金属的应力腐蚀和氢脆断裂材料力学性能资料
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6 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
举例
低碳钢,低合金钢— 低碳钢,低合金钢—碱脆,硝脆; 高强度钢 钛合金 不锈钢— 不锈钢—氯脆; 铜合金— 铜合金—氨脆; 高强度铝合金— 高强度铝合金—脆裂.
2,产生条件
应力:静应力远低于材料的屈服强度,且 一般为拉应力.包括工作应力和残余应力. 化学介质:一定材料对应一定的化学介质; 如黄铜—氨气氛,不锈钢— 如黄铜—氨气氛,不锈钢—氯离子的腐蚀 介质,低碳钢— 介质,低碳钢—碱脆. 金属材料:纯金属一般不会产生应力腐蚀, 合金对应力腐蚀都比较敏感,不同的合金 成分,敏感性不同.
四,防止应力腐蚀的措施
应力腐蚀是通过阳极溶解的过程进行的. 应力腐蚀机理就是滑移— 应力腐蚀机理就是滑移—溶解理论.它 可以简单地归结为四个过程,即滑移— 可以简单地归结为四个过程,即滑移— 膜破—阳极溶解— 膜破—阳极溶解—再钝化. 防止应力腐蚀的方法要视具体的材料— 防止应力腐蚀的方法要视具体的材料— 介质而定.
2,应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 应力腐蚀临界应力场强度因子K
定义:在特定介质中不发生应力腐蚀断裂 的最大应力场强度因子. 含宏观裂纹的试样,恒定载荷,特定介质, 测KI~tf曲线. KISCC值的测定:1) 恒载荷法:使KI不断增 值的测定:1) 恒载荷法:使K 大的方法,最常用的是恒载荷的悬臂梁弯 曲试验装置.2) 恒位移法:使K 曲试验装置.2) 恒位移法:使KI不断减少, 用紧凑拉伸试样和螺栓加载.
防止应力腐蚀的措施
1,合理选择金属材料:正确选材,选用 KISCC较高的合金. 2,减少或消除机件中的残余拉应力:主要是 应力集中,注意工艺措施. 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.一般采用阴极保护法,但高强度钢 或其它氢脆敏感的材料不宜采用.
应力腐蚀断裂和氢脆
海川流浪人应力腐蚀断裂和氢脆金属材料的两种经常有关而又有别的被破坏（或断裂）的现象。
应力腐蚀断裂(SCC) 是应力与腐蚀介质协同作用下引起的金属断裂现象（见金属腐蚀）。
它有三个主要特征:①应力腐蚀断裂是时间的函数。
拉伸应力越大,则断裂所需时间越短；断裂所需应力一般都低于材料的屈服强度。
这种应力包括外加载荷产生的应力、残余应力、腐蚀产物的楔形应力等。
②腐蚀介质是特定的，只有某些金属-介质的组合（见表发生应力腐蚀断裂的典型体系──金属与腐蚀介质的组合）情况下，才会发生应力腐蚀断裂。
若无应力，金属在其特定腐蚀介质中的腐蚀速度是微小的。
③断裂速度在纯腐蚀及纯力学破坏之间，断口一般为脆断型。
氢脆(HE) 又称氢致开裂或氢损伤，是一种由于金属材料中氢引起的材料塑性下降、开裂或损伤的现象。
所谓“损伤”，是指材料的力学性能下降。
在氢脆情况下会发生“滞后破坏”，因为这种破坏需要经历一定时间才发生。
氢的来源有“内含”的及“外来”的两种：前者指材料在冶炼及随后的机械制造（如焊接、酸洗、电镀等）过程中所吸收的氢；而后者是指材料在致氢环境的使用过程中所吸收的氢（见金属中氢）。
致氢环境既包括含有氢的气体,如H□、H□S；也包括金属在水溶液中腐蚀时阴极过程所放出的氢。
金属的应力腐蚀断裂和氢脆是两种既经常相关而又不同的现象。
在高温高压氢气中结构件的开裂，既是HE，又是SCC；水溶液中应力腐蚀时,若阴极过程析出的氢对断裂起了决定性作用，则这种破坏既是SCC，也是HE;这两个实例便位于图1应力腐蚀断裂(SCC)和氢脆(HE)关系的示意所示的重叠区内。
试验方法和工程参量应力腐蚀试验一般采用光滑或缺口试样，固定环境条件（即腐蚀介质和温度），采用断裂为临界点、测定固定应力下的断裂时间（□□）或固定□□下的断裂应力(□□),用□□的长短或□□的高低,来衡量材料抗应力腐蚀断裂能力的大小。
70年代以来，人们广泛地运用了断裂力学研究应力腐蚀断裂；用预制裂纹的试样进行应力腐蚀试验,如图2断裂时间□□与应力场强度因子(□□)之间的关系所示。
材料力学性能课件(金属的应力腐蚀和氢脆断裂)PPT课件
九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
5
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理
九江学院材料科学与工程学院
杜大明
材料力学性能�来自第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
6
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（1）当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在 金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即 所谓“钝化”。 （2）由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部 地区的保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露在腐蚀 介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。 （3）阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定 程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能 重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成 反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加深，最 后形成孔洞。 （4）孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面 附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介 质共同作用形成应力腐蚀裂纹。
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材料力学性能 2.白点
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
20
