第7章应力腐蚀.ppt
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腐蚀与防腐PPT课件
腐蚀的机理
电化学腐蚀机理
电化学腐蚀是由于金属表面形成 原电池，使得阳极区域发生氧化 反应，阴极区域发生还原反应， 从而加速金属的腐蚀。
化学腐蚀机理
化学腐蚀是由于金属与环境中的 气体或非电解质液体发生纯化学 反应，导致金属表面形成氧化膜 或腐蚀产物。
02
腐蚀的影响因素
金属的性质
金属的种类
不同金属的耐腐蚀性不同， 例如，铁比铜更易生锈。
石油管道防腐的难点和挑战
由于管道运输的环境复杂，防腐措施需要具备耐候、耐压、耐腐蚀 等性能，同时还需要考虑施工和维护的方便性。
船舶防腐
船舶防腐的重要性
船舶长期处于海洋环境中，容易 受到腐蚀和生物污损等影响，防 腐措施能够延长船舶使用寿命， 保障航行安全。
船舶防腐的主要方
法
包括船体涂层保护、阴极保护、 防污涂料等措施，这些方法能够 有效地减缓腐蚀速度，防止生物 污损。
金属的纯度
金属中杂质的存在可能会 影响其耐腐蚀性。
金属的微观结构
晶粒大小、相组成等微观 结构因素也会影响金属的 耐腐蚀性。
环境因素
氧气
许多金属在有氧的环境中容易发生氧化腐蚀。
酸碱度
酸碱度能影响金属的腐蚀速率。
水
水能加速电化学腐蚀过程。
温度
温度升高通常会加速腐蚀过程。
电化分子复合防腐材 料
将高分子材料与其他具有防腐功 能的材料复合，形成具有优异防 腐性能的高分子复合防腐材料。
03
高分子材料改性技 术
通过改性技术改善高分子材料的 耐腐蚀性能，提高其使用寿命和 稳定性。
电化学防腐技术
阴极保护技术
通过降低金属表面的腐蚀电流，使金属表面成为阴极， 从而达到防腐目的。
应力腐蚀
三、应力腐蚀指标
应力腐蚀门槛值：KISCC 1、当KI<KISCC时，在应力作用下，材料或零件可以 长期处于腐蚀环境中而不发生破坏； 2、当KISCC<KI<KIC时，在腐蚀环境和应力共同作用 下，裂纹呈亚临界扩展，随着裂纹不断增大，达到 KIC断裂； 3、当KI>KIC时，加上初始载荷后，试样立即断裂。
拉应力使局部区域的钝化膜破裂 露出新鲜表面，新鲜表面在电解 质溶液中成为阳极，而其余具有 钝化膜的表面成为阴极，形成腐蚀微电池，产生阳极溶 解，表面形成蚀坑。 拉应力除促使局部区域钝化膜破坏外，更主要的是在蚀 坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位下降， 加速阳极金属的溶解，裂纹将逐步向纵深发展。
第三节腐蚀疲劳
一、腐蚀疲劳的概念及特点 1.定义：在交变应力和环境腐蚀的共同作用下, 所引起 的破坏称为腐蚀疲劳 腐蚀疲劳 2.特点
(1)腐蚀环境不是特定的。只要环境介质对金属有腐蚀作用，再 加上交变应力的作用都可产生腐蚀疲劳； (2)腐蚀疲劳曲线无水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限通 常采用‘‘条件疲劳极限”，即以规定循环用次(一般为107次) 下的应力值作为腐蚀疲劳极限，来表征材料对腐蚀疲劳的抗力。 (3)腐蚀疲劳极限与静强度之间不存在比例关系； (4)腐蚀疲劳断口上可见到多个裂纹源，并具有独特的多齿状特 征。
定义：应力腐蚀断裂是指金属材料在拉应力和特定介质的 共同作用下所引起的断裂，简称为应力腐蚀 应力腐蚀(SCC) 应力腐蚀 应力腐蚀的特征： 1、应力：必须有应力，特别是拉应力的作用，远低于材 料的屈服强度，应力腐蚀造成的破坏是脆性断裂； 2、介质：对一定成分的合金，只有在特定介质中才发生 应力腐蚀断裂； 3、速度：应力腐蚀断裂速度约为10-8~10-6m／s数量级的 范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力 学因素引起的断裂速度．
应力腐蚀和氢脆
金属材料
化学介质
金属材 料
化学介质
低碳钢、低合 金钢
NaOH溶液、沸腾硝酸盐 溶液，海水，H2S水溶液，铝合金 海洋性和工业性气氛
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，严重
铜合金
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
腐蚀； 2.导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力。
▪ 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。
能力知识点2 应力腐蚀的断裂特征
一、应力腐蚀断裂机理
▪ 基本的是滑移-溶解理论（或称钝化模破坏理论）和 氢脆理论。
钝化膜
拉应力
膜破裂 应力集中 断裂
一、特征
▪ 应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的 塑性变形。
