经过一
定时间使裂纹形核、裂纹亚临界扩展，并最终达
到临界尺寸，发生失稳断裂
分类：
应力腐蚀开裂 氢致开裂 腐蚀疲劳 与磨损有关：冲刷腐蚀、空泡腐蚀、腐蚀磨损、微动腐蚀
4
材料的断裂是由环境因素引起的，也统称环境断裂
6.1 应力腐蚀开裂
6.1.1 应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking—SCC）
应力腐蚀开裂—— 受一定拉伸应力作用的金属材料在某 些特定的介质中，由于腐蚀介质和应 力的协同作用而发生的脆性断裂现象 通常在某种特定的腐蚀介质中，材料在不受应力时腐 蚀甚微 而受到一定的拉伸应力时（可远低于材料的屈服强
钛和钛合金
镁和镁合金 镍和镍合金 锆合金
13
(3) 拉伸应力
工作状态下材料承受外加载荷造成的工作应力
在生产、制造、加工和安装过程中在材料内部形成的 热应力、形变应力等残余应力 由裂纹内腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用或是阴 极反应形成的氢产生的应力
• SCC体系存在临界应力腐蚀门槛 值KISCC ， 一般应力愈大, 开裂时 间愈短；应力愈小，开裂时间愈长， 应力小到一定值时，不发生SCC； 断裂时间是评价材料SCC敏感性的 重要指标。
孕育期——裂纹萌生阶段，Байду номын сангаас裂纹源成核所需时间，约占整个
时间的90％左右
裂纹扩展期——裂纹成核后直至发展到临界尺寸所经历的时间 快速断裂期——裂纹达到临界尺寸后，由纯力学作用裂纹失稳
瞬间断裂
整个断裂时间，与材料、介质、应力有关，短则几分钟，长可 达若干年。对于一定的材料和介质，应力降低，断裂时间延长 对大多数的腐蚀体系来说，存在一个临界应力σth（临界应力强 度因子KISCC），在此临界值以下，不发生SCC