�白点：以氢分子的形式存在于缺陷处，多呈圆形或椭 圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，故称白点 。 � 原因：由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因 氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶 解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷 处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无 法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除 这类白点。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
17
四、防止应力腐蚀的措施
�（1）降低应力 �如能将构件所承受的应力降低到临界应力以下，则 可以避免应力腐蚀开裂。 � （2）改变介质条件 �改变介质条件可以减小或消除材料的应力腐蚀开裂 敏感性。 �（3）选用合适的合金材料 �一定的合金只在相应的介质中才显示应力腐蚀开裂 敏感性。 �（四）采用电化学保护 �由于金属在介质中只在一定的电极电位范围内才会 产生应力腐蚀开裂。采用外加电位的方法，使金属在 介质中的电位远离应力腐蚀开裂敏感电位区域。
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
5
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理
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材料力学性能�来自第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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（1）当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在 金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即 所谓“钝化”。 （2）由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部 地区的保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露在腐蚀 介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。 （3）阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定 程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能 重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成 反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加深，最 后形成孔洞。 （4）孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面 附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介 质共同作用形成应力腐蚀裂纹。
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材料力学性能 2.白点
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
20
�白点：以氢分子的形式存在于缺陷处，多呈圆形或椭 圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，故称白点 。 � 原因：由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因 氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶 解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷 处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无 法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除 这类白点。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
17
四、防止应力腐蚀的措施
�（1）降低应力 �如能将构件所承受的应力降低到临界应力以下，则 可以避免应力腐蚀开裂。 � （2）改变介质条件 �改变介质条件可以减小或消除材料的应力腐蚀开裂 敏感性。 �（3）选用合适的合金材料 �一定的合金只在相应的介质中才显示应力腐蚀开裂 敏感性。 �（四）采用电化学保护 �由于金属在介质中只在一定的电极电位范围内才会 产生应力腐蚀开裂。采用外加电位的方法，使金属在 介质中的电位远离应力腐蚀开裂敏感电位区域。
第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂
应力σscc ➢ 不能客观反映SCC抗力
tf=t裂纹形成(90%tf)+t扩展
中国石油大学 China University of Petroleum
材料性能学 Property of Materials
不能反映实际SCC抗力?
实际存在裂纹 断裂力学原理，预制裂纹，引入KI的概念 →应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
材料性能学 Property of Materials
§6.1 金属腐蚀概述
一、定义
金属与腐蚀介质相互接触由于化学或电化学原 因使材料遭受破坏或性能恶化的过程。
本质： 金属（高能态） → 化合物（低能态） △G﹤0， 自发过程 不可逆过程
中国石油大学 China University of Petroleum
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材料性能学 Property of Materials
SCC（Stress Corrosion Cracking）
材料类型
腐蚀介质类型
低碳(低合金)钢
苛性碱溶液 含硝酸根离子介质
奥氏体不锈钢
含氯离子介质
铜合金
氨气介质
高强铝合金
材料性能学 Property of Materials
金属在25度时的标准电极电位EO（V，SHE）
电极反应
K=K++e Na=Na++e Mg=Mg2++2e Al=Al3++3e Ti=Ti2++2e Mn=Mn2++2e Cr=Cr2++2e Zn=Zn2++2e Cr=Cr3++3e Fe=Fe2++2e Cd=Cd2++2e Mn=Mn3++3e Co=Co2++2e
tf=t裂纹形成(90%tf)+t扩展
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材料性能学 Property of Materials
不能反映实际SCC抗力?