▪ 应力腐蚀的裂纹扩展速率较小，有点象疲劳，是 渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某 一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时， 就突然发生断裂。
10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上的白点形貌
钢中白点
【案例6-2】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，飞机发动机的主轴断成了两截，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。大量的“发裂”是怎样产生的呢？要怎样才能防止这种裂 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，在世界上首次提出钢中的“发 裂”是由于钢在冶炼过程中混进的氢原子引起的。
《应力腐蚀》PPT课件
3)区域III 水膜厚度增加到1mm时，发生湿的大气腐蚀， 氧通过该膜扩散到金属外表显著困难，因此腐蚀速度 明显下降。
4)区域IV 金属外表水膜厚度大于1mm，相当于全浸在 电解液中的腐蚀，腐蚀速度根本不变。
通常所说的大气腐蚀是指在常温下潮湿空气中的腐蚀
• 大气腐蚀特点是金属外表处于薄层电解液下的腐蚀 过程，腐蚀规律符合电化学腐蚀规律。
• V = ia m/nFρ[cm/s] = ia m/nFρ ×
• 在已存在的阳极溶解的活化通道上，腐蚀优先沿这些 通道进展．在应力协同作用下，闭塞电池腐蚀所引发 的蚀孔扩展为裂纹，产生SCC。这与前面的孔蚀相似， 也是一个自催化的腐蚀过程，在拉应力作用下使裂纹 不断扩展，直至断裂。如图3-17所示。
• 发生应力腐蚀断裂需要具备三个根本条件：
• 1)敏感材料。合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。
• 一般认为纯金属不会发生应力腐蚀断裂。
• 据报导，纯度达99.999％的钢在含氨介质中没有发生 腐蚀断裂，但含有W(P)＝0.004％或W(Sb)=0.01％ 时，那么发生了应力腐蚀开裂;
• 纯铁中碳的质量分数为0.04％C时，在热硝酸盐溶液 中就容易产生硝脆等，说明合金比纯金属更易产生应 力腐蚀开裂。
• 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。
• 慢应变速率法(SSRT)是测定材料的SCC敏感性的快速
试验法。评价合金应力腐蚀敏感性的参数可用应力腐
蚀敏感系数εf来表示：
εf ＝ Efh/Efk
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。
4)区域IV 金属外表水膜厚度大于1mm，相当于全浸在 电解液中的腐蚀，腐蚀速度根本不变。
通常所说的大气腐蚀是指在常温下潮湿空气中的腐蚀
• 大气腐蚀特点是金属外表处于薄层电解液下的腐蚀 过程，腐蚀规律符合电化学腐蚀规律。
• V = ia m/nFρ[cm/s] = ia m/nFρ ×
• 在已存在的阳极溶解的活化通道上，腐蚀优先沿这些 通道进展．在应力协同作用下，闭塞电池腐蚀所引发 的蚀孔扩展为裂纹，产生SCC。这与前面的孔蚀相似， 也是一个自催化的腐蚀过程，在拉应力作用下使裂纹 不断扩展，直至断裂。如图3-17所示。
• 发生应力腐蚀断裂需要具备三个根本条件：
• 1)敏感材料。合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。
• 一般认为纯金属不会发生应力腐蚀断裂。
• 据报导，纯度达99.999％的钢在含氨介质中没有发生 腐蚀断裂，但含有W(P)＝0.004％或W(Sb)=0.01％ 时，那么发生了应力腐蚀开裂;
• 纯铁中碳的质量分数为0.04％C时，在热硝酸盐溶液 中就容易产生硝脆等，说明合金比纯金属更易产生应 力腐蚀开裂。
• 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。
• 慢应变速率法(SSRT)是测定材料的SCC敏感性的快速
试验法。评价合金应力腐蚀敏感性的参数可用应力腐
蚀敏感系数εf来表示：
εf ＝ Efh/Efk
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。
7 应力腐蚀与腐蚀疲劳解析
这种保护法。
20
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
2．构件的安全设计
长期在介质中工作的零件存在裂纹时，可用断裂力 学方法进行安全分析。
以给定材料的表面裂纹体为例，可由查阅资料得到 的应力强度因子KI表达式，分别令KI=KIscc和KI=KIc 给出两种临界状态的σ－a图。
