第7章应力腐蚀.ppt
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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
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
（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
7.1 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
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
（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
Байду номын сангаас
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
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
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
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
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
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，
（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
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
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
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
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
（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
7.1 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
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
（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
Байду номын сангаас
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
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
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
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
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
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，
（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
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
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