实际存在裂纹 断裂力学原理，预制裂纹，引入KI的概念 →应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
材料性能学 Property of Materials
§6.1 金属腐蚀概述
一、定义
金属与腐蚀介质相互接触由于化学或电化学原 因使材料遭受破坏或性能恶化的过程。
本质： 金属（高能态） → 化合物（低能态） △G﹤0， 自发过程 不可逆过程
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材料性能学 Property of Materials
SCC（Stress Corrosion Cracking）
材料类型
腐蚀介质类型
低碳(低合金)钢
苛性碱溶液 含硝酸根离子介质
奥氏体不锈钢
含氯离子介质
铜合金
氨气介质
高强铝合金
材料性能学 Property of Materials
金属在25度时的标准电极电位EO（V，SHE）
电极反应
K=K++e Na=Na++e Mg=Mg2++2e Al=Al3++3e Ti=Ti2++2e Mn=Mn2++2e Cr=Cr2++2e Zn=Zn2++2e Cr=Cr3++3e Fe=Fe2++2e Cd=Cd2++2e Mn=Mn3++3e Co=Co2++2e
[机械电子]金属的应力腐蚀和氢脆断裂
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2. 白点（发裂）
当钢中含有过量的氢肘，随着温度降低， 氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未 能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢 分子。此时。氢的体积发生急剧膨胀，内压 力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。 这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为 银白色。故称为白点。
图6-9为10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上 的白点形貌
（二）. 应力腐蚀断口特征
应力腐蚀的显微裂纹如 图6-2所示，常有分叉现象， 呈枯树枝状。这表明，在应 力腐蚀时，有一主裂纹扩展 较快，其它分支裂纹扩展较 慢。根据这一特征可以将应 力腐蚀与腐蚀疲劳、晶间腐 蚀以及其它形式的断裂区分 开来。
断口的微观形貌丁般为沿晶断裂，也可 能为穿晶解理断裂。其表面可见到“泥状花 样”的腐蚀产物(图6-4a)及腐蚀坑(图6-4b)。
，特别适于单件、成批生产企业使用 。马鞍 车床在 马鞍槽 内可加 工较大 直径工 件。机 床导轨 经淬硬 并精磨 ，操作 方便可 靠。车 床具有 功率大 、转速 高
，刚性强、精度高、噪音低等特点。
12.仪表车床
仪表车床属于简单的卧式车床，一般来 说最大 工件加 工直径 在250mm以下 的机床 ，多属 于
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1. 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(Stress Corrosion Cracking，缩写办SCC)。
2. 产生条件
应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐 蚀的条件。
⑴ 应力 在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力。 ⑵ 化学介质 只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能
HRC62-65。约为45号钢硬度的2.7倍 。具有 一定的 红热硬 度，耐 温程度 可达560－600摄氏度 。韧性 和加工 机能较 好。高 速钢刀 具制造 简朴， 刃磨利 便，
材料力学性能 第六章-1
一、应力腐蚀现象及其产生条件
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
（一）应力腐蚀断裂机理 • 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论 钝化膜破坏理论） 理论。 理论。
金属表面形成钝化膜 →拉应力 钝化膜破裂 拉应力→钝化膜破裂 拉应力 →露出新鲜表面 露出新鲜表面 →新鲜表面为阳极，钝化膜表面为阴极 新鲜表面为阳极， 新鲜表面为阳极 →腐蚀微电池 腐蚀微电池 →阳极溶解 阳极溶解 →形成烛坑。 形成烛坑。 形成烛坑
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
§6.1
应 力 腐 Βιβλιοθήκη 氢 脆§6.2§6.1 应 力 腐 蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件 二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 三、应力腐蚀抗力指标 四、防止应力腐蚀的措施
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1. 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， 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。 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，是在应力和化学介质的联合作用下， 应力腐蚀断裂，是在应力和化学介质的联合作用下， 按特有机理产生的断裂。 按特有机理产生的断裂。 • 绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。 绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。 2. 产生条件 • （1）应力，主要是拉应力。 ）应力，主要是拉应力。 • （2）化学介质，特定的化学介质。 ）化学介质，特定的化学介质。 • （3）金属材料，主要是合金。 ）金属材料，主要是合金。