当零件所承受的名义应力为σ时，可在图中作相应水 平虚线，分别得到在介质中应力腐蚀开裂和在空气中 应力腐蚀开裂的临界裂纹尺寸。
15
（4）缝内金属离子水解产生H＋离子，使pH值下降，为了维持电中性， 缝外的Cl-阴离子可移至缝内，形成腐蚀性极强的盐酸，使缝内腐蚀以 自催化方式加速进行。
裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型
16
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
1．防止措施
（1）合理选择材料：针对零件所受的应力和使用条件
– 破坏部分成为阳极； – 裂纹尖端应力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。
在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹尖端处容易产生局部塑 性变形而形成滑移台阶所致。
2．闭塞电池理论
（1）在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔 或裂纹源。 （2）微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩 散，形成所谓“闭塞区”。 （3）在闭塞区，氧迅速耗尽，得不到补充，最后只能进行阳极反应。
21
由4340钢的KIscc和KIc作出的σ－a曲线图
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）。
12
恒载试验方法
4.12M KI BW 3 2
20
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
2．构件的安全设计
长期在介质中工作的零件存在裂纹时，可用断裂力 学方法进行安全分析。
以给定材料的表面裂纹体为例，可由查阅资料得到 的应力强度因子KI表达式，分别令KI=KIscc和KI=KIc 给出两种临界状态的σ－a图。
当零件所承受的名义应力为σ时，可在图中作相应水 平虚线，分别得到在介质中应力腐蚀开裂和在空气中 应力腐蚀开裂的临界裂纹尺寸。
15
（4）缝内金属离子水解产生H＋离子，使pH值下降，为了维持电中性， 缝外的Cl-阴离子可移至缝内，形成腐蚀性极强的盐酸，使缝内腐蚀以 自催化方式加速进行。
裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型
16
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
1．防止措施
（1）合理选择材料：针对零件所受的应力和使用条件
– 破坏部分成为阳极； – 裂纹尖端应力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。
在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹尖端处容易产生局部塑 性变形而形成滑移台阶所致。
2．闭塞电池理论
（1）在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔 或裂纹源。 （2）微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩 散，形成所谓“闭塞区”。 （3）在闭塞区，氧迅速耗尽，得不到补充，最后只能进行阳极反应。
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由4340钢的KIscc和KIc作出的σ－a曲线图
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）。
12
恒载试验方法
4.12M KI BW 3 2
应力腐蚀断裂
进入20世纪80年代以后，随着海洋工业和航空 工业的发展，研究更注重实际工程的应用。 主 要集中在飞机结构和航海材料的腐蚀疲劳研究 上面。
裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系——三阶段：
lg da dt
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
K1SCC
K1C K1
图2 裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系
试验原理
疲劳裂纹扩展速率da/dN表达式
② 当整体金属仍是弹性 变形状态时，裂纹尖 端的前沿为塑性区。
③ 裂纹尖端前具有三向 拉伸应力区，氢可在 此处富集。
裂纹尖端易于继续阳 极溶解，裂纹壁上阴 极反应析出的氢易于 进入金属。
位错与氢结合；运动 的位错快速输送氢。
