第八章 材料在化学环境中的力学性能

当裂纹前端的应力场强度因子KI大于材料的KISCC 时，材料就可能产生应力腐蚀开裂而导致破坏，其开裂判据 为： K Iscc K1 K Iscc 或 Y a
式中 KI 裂纹尖端应力场强度因子，公斤力/毫米3/2；
KISCC应力腐蚀临界应力场强度因子，公斤力/毫米3/2； σ 断裂抗力，公斤力/毫米3/2 α 裂纹的半长度，毫米 Y 裂纹形状系数。
（三）环境氢脆的特征
在氢气氛作用下，材料发生延滞断裂的时间与应力场 强度因子KI之间的关系如下图所示。随KI值降低，断 裂时间延长；当K1降低到某一临界值Kth时，材料便不 会产生断裂，临界值Kth就叫门槛值。
二
氢脆机理
（一）氢压模型 在裂纹或缺口尖端的三向应力区内，形 成了很多微孔核心，氢原子在应力作用下向这些
三
应力腐蚀开裂和氢脆的关系
应力腐蚀和氢脆的关系十分密切，除内部氢脆（白 点）外，通常应力腐蚀总是伴有氢脆，它们总是共同 存在的。一般很难严格地区分到底是应力腐蚀，还是 氢脆造成的断裂。
四
腐蚀疲劳
腐蚀疲劳特点 材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下 造成的失效叫做腐蚀疲劳。 腐蚀疲劳和应力疲劳相比，主要有以下不同点：
第九章 环境介质作用 下的金属力学性能

在特定外界条件下工作的机件，虽然所受应力低于材料 屈服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断。 这种与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂。 外界条件可以是应力，如交变应力；也可以是环境介 质，如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。 由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂； 而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静 载延迟断裂，或称静疲劳； 如果在腐蚀介质中承受交变应力作用，则产生腐蚀疲劳。
航空用高强 度钢 铜合金 铝合金
海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸
水蒸汽，湿H2S，氨溶液
湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气， 海洋大气
3．应力腐蚀的裂纹扩展一般在10-9-10-6m/s，象疲 劳。 亚临界扩展-------临界尺寸------突然断裂
（二）应力腐蚀断口特征
应力腐蚀断裂也是通过裂纹形成和裂纹扩展这两个过 程.



第一节
应力腐蚀断裂
一 .应力腐蚀现象及其特征 (一) 应力腐蚀现象 Stress Corrosion Cracking
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）。
应力腐蚀断裂的特定的条件： 1．只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀 开裂。 2．产生应力腐蚀的环境总是存在腐蚀介质， 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。 应力腐蚀的介质-----特定。如： 黄铜----------氨气氛 不锈钢 -------- 氯离子的腐蚀介 质
合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质
合金 腐蚀介质
碳钢
奥氏体不锈 钢 马氏体不锈 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 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
氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物
二
断裂力学在应力腐蚀中的应用
应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂。 用裂纹扩展速率da/dt来描述应力腐蚀裂纹的亚临界扩展 。
（一）KISCC的概念
当K1降低到某一定值后，材料就不会由于应力腐蚀而发 生断裂（即材料有无限寿命），此时的K1就叫做应力腐 蚀临界应力场强度因子，并以KISCC表示。
第Ⅰ阶段，当: KI>KIscc时，裂纹经过一段孕育期后突然 加速扩展， da/dt与KI的关系曲线几乎与纵坐标轴平行 。 第Ⅱ阶段，曲线出现水平段， da/dt与KI几乎无关，因 为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹扩展主要受电化学过程 控制。 第Ⅲ阶段，裂纹长度已接近临界尺寸， da/dt又明显地 依赖KI， da/dt 随KI而增加而增大，这是材料走向快速 扩展的过渡区，当KI达到K1c时，便发生失稳扩展，材料 断裂。
一般认为裂纹形成约占全部时间的90%左右,裂纹扩 展仅占10%左右。
应力腐蚀断裂可以是沿晶断裂，也可以是穿晶断裂。
取决于合金成分及腐蚀介质.
应力腐蚀的断口，其宏观形貌属于脆性 断裂，有时带有少量塑性撕裂痕迹。裂纹源可 能有几个，但往往是位于垂直主应力面上的那 个裂纹源才引起断裂。 其裂纹源及亚稳扩展区常呈黑色或灰黑 色，失稳扩展区的断口常有放射花样或人字 纹, 光亮色。
氢脆可分成两大类： 第一类为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、 焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的； 第二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它 含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的 压力容器中出现的高压氢脆。
（二）氢脆断口特征 内部氢脆断口往往出现“白点”。 白点又有两种类型： 一种是在钢件中观察到纵向发裂，在其断口上则 呈现白点。这类白点多呈圆形或椭圆形，而且轮廓分 明，表面光亮呈银白色，所以又叫做“雪斑”或发裂 白点，这种白点实际上就是一种内部微细裂纹。 一种白点呈鱼眼型，它往往是某些以材料内部的 宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点，其形 状多数为圆形或椭圆形。
腐蚀疲劳和应力疲劳相比，主要有以下不同点：
应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀
疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。
对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子KISCC ，这是材料
固有的性能，当外加应力强度因子KI<KISCC，材料不会发生 应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳，即使KI<KISCC ，疲劳 裂纹仍旧会扩展。
应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上有分支小
裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源有多处，裂纹没有分支。
在一定的介质中，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度是较高的，
源自文库
总是高于整体环境的平均值。
本章完
三
应力腐蚀断裂机理
保护膜破坏机理
滑移——膜破— —阳极溶解—— 再钝化
四
预防机件应力腐蚀断裂的措施
（一）降低应力 （二）改变介质条件 （三）选用合适的合金材料 （四）采用电化学保护
第二节
氢 脆
金属材料由于受到含氢气氛的作用而 引起的断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂。
一 氢脆的类型及特征
（一）内部氢脆与环境氢脆
（二）应力腐蚀裂纹扩展速率
当裂纹前端的KI> KISCC时，裂纹就会随时间而长 大。单位时间内裂纹的扩展量叫做应力腐蚀裂纹扩展 速率，用da/dt表示，实验证明，da/dt和裂纹前端的 应力场强度因子有关。即
da f K 1 dt
(p167)
在lg(da/dt)- K1的坐标上，其关系如图 ，曲线一般可分成三段。
核心扩散，并且结合成氢分子，由于微孔核心很
小，只要有很少的氢气应可产生相当大的压力。 这种内压力大到足以通过塑性变形或解理断裂使 裂纹长大或使微孔长大、连接，最后引起材料过 早断裂。
（二）减聚力氢脆模型
减聚力氢脆模型又称晶格脆化模型，是 由Troiano首先提出的，其要点是高浓度的固溶 氢，可以降低晶界上或相界上金属晶体的原子 间结合力。而局部地区的张应力，又通过间隙 原子间的化学势及应力状态间的热力学平衡关 系促使氢原子富集。这种富集区可能是低塑性 材料内部的裂纹尖端处，或是位错塞积处，滑 移带交叉处和塑性形不协调处。