试样实验时必须制备一组尺寸相同的试样， 试样实验时必须制备一组尺寸相同的试样， 每个试样承受不同的恒定载荷F， 每个试样承受不同的恒定载荷 ， 使裂纹尖端产生不同大小的K 初 使裂纹尖端产生不同大小的 I初， 记录试样在各种K 初作用下的断裂时间 记录试样在各种 I初作用下的断裂时间tf， 曲线水平部分对应的KI初就是材料的 ISCC。 初就是材料的K
应力腐蚀和氢脆
分子态
化合态
▪ 在一般情况下，氢以间隙原子状态固溶在金属中， 对于大多数工业合金，氢的溶解度随温度降低而 降低。
▪ 氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的缺陷(如空 洞、气泡、裂纹等)处以氢分子状态存在。
▪ 氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金属元素作 用生成氢化物，或与金属中的第二相作用生成气 体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中的碳原子作 用形成甲烷等。
▪ 解放初期黄铜子弹壳开裂现象：原因是润滑用肥皂水中 含微量铵离子。
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%。
▪ 当KⅠ值降低到某一临界值（图中为38MPa.m1/2） 时，应力腐蚀开裂实际上就不发生了。这一KⅠ 值称之为应力腐蚀临界场强度因子，也称应力
腐蚀门槛值，以 KⅠSCC表示(SCC表示应力腐蚀 断裂)。
应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
✓试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的 最大应力场强度因子，也称为应力腐蚀门槛值。 ✓表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的 断裂韧度。 ✓一定的材料与介质，KISCC值恒定。是金属材料 的一个力学性能指标。
▪ 钛合金（Ti-8Al-1Mo-1V）的预制裂纹试祥在恒载荷作用下，于 3.5％Nacl水溶液中进行应力腐蚀试验的结果。
Ti-8Al-1Mo-1V预制裂纹试祥的KⅠ-tf曲线
▪ 该合金的KⅠc＝100MPa.m1/2，在3.5％盐水中， 当初始KⅠ值仅为40 MPa.m1/2时，仅几分钟试样 就破坏了。如果将KⅠ值稍微降低，则破坏时间 可大大推迟。
第7章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂
不足道。 第Ⅰ阶段：当KI超过KIscc时裂纹突然加速扩展，
da/dt－KI曲线几乎与纵坐标轴平行。da/dt 值小， 但受K之影响较大。
第II段出现水平线段，da/dt 决定于环境而受应力强
度的影响较小,第II阶段时间越长，材料抗应力腐蚀
性能越好。若通过实验测出某种材料在第II阶段的
da/dt值及第二阶段结束时的KI值，就可估算出机件
22
三、钢的氢致延滞断裂机理
• 三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。
• 孕育期：α－Fe晶格中氢原子数量↑+迁移+偏聚
• 1）氢气团导致裂纹
•
氢固溶于α－Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用，
迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。 气团随位错运动，当其遇到障
碍时产生位错塞积，同时氢原子在塞积区聚集。若应力足够大，则在位错塞积
貌也是完全脆性的。 （2）断口往往是粗糙的。 （3）在亚稳扩展区可见腐蚀产物带来的颜色变化（黑色或灰
黑色），但深裂纹的裂夹区颜色可能很浅，不易为肉 眼辨认。 （4）由于断裂总是从与介质接触的表面开始，故启裂区表面 附近的断口颜色最深，有时由于腐蚀进展的变化会在 断口上留下海滩花样。 （5）与介质接触表面往往有点蚀或蚀斑。 （6）应注意，有腐蚀产物不是判定应力腐蚀的充分条件。因 为也有可能由于别的机制导致断裂后，断口受到随后 的腐蚀。
2、力学因素：减小残余拉应力，尽可能增加残余压 应力。
3、材质因素：降低含氢量，细化组织。合理选择制 备和热处理工艺
27
28
21
3、氢化物致脆 与氢有较大亲和力的ⅣB、ⅤB族金属，极易生成脆性氢化
物，氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。使金属脆化。 晶粒粗大，氢化物呈薄片状→较大应力集中→危害大 晶粒细小，氢化物块状不连续分布→危害小 4、氢导致延滞断裂 定义：由于适量以固溶形式存在的氢，金属在低于屈服强
da/dt－KI曲线几乎与纵坐标轴平行。da/dt 值小， 但受K之影响较大。
第II段出现水平线段，da/dt 决定于环境而受应力强
度的影响较小,第II阶段时间越长，材料抗应力腐蚀
性能越好。若通过实验测出某种材料在第II阶段的
da/dt值及第二阶段结束时的KI值，就可估算出机件
22
三、钢的氢致延滞断裂机理
• 三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。
• 孕育期：α－Fe晶格中氢原子数量↑+迁移+偏聚
• 1）氢气团导致裂纹
•
氢固溶于α－Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用，
迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。 气团随位错运动，当其遇到障
碍时产生位错塞积，同时氢原子在塞积区聚集。若应力足够大，则在位错塞积
貌也是完全脆性的。 （2）断口往往是粗糙的。 （3）在亚稳扩展区可见腐蚀产物带来的颜色变化（黑色或灰