指出富集部位，三向 拉伸区较疏松，富集 氢可降低应变能。
硫化物应力（SSC）腐蚀
K1
=
P
C3
(a W
B a
)
3）硫化氢环境门限应力强度因子KISCC的测定
材料在硫化氢环境下的 抗断裂特性
实验方法 用螺栓对试样加载P0 ，
用引伸计测量加载过程 中试样裂纹开口位移， 记录中止时位移量V0
试件放入H2S溶液中，经过一定 时间，试件裂纹扩展 ，螺栓力
松弛，载荷下降， 则KI下降，
三向受拉处，物质最稀松，有空穴产生，氢集中 在空穴中。
焊接时，氢离子结合呈氢原子或氢分子，形 成107的大气压。高的压力使钢材表面出现 氢鼓包，内部产生裂纹。
要求焊接时焊条要烘干，不得受潮。
3.硫化物应力腐蚀性能试验方法
美国腐蚀工程协会NACE TM0177—2005规定了四种标准 方法：
W - a 2.5( Ke )2 0.2
K1SCC/s>0.3，视为合格
裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系——三阶段：
lg da dt
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
K1SCC
K1C K1
图2 裂纹扩展速率(da/dt)与K1的关系
试验原理
疲劳裂纹扩展速率da/dN表达式
② 当整体金属仍是弹性 变形状态时，裂纹尖 端的前沿为塑性区。
③ 裂纹尖端前具有三向 拉伸应力区，氢可在 此处富集。
裂纹尖端易于继续阳 极溶解，裂纹壁上阴 极反应析出的氢易于 进入金属。
位错与氢结合；运动 的位错快速输送氢。
指出富集部位，三向 拉伸区较疏松，富集 氢可降低应变能。
硫化物应力（SSC）腐蚀
K1
=
P
C3
(a W
B a
)
3）硫化氢环境门限应力强度因子KISCC的测定
材料在硫化氢环境下的 抗断裂特性
实验方法 用螺栓对试样加载P0 ，
用引伸计测量加载过程 中试样裂纹开口位移， 记录中止时位移量V0
试件放入H2S溶液中，经过一定 时间，试件裂纹扩展 ，螺栓力
松弛，载荷下降， 则KI下降，
三向受拉处，物质最稀松，有空穴产生，氢集中 在空穴中。
焊接时，氢离子结合呈氢原子或氢分子，形 成107的大气压。高的压力使钢材表面出现 氢鼓包，内部产生裂纹。
要求焊接时焊条要烘干，不得受潮。
3.硫化物应力腐蚀性能试验方法
美国腐蚀工程协会NACE TM0177—2005规定了四种标准 方法：
W - a 2.5( Ke )2 0.2
K1SCC/s>0.3，视为合格
应力腐蚀讲义
4
各种工业用不锈钢在MgCl2
介质中对应力腐蚀破裂的敏感性
5
3.破裂深度hf
应力腐蚀破裂的敏感性，还可以用应力腐蚀裂 纹的深度，或平均裂纹深度，或是最大裂纹深度 来表示。
在一定条件下，应力腐蚀裂纹深度越大，应 力腐蚀破裂的敏感性也越大。
6
7
4、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。
37
四、KISCC及da/dt测试方法
1、试样分类
KISCC的测试方法一般采用缺口预制裂纹试样。 根据开缺口及预制裂纹的情况可分为：单缺口预制 裂纹试样；双缺口预制裂纹试样；表面预制裂纹试 样；圆周预制裂纹试样等。
38
SCC预制 裂纹试样
分类
39
2、恒负载KI增加试样
a、单缺口恒拉伸预制试样（SEL试样）
1－棒；2－试样； 3－荷重
22
C、四点弯曲试样
恒应变四点弯曲试样及试样架
23
恒应变四点弯曲试样及试样架
1－棒；2－试样；3－荷重
24
d、双弯梁
25
3、U形弯曲试样
U形试样 弯曲过程
26
常用的U形试样
1－焊接或缚紧；2－焊接；3－夹紧前；4－受力试样
27
4、C形环试验
C形环试样 取样的方法 (a)－管材 (b)－棒材 (c)－板材
拉伸试验加载机构示意图
1、应力传感器；2、试样； 3、腐蚀锅；4、砝码
弹簧加载拉伸试验
1、弹簧；2、腐蚀锅；
3、试样
19
b、恒变形拉伸试样
20
2、弯曲试验
a、二支点弯曲试样
二支点弯曲试样及试样架
H可调试样架(b)及应 变测量装置（a）
各种工业用不锈钢在MgCl2
介质中对应力腐蚀破裂的敏感性
5
3.破裂深度hf
应力腐蚀破裂的敏感性，还可以用应力腐蚀裂 纹的深度，或平均裂纹深度，或是最大裂纹深度 来表示。
在一定条件下，应力腐蚀裂纹深度越大，应 力腐蚀破裂的敏感性也越大。
6
7
4、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。
37
四、KISCC及da/dt测试方法
1、试样分类
KISCC的测试方法一般采用缺口预制裂纹试样。 根据开缺口及预制裂纹的情况可分为：单缺口预制 裂纹试样；双缺口预制裂纹试样；表面预制裂纹试 样；圆周预制裂纹试样等。
38
SCC预制 裂纹试样
分类
39
2、恒负载KI增加试样
a、单缺口恒拉伸预制试样（SEL试样）
1－棒；2－试样； 3－荷重
22
C、四点弯曲试样