黑色），但深裂纹的裂夹区颜色可能很浅，不易为肉 眼辨认。 （4）由于断裂总是从与介质接触的表面开始，故启裂区表面 附近的断口颜色最深，有时由于腐蚀进展的变化会在 断口上留下海滩花样。 （5）与介质接触表面往往有点蚀或蚀斑。 （6）应注意，有腐蚀产物不是判定应力腐蚀的充分条件。因 为也有可能由于别的机制导致断裂后，断口受到随后 的腐蚀。
2、力学因素：减小残余拉应力，尽可能增加残余压 应力。
3、材质因素：降低含氢量，细化组织。合理选择制 备和热处理工艺
27
28
21
3、氢化物致脆 与氢有较大亲和力的ⅣB、ⅤB族金属，极易生成脆性氢化
物，氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。使金属脆化。 晶粒粗大，氢化物呈薄片状→较大应力集中→危害大 晶粒细小，氢化物块状不连续分布→危害小 4、氢导致延滞断裂 定义：由于适量以固溶形式存在的氢，金属在低于屈服强
第六章应力腐蚀氢脆1
源
亚临界 扩展
④失稳扩展区断口常有放射花样（羽毛 状）或似“人”字纹, 光亮色
典型的应力腐蚀照片
失稳扩展
失稳 扩展
应力腐蚀抗力指标及测试方法
早期， 特定介质中、 于不同应力下，
采用光滑试样， 测定滞后破坏时间。
得到
不足之处：⑴⑵⑶
(1)因数据分散，有 时可能得出错误的结论
-9 -6 C、裂纹扩展：10 -10 m/s，
似疲劳： 亚临界扩展-----临界尺寸---突然断裂
应力腐蚀裂纹
取决于①合金成分 及②腐蚀介质
宏观形貌①②③④
①脆性断裂，时有少 量塑性撕裂痕迹
②裂纹源可有几个：
垂直⊥主应力面裂纹 源引起断裂
裂纹源（多个）
源
③裂纹源、亚稳扩展 区黑色或灰黑色
阳极
应力腐蚀裂纹
应 力 腐 蚀 裂 纹
20钢的应力腐蚀断口
20钢断口腐蚀产物
典型的应力腐蚀照片
体发 不生 锈应 钢力 管腐 道蚀 内奥 壁氏
应力腐蚀形成断口，则：
裂纹形成+裂纹扩展
A、裂纹形成决定寿命
形成约全部时间90%
扩展仅占10%左右
B、可以是沿晶断裂，
也可以是穿晶断裂。
最敏感的温度 —— 室温附近
形变速率高→位错运动快 → H扩散＜位错运动 →不显示脆性
减少氢脆：①②
①内部氢脆，严格
执行工艺规定
②环境氢脆，×高强 度材料 强度越高， 对氢脆越敏感
③腐蚀介质（很弱）：材料 腐蚀很慢（无应力时） SCC（ Stress Corrosion Cracking）
*合金产生应力腐蚀，须：
应力 + 特定腐蚀介质
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。
材料力学性能 第六章-2
•
• •
（二）氢脆类型及其特征
氢致延滞断裂特点：
• (1) 只在一定温度范围内出现，如高强度钢多出现在-100~150℃之间，在室 温下最敏感。
• (2) 提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低，因此，只有在慢速加载试验 中才能显示这类脆性。 • (3) 可显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定数值后，断后伸 长率不再变化。
氢原子进入钢中、氢在钢中的迁移和氢的偏聚。
• 这三个步骤都需要时间，这就是氢致延滞断裂的孕育阶段。
四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系
两者的区别：
• 应力腐蚀为阳极溶解过程（图a），形成所谓
的阳极活性通道而使金属开开裂； 而氢致延滞断裂是阴极吸氢过程。
• 一般采用极化试验方法来判断具体合金-化学
介质系统的断裂究竟属于哪种断裂类型： 当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是
3. 材质因素
• 含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性较低。 • 钢的强度越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中工作的高强度钢的强 度应有所限制。
• •
由于氢使晶格膨胀，所以拉应力将促进氢的溶解。 在外加应力作用下，金属中已形成裂纹的尖端是三向拉 应力区，因而氢原子易于通过位错运动向裂纹尖端区域 聚集。 氢原子一般偏聚在裂纹尖端塑性区与弹性区的界面上， 当偏聚浓度再次达到临界值时，便使这个区域明显脆化 而形成新裂纹。 新裂纹与原裂纹的尖端相汇合，裂纹便扩展一段距离， 随后又停止，见右图(a)。 以后是再孕育、再扩展，最后，当裂纹经亚稳扩展达到 临界尺寸时便失稳扩展而断裂。因此，氢致延滞断裂的 扩展方式是步进式，这是与应力腐蚀裂纹渐进式扩展方 式不同的。
应力腐蚀（图c），
当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是 氢致延滞断裂（图d）。
材料力学性能金属的应力腐蚀和氢脆
镍基合金
热浓NaOH溶液，HF溶 液和蒸汽
发烟硝酸，300℃以上旳
钛合金 氯化物，潮湿性空气及海
水
（3）一般以为，纯金属不会产生应力腐蚀，全部合金相应 力腐蚀都有不同程度旳敏感性，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。
但在每—种合金系列中，都有相应力腐蚀敏感旳合金成 份。例如，铝镁合金中当镁旳质量分数不小于4％，相应力 腐蚀很敏感；而镁旳质量分数不不小于4％时，则不论热处 理条件怎样，它几乎都具有抗应力腐蚀旳能力。
第六章金属旳应力腐蚀和氢脆断裂
金属工件在加工过程中往往产生残余应力，在服役过程中 又承受外加载荷，假如与周围环境中多种化学介质或氢相接 触，便会产生特殊旳断裂现象，其中主要有应力腐蚀断裂和 氢脆断裂等，这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大旳 危险性。
本单元主要简介应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳产生旳原因、 断裂特征和影响原因等，简介金属材料抵抗应力腐蚀、氢脆 和疲劳腐蚀断裂旳力学性能指标及预防其断裂旳措施。
➢ 与脆性断口相同。沿晶断裂，晶界面上有许多撕裂棱。 ➢ 实际断口裂纹扩展途径和KI有关：
KI高，穿晶韧窝； KI中，准解理； KI低，沿晶
➢ 断裂类型与杂质含量有关 杂质高——沿晶断裂 杂质低——穿晶断裂
三、钢旳HIC机理
高强钢HIC三阶段：
1）孕育阶段（[H]钢中迁移[H]偏聚裂纹）
➢ 三个环节：氢原子进入钢中、氢在钢中旳迁移和氢旳 偏聚。 → 需要时间
腐蚀； 2.造成应力腐蚀破坏旳应力为极小应力。
钢丝应力腐蚀与一般拉应力断裂比较
二、应力腐蚀产生旳条件
（1）只有在拉伸应力作用下才干引起应力腐蚀开裂( 近年来，也发觉在不锈钢中能够有压应力引起)。
第06章金属的应力腐蚀和氢脆断裂-材料力学性能
对应力腐蚀不敏感的合金成分。如：铝镁合金中当 含镁量超过 4 ％，对应力腐蚀很敏感，而镁含量小 于 4 ％时，无论热处理条件如何，它几乎都具有抗 腐蚀的能力。又如，钢中在含碳量在 0.12％左右时，
应力腐蚀敏感性最大。
7
二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征
（一）应力腐蚀断裂机理 机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所 有的应力腐蚀断裂现象，应力腐蚀断裂最基本的机 理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆
的水平部分所对应的ΚⅠ初值即为材料的ΚⅠscc。
14
2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
当应力腐蚀裂纹尖端的 KI>KISCC时，裂纹就会
不断扩展。
单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 扩展速率，da/dt。
da lg K dt
关系曲线分三个阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或初
始、稳定、失稳），如图6-7所示。
理论。
在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐蚀开裂 理论。 1、以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论 如图所示。 （该理论只能很好地解释沿晶断裂
的应力腐蚀）
8
2、晶界微电池溶解理论
在 γ 体护环钢的龟裂现象中发现：沉淀于晶界
的碳化物其实为类似珠光体的结构，该结构与介质
形成微电池并迅速溶解，导致脆断。断裂过程分为
第Ⅱ阶段时间越长材料抵抗应力腐蚀性能越好。
由图6-7中第Ⅱ阶段的da/dt—KI两个数值的关系，
可以估算机件的剩余寿命。
15
四、防止应力腐蚀的措施
从导致应力腐蚀的三要素（三个条件）下手。 1、合理选择金属材料 根据机件所承受的应力和接触的化学介质，选 用耐应力腐蚀的金属材料（避开灵敏材料）。即选
用KⅠscc较高的合金。
应力腐蚀敏感性最大。
7
二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征
（一）应力腐蚀断裂机理 机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所 有的应力腐蚀断裂现象，应力腐蚀断裂最基本的机 理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆
的水平部分所对应的ΚⅠ初值即为材料的ΚⅠscc。
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2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
当应力腐蚀裂纹尖端的 KI>KISCC时，裂纹就会
不断扩展。
单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 扩展速率，da/dt。
da lg K dt
关系曲线分三个阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或初
始、稳定、失稳），如图6-7所示。
理论。
在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐蚀开裂 理论。 1、以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论 如图所示。 （该理论只能很好地解释沿晶断裂
的应力腐蚀）
8
2、晶界微电池溶解理论
在 γ 体护环钢的龟裂现象中发现：沉淀于晶界
的碳化物其实为类似珠光体的结构，该结构与介质
形成微电池并迅速溶解，导致脆断。断裂过程分为
第Ⅱ阶段时间越长材料抵抗应力腐蚀性能越好。
由图6-7中第Ⅱ阶段的da/dt—KI两个数值的关系，
可以估算机件的剩余寿命。
15
四、防止应力腐蚀的措施
从导致应力腐蚀的三要素（三个条件）下手。 1、合理选择金属材料 根据机件所承受的应力和接触的化学介质，选 用耐应力腐蚀的金属材料（避开灵敏材料）。即选
用KⅠscc较高的合金。
第7章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂
8
2）应力腐蚀断口微观特征
（1）若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数百倍）倍率
下，沿晶断口的形貌是颗粒状。
（2）穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的类似解理形貌。 （3）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。
（4）腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是“泥状花样”