恒应变四点弯曲试样及试样架
23
恒应变四点弯曲试样及试样架
1－棒；2－试样；3－荷重
24
d、双弯梁
25
3、U形弯曲试样
U形试样 弯曲过程
26
常用的U形试样
1－焊接或缚紧；2－焊接；3－夹紧前；4－受力试样
27
4、C形环试验
C形环试样 取样的方法 (a)－管材 (b)－棒材 (c)－板材
拉伸试验加载机构示意图
1、应力传感器；2、试样； 3、腐蚀锅；4、砝码
弹簧加载拉伸试验
1、弹簧；2、腐蚀锅；
3、试样
19
b、恒变形拉伸试样
20
2、弯曲试验
a、二支点弯曲试样
二支点弯曲试样及试样架
H可调试样架(b)及应 变测量装置（a）
《焊接冶金学——基本原理》教学课件 第七章
裂纹:一类是与液态薄膜有关的热裂纹,对应图7-2中的Ⅰ区,位于固相线TS
附近;第二类是与液态薄膜无关的热裂纹,对应图7-2中的Ⅱ区,位于奥氏体
再结晶温度TR附近。
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
(1)结晶裂纹 产生在焊缝中,是在结晶过程中形成的。结晶裂纹主要 产生在单相奥氏体钢、镍基合金、铝合金,以及含杂质较多的碳钢和低合 金钢中。
(2)高温液化裂纹 产生在近缝区或多层焊的层间,是由于母材含有较 多的低熔点共晶,在焊接热源的高温作用下晶间被重新熔化,在拉应力作用 下沿奥氏体晶界发生的开裂现象。图7-4所示为因科镍合金大刚度拘束试 板根部产生的高温液化裂纹
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
(3)多边化裂纹 产生在焊缝或热影响区,是当温度降到固相线稍下的 高温区形成的。它是由于在较高的温度和一定的应力条件下,晶格缺陷(位 错和空位)迁移和聚集,形成二次边界,即所谓“多边化边界”。
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
图7-2 形成焊接热裂纹的“脆 性温度区间”示意图
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
图7-2所示为温度对延性影响的示意图,可见存在延性最低的温度区间, 这个温度区间即为易于促使产生焊接热裂纹的所谓“脆性温度区间”。由 图7-2可见,有两个延性较低的温度区间,与此相对应,可以见到两类焊接热
焊接冶金学基本原理
目录
7.1 焊接裂纹的危害及分类 7.2 焊接热裂纹 7.3 焊接冷裂纹 7.4 再热裂纹
目录
7.5 层状撕裂 7.6 应力腐蚀裂纹 7.7 焊接裂纹诊断的一般方法
引言
焊接裂纹是在焊接应力及其他致脆因素的共同作用下,材料的原子结合 遭到破坏,形成新界面而产生的缝隙。焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比 大的特征。近年来随着机械、能源、交通、石油化工等工业部门的发展, 各种焊接结构也日趋大型化、高参数化,有的焊接结构还需要在高温、深 冷以及强腐蚀介质等恶劣环境下工作。各种低合金高强度钢,以及低温、 耐热、耐蚀、抗氢等专用钢得到广泛应用。焊接裂纹正是这些焊接结构生 产中经常遇到的一种危害最严重的焊接缺欠,常发生于焊缝和热影响区。 焊接裂纹直接影响焊接部件及焊接结构的质量与安全性,甚至能造成灾难 性事故。因此,控制焊接裂纹就成了焊接技术中急需解决的首要课题。
附近;第二类是与液态薄膜无关的热裂纹,对应图7-2中的Ⅱ区,位于奥氏体
再结晶温度TR附近。
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
(1)结晶裂纹 产生在焊缝中,是在结晶过程中形成的。结晶裂纹主要 产生在单相奥氏体钢、镍基合金、铝合金,以及含杂质较多的碳钢和低合 金钢中。
(2)高温液化裂纹 产生在近缝区或多层焊的层间,是由于母材含有较 多的低熔点共晶,在焊接热源的高温作用下晶间被重新熔化,在拉应力作用 下沿奥氏体晶界发生的开裂现象。图7-4所示为因科镍合金大刚度拘束试 板根部产生的高温液化裂纹
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
(3)多边化裂纹 产生在焊缝或热影响区,是当温度降到固相线稍下的 高温区形成的。它是由于在较高的温度和一定的应力条件下,晶格缺陷(位 错和空位)迁移和聚集,形成二次边界,即所谓“多边化边界”。
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
图7-2 形成焊接热裂纹的“脆 性温度区间”示意图
7.2 焊接热裂纹
1. 焊接热裂纹的一般条件
图7-2所示为温度对延性影响的示意图,可见存在延性最低的温度区间, 这个温度区间即为易于促使产生焊接热裂纹的所谓“脆性温度区间”。由 图7-2可见,有两个延性较低的温度区间,与此相对应,可以见到两类焊接热
焊接冶金学基本原理
目录