的腐蚀产物。 （5）清洗过的SCC断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿晶型，更易 辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口相区别的重要依据。
20
二、氢脆类型及其特征
1、氢蚀(气蚀) • 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。 • 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。 2、白点（发裂） • H过量时，随温度降低合金中H的溶解度降低，容易形成H2, 使H的体积增加形成很大的内压力撕裂金属局部形成裂纹。 这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形，为银白色，因此成为白 点。白点是一种严重的缺陷，降低材料的性能。 • 减弱或消除的方法：精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以 及加入一些微量元素。
9
3）应力腐蚀断裂途径
(1) 根据金属和合金的种类及介 质不同， SCC 可以是沿晶的 或穿晶的： 碳钢和铬不锈钢多系沿晶 奥氏体不锈钢多为穿晶 铝、钛、镍也多为沿晶 但也有例外的。 (2)裂纹扩展的宏观方向与应力 有关，大体垂直于主应力， 但裂纹常有分叉现象，呈枯 树枝状。
10
三、应力腐蚀抗力指标
22
三、钢的氢致延滞断裂机理
• 三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。
•
• •
孕育期：α－Fe晶格中氢原子数量↑+迁移+偏聚
1）氢气团导致裂纹 氢固溶于α－Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用， 迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。 气团随位错运动，当其遇到障
2）应力腐蚀断口微观特征
（1）若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数百倍）倍率
下，沿晶断口的形貌是颗粒状。
（2）穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的类似解理形貌。 （3）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。
（4）腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是“泥状花样”
的腐蚀产物。 （5）清洗过的SCC断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿晶型，更易 辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口相区别的重要依据。
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二、氢脆类型及其特征
1、氢蚀(气蚀) • 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。 • 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。 2、白点（发裂） • H过量时，随温度降低合金中H的溶解度降低，容易形成H2, 使H的体积增加形成很大的内压力撕裂金属局部形成裂纹。 这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形，为银白色，因此成为白 点。白点是一种严重的缺陷，降低材料的性能。 • 减弱或消除的方法：精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以 及加入一些微量元素。
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3）应力腐蚀断裂途径
(1) 根据金属和合金的种类及介 质不同， SCC 可以是沿晶的 或穿晶的： 碳钢和铬不锈钢多系沿晶 奥氏体不锈钢多为穿晶 铝、钛、镍也多为沿晶 但也有例外的。 (2)裂纹扩展的宏观方向与应力 有关，大体垂直于主应力， 但裂纹常有分叉现象，呈枯 树枝状。
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三、应力腐蚀抗力指标
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三、钢的氢致延滞断裂机理
• 三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。
•
• •
孕育期：α－Fe晶格中氢原子数量↑+迁移+偏聚
1）氢气团导致裂纹 氢固溶于α－Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用， 迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。 气团随位错运动，当其遇到障
金属的应力腐蚀和氢脆断裂(最全版)PTT文档
ε=△ω/△w
3、显微组织对耐磨性的影响 4、服役工况的影响
三、提高材料耐磨性的措施
1、工况分析 2、选材及其强化处理
Hale Waihona Puke 感谢观看金属的应力腐蚀和氢脆断裂
二、应力腐蚀
1、机理 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）
间隙原子状 固溶在金属中；
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。
1、是材料的物性与服役工况的综合表现。 b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）； 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（H2，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。