7.1 焊接裂纹的危害及分类 7.2 焊接热裂纹 7.3 焊接冷裂纹 7.4 再热裂纹
目录
7.5 层状撕裂 7.6 应力腐蚀裂纹 7.7 焊接裂纹诊断的一般方法
引言
焊接裂纹是在焊接应力及其他致脆因素的共同作用下,材料的原子结合 遭到破坏,形成新界面而产生的缝隙。焊接裂纹具有尖锐的缺口和长宽比 大的特征。近年来随着机械、能源、交通、石油化工等工业部门的发展, 各种焊接结构也日趋大型化、高参数化,有的焊接结构还需要在高温、深 冷以及强腐蚀介质等恶劣环境下工作。各种低合金高强度钢,以及低温、 耐热、耐蚀、抗氢等专用钢得到广泛应用。焊接裂纹正是这些焊接结构生 产中经常遇到的一种危害最严重的焊接缺欠,常发生于焊缝和热影响区。 焊接裂纹直接影响焊接部件及焊接结构的质量与安全性,甚至能造成灾难 性事故。因此,控制焊接裂纹就成了焊接技术中急需解决的首要课题。
高温及环境下的材料力学性能概述(PPT 49张)
在使用上，选用哪种表示方法应视蠕变速率与服役时间而定。
（2）持久强度极限
持久强度极限定义：材料在高温长时载荷作用下的断裂 强度。 蠕变极限表征的是蠕变变形抗力，持久强度极限表征断 裂抗力，是两种不同的性能指标。
持久强度极限表示方法：
t
－－在规定温度（t）下，达到规定的持续时间τ抵抗断裂 的最大应力。
各种耐热钢及高温合金对冶炼工艺的要求较高， 钢中的夹杂物和某些冶金缺陷会使材料的持久强 度极限降低。 高温合金对杂质元素及气体含量要求很严格，即 使含量只有十万分之一，当其在晶界偏聚后，会 导致晶界的严重弱化，使热弹性降低。
（3）热处理工艺的影响
如：珠光体耐热钢一般采用正火加高温回火工 艺，正火温度较高，以促使C化物充分溶于奥 氏体中，回火温度高于使用温度100-150℃， 以提高使用温度下的组织稳定性。
蠕变速度：
d d
按蠕变速率的变化，蠕变
过程分成三个阶段：
金属、陶瓷的典型蠕变曲线
第一阶段（ab）：蠕变速率随时间减小－－减速蠕变或过渡蠕 变阶段。
第二阶段（bc）：蠕变速率Βιβλιοθήκη 变且最小－－稳态蠕变或恒速蠕 变阶段。
第三阶段（cd）：时间延长，蠕变速度逐渐增大，直至d点产生 蠕变断裂－－加速蠕变阶段。
延滞断裂 静载疲劳
一、应力腐蚀
应力腐蚀（Stress Corrosion Cracking, SCC）－－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。 应力腐蚀的危险性在于它常发生在相当缓和的介质和不大的 应力状态下，往往事先没有明显的预兆，故常造成灾难性的事 故。
要降低蠕变速度提高蠕变极限，必须控制位错 攀移的速度； 要提高断裂抗力，即提高持久强度，必须抑制 晶界的滑动。
应力腐蚀培训归纳.ppt
• 硬度值＜ HRC22〔HB235〕，得到普遍采 用，这个值并没有什么理论根据，是现场 经历的总结。
实例2：盛装LPG容器SSCC
• 考虑到介质的聚积浓缩作用，针对压力容 器是不会有产生应力腐蚀介质的浓度下限 值的。
• 考虑到设备构造中的应力集中现象，在压 力容器设计标准和标准中也很难确定产生 SCC的临界应力。
承压设备的腐蚀与控制
——应力腐蚀开裂
目录
1. 前言 2. 定义 特点 3. SCC实例 1～8 4. 影响SSCC因素 5. 各行业SSCC环境选材特点 6. 防腐蚀设计选材禁忌
前言
• 没有承压设备就没有完整的现代工业体系和现代 经济。
• 压力容器作为承压设备的通俗称谓既是承受压力 的壳体又是专有技术载体，具有三个特点：
• 制造时环境温度越低，壳体越厚，越容易 产生冷裂纹。
实例1： ——影响因素
• 提示： 应全面理解应力腐蚀各影响因
素。
实例2：盛装LPG容器的SSCC
• GB11174-89 液化石油气总硫含量≤343 mg/m3 。
• 合格LPG硫化物含量远低于?容规?控制指 标 100 mg/L〔343 mg/m3 = 0.686mg/L〕，低于工程中控制指标 〔20～50 mg/L〕。
• 对象：CS，主要是AS；汽相和液相均 有发现。
• 机理：汽相中的裂纹沿焊接热影响区 直线进展，没有分枝；液相中裂纹从 熔合线上引发，然后向母材伸展，穿 晶型断裂。
实例1：液氨引起SCC ——兼影响因 素讨论
• 不管汽相或液相，除氨外还必须有O2 和N2，缺一不可。
• 15～30℃是敏感区域，低于10℃或高 于40℃不甚敏感。
• 承压设备从业人员往往觉得腐蚀问题涉及面广， 难以掌握重点，把握思路，在学习中存在畏难情 绪，感到不着边际。
实例2：盛装LPG容器SSCC
• 考虑到介质的聚积浓缩作用，针对压力容 器是不会有产生应力腐蚀介质的浓度下限 值的。
• 考虑到设备构造中的应力集中现象，在压 力容器设计标准和标准中也很难确定产生 SCC的临界应力。
承压设备的腐蚀与控制
——应力腐蚀开裂
目录
1. 前言 2. 定义 特点 3. SCC实例 1～8 4. 影响SSCC因素 5. 各行业SSCC环境选材特点 6. 防腐蚀设计选材禁忌