三、钢的氢致延滞断裂机理
三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。 1）孕育期 氢原子数量↑；扩散，偏聚。 氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受 阻，产生应力集中，萌生裂纹。 2）温度的影响 tt3<>）ttHH应氢氢力扩气状散团况率扩很散漫，，无不氢形脆成。氢脆；t=tH 最敏感； 应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进H溶解。
高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。[循环软化]
四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系。 “相互促进” 阳极溶解、金属开裂 阴极吸氢，延滞断裂。
五、防止氢脆的措施 1）材料 降低含氢量，细化组织 2）环境 减少吸氢的可能性 3）力学因素 减小残余应力
3、显微组织对耐磨性的影响 4、服役工况的影响
三、提高材料耐磨性的措施
1、工况分析 2、选材及其强化处理
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二、应力腐蚀
1、机理 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）
间隙原子状 固溶在金属中；
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。
1、是材料的物性与服役工况的综合表现。 b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）； 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（H2，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。
三、钢的氢致延滞断裂机理
三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。 1）孕育期 氢原子数量↑；扩散，偏聚。 氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受 阻，产生应力集中，萌生裂纹。 2）温度的影响 tt3<>）ttHH应氢氢力扩气状散团况率扩很散漫，，无不氢形脆成。氢脆；t=tH 最敏感； 应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进H溶解。
高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。[循环软化]
四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系。 “相互促进” 阳极溶解、金属开裂 阴极吸氢，延滞断裂。
五、防止氢脆的措施 1）材料 降低含氢量，细化组织 2）环境 减少吸氢的可能性 3）力学因素 减小残余应力
氢脆与应力腐蚀断裂的比较
三、氢脆与应力腐蚀断裂的比较
应力腐蚀与氢脆往往同时发生。
因此，要从机理上把应力腐蚀与氢脆清晰区分开来是困难的。
但是从预防的角度来看，区分他们又十分必要，因此，可以作如下的分析（表5-2）。
表5-2 氢脆与应力腐蚀断裂异同
? 应力腐蚀开裂氢脆
产生条件1临界值以上的拉应力或低速度应力
临界值以上的拉应力
（三轴应力）
2合金发生。
而纯金属不发生
合金与某些纯金属都能
发生
3
一种合金只对少数特定化学介质是
敏感的。
其数量和浓度不一定大
只要含氢或能产生氢
（酸洗、电镀）的情况
都能发生
4发生温度从室温到300℃从-100～100℃
5无应力时合金对环境是惰性的
无应力时合金对环境是
惰性的
6阳极反应阴极反应
7采用阴极防护能明显改善阴极极化反而促进氢脆8受应力作用时间支配不明显。
工程材料力学性能
2、产生条件
（1）应力：机件所承受的应力包括工作应力和残余应力。在化学 介质诱导开裂过程起作用的是拉应力，且产生应力腐蚀的应力 不一定很大。
（2）化学介质：只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产 生应力腐蚀。
（3）金属材料：一般纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力 腐蚀均有不同程度的敏感性。在每一种合金系列中，都有对应 力腐蚀不敏感的合金成分（如镁铝合金）。
分子氢：气态H2存在于金属内部的气孔、裂缝等大缺陷处； 氢还可以与各种合金元素溶质原子、晶体缺陷、各种化合物相 发生程度不同的结合。
二、氢脆的种类及其特征
1.氢脆 （1）氢应力开裂，又叫内氢脆。它主要在碳钢、低合金钢，尤其在高
强钢中发生。当钢中含有0.1－10ppm氢并受到慢速应变（或承受一定 水平以上的拉应力）时出现裂纹而脆化、脆断。一般有一个孕育期， 发生温度范围为－100－100℃。典型如氢致延滞断裂。 （2）氢环境脆化是指钢、镍基合金、钛合金等在氢压0.01－102MPa环 境中，慢速应变时出现的脆化。发生温度范围为－100－700℃，无孕 育期。
（3）氢蚀（氢+第二相→高压气体） 发生的温度较氢鼓泡高，在205－595℃。例如碳钢在300－
500℃的高压氢气氛中工作，氢与钢中的碳结合生成CH4而鼓泡 ，在晶界处达到一定密度后，金属塑性大幅降低。
宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。 微观断口晶界明显加宽，呈沿晶断裂。
（4）白点（发裂） 通常发生于大型钢锻件中。一般认为冶炼或热加工时溶入的
4）断口微观特征：应力腐蚀一般为沿晶断裂，也有穿晶解理断裂 ，有较多的腐蚀产物，裂源处腐蚀产物最多。氢致延迟断裂多数为沿 晶断裂，也有穿晶解理断裂或准解理断裂。断口上常有大量的撕裂岭 ，个别地方有韧窝。如未在腐蚀环境中放置，一般无腐蚀产物。