前言
• 没有承压设备就没有完整的现代工业体系和现代 经济。
• 压力容器作为承压设备的通俗称谓既是承受压力 的壳体又是专有技术载体，具有三个特点：
• 制造时环境温度越低，壳体越厚，越容易 产生冷裂纹。
实例1： ——影响因素
• 提示： 应全面理解应力腐蚀各影响因
素。
实例2：盛装LPG容器的SSCC
• GB11174-89 液化石油气总硫含量≤343 mg/m3 。
• 合格LPG硫化物含量远低于?容规?控制指 标 100 mg/L〔343 mg/m3 = 0.686mg/L〕，低于工程中控制指标 〔20～50 mg/L〕。
• 对象：CS，主要是AS；汽相和液相均 有发现。
• 机理：汽相中的裂纹沿焊接热影响区 直线进展，没有分枝；液相中裂纹从 熔合线上引发，然后向母材伸展，穿 晶型断裂。
实例1：液氨引起SCC ——兼影响因 素讨论
• 不管汽相或液相，除氨外还必须有O2 和N2，缺一不可。
• 15～30℃是敏感区域，低于10℃或高 于40℃不甚敏感。
• 承压设备从业人员往往觉得腐蚀问题涉及面广， 难以掌握重点，把握思路，在学习中存在畏难情 绪，感到不着边际。
金属材料学不锈钢课件.ppt
火
具，所以采用淬火低温回火。T淬在1000
低
~1050℃，为减少变形，可用硝盐分级冷
回
却。组织为马氏体+碳化物+少量AR
金属材料学不锈钢课件
5.5 奥氏体不锈钢
奥氏体不锈钢是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈 钢总产量的2/3。奥氏体不锈钢优点如下：
① 具有很高的耐腐蚀性； ② 塑性好，容易加工变形成各种形状钢材； ③ 加热时没有同素异构转变，焊接性好； ④ 韧度和低温韧度好，一般情况下没有冷脆 倾向，有一定的热强性； ⑤ 不具有磁性； ⑥ 价格较贵，切削加工较困难，导热性差。
金属材料学不锈钢课件
图 不锈钢组织状态图（焊后冷却）
金属材料学不锈钢课件
⑴ M不锈钢： 1Crl3~4Crl3等Crl3型， Crl7Ni2、9Cr18等
不
⑵ F不锈钢：如0Cr17Ti ，1Cr25Ti，
锈
00Cr27Mo等
钢 分 类
⑶ A不锈钢：具有单相A组织，如 0Cr18Ni9、1Crl8Mn8Ni5N等
金属材料学不锈钢课件
5.5.1 奥氏体不锈钢的成分特点
奥氏体不锈钢的主要成分是Cr和Ni，18Cr和 8Ni
的配合是世界各国奥氏体不锈钢的典型成分。
Cr+Ni= 18+8=26
耐蚀电位接近n/8定 律中n=2的电位值
耐蚀性达到 较高的水平. Cr、Ni再↑, 更为优良
具有良好钝化性能 单相奥氏体组织
处
至700~800℃保温2~6小时后空冷，使
理 马氏体转变为回火索氏体。
另外也可以采用完全退火。
金属材料学不锈钢课件
调
1Cr13、2Cr13常用于结构件→调质。
应力腐蚀开裂(SCC)课件
应力腐蚀开裂（SCC）
大家好，前面我们学习了全面腐 蚀、电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、 晶间腐蚀和选择性腐蚀。这些都 是不考虑外力的情况下金属的腐 蚀形态。
贵金属 全面腐蚀
次贵金属
电偶腐蚀
孔蚀
层状 塞状 缝隙腐蚀 晶间腐蚀 选择性腐蚀
实际上，在各种环境中服役的金 属材料，除了受腐蚀介质的作用 外，同时还受到各种应力作用， 这样将导致更为严重的腐蚀破坏。
安全区
其次，SCC裂纹也有一定的特点， 它们起源于表面；一般呈树枝状， 长宽尺寸相差几个数量级；扩展方 向一般垂直于主拉伸应力的方向； 有晶间型、穿晶型和混合型。晶间 型的有软钢、铝合金、铜合金等； 穿晶型的有奥氏体不锈钢、镁合金； 混合型的有钛合金等。
F F
混合型
SCC裂纹的扩展速率一般为106-10-3mm/min，比均匀腐蚀快 约百万倍，但又仅为纯机械断裂 速度的十亿分之一。在整个过程 中，扩展速率并不是一成不变的。
拉应力
拉应力 A区，裂纹两侧，腐蚀电流密度10-5A/cm2 阴极C 静态阳极A （稳定阳极）
介 质
腐蚀介质 A* 屈服阳极A* （动力阳极） A
A*区，裂纹尖端，腐蚀电流密度0.5A/cm2 阴极C
我画的很简陋，请进行美化，谢谢！
阴极保护可以防止和抑制应力腐 蚀破裂，是对此理论的证明，所 以其接受度较高。
这种现象尤其容易发生在热交换 器、冷却器、蒸汽发生器、送风 机等设备上，像锅炉璧、埋地管 道等，涉及所有重要的经济领域。
锅炉壁
埋地管道
由于是脆性断裂，所以往往会带 来灾难性的后果，如美国的“银 桥”由于长期在含有较高浓度的 硫化氢和二氧化硫的空气中服役 而突然断裂，造成46人丧生和 巨大的经济损失。
大家好，前面我们学习了全面腐 蚀、电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、 晶间腐蚀和选择性腐蚀。这些都 是不考虑外力的情况下金属的腐 蚀形态。
贵金属 全面腐蚀
次贵金属
电偶腐蚀
孔蚀
层状 塞状 缝隙腐蚀 晶间腐蚀 选择性腐蚀
实际上，在各种环境中服役的金 属材料，除了受腐蚀介质的作用 外，同时还受到各种应力作用， 这样将导致更为严重的腐蚀破坏。
安全区
其次，SCC裂纹也有一定的特点， 它们起源于表面；一般呈树枝状， 长宽尺寸相差几个数量级；扩展方 向一般垂直于主拉伸应力的方向； 有晶间型、穿晶型和混合型。晶间 型的有软钢、铝合金、铜合金等； 穿晶型的有奥氏体不锈钢、镁合金； 混合型的有钛合金等。
F F
混合型
SCC裂纹的扩展速率一般为106-10-3mm/min，比均匀腐蚀快 约百万倍，但又仅为纯机械断裂 速度的十亿分之一。在整个过程 中，扩展速率并不是一成不变的。
拉应力
拉应力 A区，裂纹两侧，腐蚀电流密度10-5A/cm2 阴极C 静态阳极A （稳定阳极）
介 质
腐蚀介质 A* 屈服阳极A* （动力阳极） A
A*区，裂纹尖端，腐蚀电流密度0.5A/cm2 阴极C
我画的很简陋，请进行美化，谢谢！
阴极保护可以防止和抑制应力腐 蚀破裂，是对此理论的证明，所 以其接受度较高。
这种现象尤其容易发生在热交换 器、冷却器、蒸汽发生器、送风 机等设备上，像锅炉璧、埋地管 道等，涉及所有重要的经济领域。
锅炉壁
埋地管道
由于是脆性断裂，所以往往会带 来灾难性的后果，如美国的“银 桥”由于长期在含有较高浓度的 硫化氢和二氧化硫的空气中服役 而突然断裂，造成46人丧生和 巨大的经济损失。
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。
15
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：
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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
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
腐蚀领域研究最多的课题－应力腐蚀开裂
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
金属－应力－腐蚀－开裂
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
应力腐蚀开裂模型
ห้องสมุดไป่ตู้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）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
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
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，
第7章 应力作用下的腐蚀
7.1应力腐蚀断裂 7.2 金属的氢脆和氢损伤 7.3 晶须增强铝复合材料应力腐蚀行为的研究
7.4 腐蚀疲劳 7.5 腐蚀磨损
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
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
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
通过退火消除应力 通过表面镀层
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
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
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
应力腐蚀
五. 高强钢的应力腐蚀
（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
7.2 金属的氢脆和氢损伤
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
（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，易形成金属的氢化物，导致材料脆断
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
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
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
（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