第6章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂ppt课件
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氢腐蚀开裂PPT课件
– 在250℃以上迅速形成
• 低的氢溶解度 • 无散裂 • 自始至终形成氢化物的微粒 • 对失效高灵敏 • 一般发生在从高温冷却到室温的过程中
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 防护措施
– 内在现象 – 氢和金属高温反应的结果 – 补救措施
氢脆
裂缝端
σ
氢脆
• 机理
σ
H2(气体)
游离的化学吸附 物理吸附
σ
氢脆
• 机理
σ
H2(气体)
氢扩散
σ
氢脆
• 恢复始态理论
σ
σ σmax
H2(气体) x
σ
氢脆
• 表面减少理论
– 氢的吸附减少了金属的表面自由能 – 裂缝尖端扩展 – 可以解释低压氢环境下高强度钢的裂纹扩展
氢脆
• 平面压力理论
– 在金属成型期间渗氢发生 – 在微孔中可能形成高压氢 – 与氢鼓泡同样机理
• 降低操作温度 • 热处理
氢化物形成的开裂
• 设计指标
– 降低材料强度 – 减少高温操作时的碳含量 – 避免高温操作时使用钛
• 减少氢含量
– 热处理 (加工和焊接) – 使用缓蚀剂 – 保持储存时的干燥环境
– 脆裂可能发生在焊缝周围 – 含氢的焊棒可能引入氢脆 – 措施
• 将低氢焊棒储存在干燥处 • 焊接后进行局部热处理
氢脆
• 防护措施
– 设计: 降低材料强度 – 生产: 在生产区域和热处理时减少氢源 – 焊接: 妥善储存和处理焊接棒 – 补救措施: 在减压条件下，100-650°C烘烤可
• 低的氢溶解度 • 无散裂 • 自始至终形成氢化物的微粒 • 对失效高灵敏 • 一般发生在从高温冷却到室温的过程中
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
Ti
氢化物形成的开裂
• 钝化
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氢化物形成的开裂
• 钝化
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氢化物形成的开裂
• 防护措施
– 内在现象 – 氢和金属高温反应的结果 – 补救措施
氢脆
裂缝端
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氢脆
• 机理
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H2(气体)
游离的化学吸附 物理吸附
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氢脆
• 机理
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H2(气体)
氢扩散
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氢脆
• 恢复始态理论
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σ σmax
H2(气体) x
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氢脆
• 表面减少理论
– 氢的吸附减少了金属的表面自由能 – 裂缝尖端扩展 – 可以解释低压氢环境下高强度钢的裂纹扩展
氢脆
• 平面压力理论
– 在金属成型期间渗氢发生 – 在微孔中可能形成高压氢 – 与氢鼓泡同样机理
• 降低操作温度 • 热处理
氢化物形成的开裂
• 设计指标
– 降低材料强度 – 减少高温操作时的碳含量 – 避免高温操作时使用钛
• 减少氢含量
– 热处理 (加工和焊接) – 使用缓蚀剂 – 保持储存时的干燥环境
– 脆裂可能发生在焊缝周围 – 含氢的焊棒可能引入氢脆 – 措施
• 将低氢焊棒储存在干燥处 • 焊接后进行局部热处理
氢脆
• 防护措施
– 设计: 降低材料强度 – 生产: 在生产区域和热处理时减少氢源 – 焊接: 妥善储存和处理焊接棒 – 补救措施: 在减压条件下，100-650°C烘烤可
第六章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
第六章金属的应力腐蚀与氢脆断裂Chapter 6 Stress Corrosion and Hydrogen Embrittlement ofMetals第一节概述(Brief introduction)1、定义（Definition）在应力和环境介质的共同作用下，金属构件产生破坏行为按其受力情况与破坏方式的不同可分为以下三种基本类型。
应力腐蚀——金属构件在静态或准静态拉应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的低应力脆断称为应力腐蚀（SCC）；（包括低碳钢的碱脆、低碳钢的硝脆、奥氏体不锈钢的氯脆和低合金高强度钢的氢脆等）腐蚀疲劳——金属构件在交变应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的断裂称为腐蚀疲劳；腐蚀磨损——金属构件在环境介质作用下还受机械摩擦，或者由于腐蚀介质的直接冲刷等引起表面磨损的现象腐蚀磨损。
由于金属的应力腐蚀现象更为普遍，并且其破坏原理更为复杂，氢脆也是极为重要的一种破坏方式，因此本章重点以应力腐蚀和氢脆为主。
同时由于这类腐蚀大多为低应力脆断，因此具有很多的危险性，同时随着航空、原子能、石油化工等工业的迅速发展，这类腐蚀越来越多，因此有必要进行研究。
第二节应力腐蚀（Stress corrosion）（一）应力腐蚀现象及其产生条件(Stress corrosion phenomenon and engendering condition)应力和环境综合作用的结果，其效果不是两者的简单迭加。
绝大多数金属材料在一定介质下都有应力腐蚀倾向。
如：1）低碳及低合金钢的碱脆与硝脆；2）奥氏体不绣钢的氯脆；3）铜合金的氨脆；4）高强度铝合金在空气、蒸馏水中的脆断；5）低合金高强度钢及不锈钢的氢脆等。
可见产生应力腐蚀的条件是：应力、介质及合金的材料（纯金属不会产生应力腐蚀）。
（二）应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征（Fracture mechanism and morphology of stress corrosion）1、断裂机理（Fracture mechanism）目前断裂机理有多种理论，至今尚未得到统一，但主要以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论为主。
应力腐蚀和氢脆PPT课件
命明显缩短，冲击韧性值显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下， 材料经过一段时期后会突然脆断。
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• 在近代工业发展中，大量的实践证明，几乎所有 的金属材料都有程度不同的氢脆倾向，高强度钢 含氢不到 百万分之一量级就引起滞后破坏便是一 例。
• 而氢又是石油化工工业中的重要原料和工作介质， 钢材长期和氢接触，不但可能变脆，而且在较高 温度下还可能被氢腐蚀。
• 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。
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• 应力腐蚀断裂速度为0.01～3mm/h，远远大于 无应力存在下的局部腐蚀速度（如孔蚀等）， 但又比单纯力学断裂速度小得多。
• 例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106 倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级， 这主要由于纯力学断裂通常对应的应力水平要 高得多。
能力知识点3 提高应力腐蚀抗力的措施
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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。
第32页/共78页
合理选择金属材料
第33页/共78页
改善化学介质
• 控制环境，改善使用条件，除去介质中危害性大的化学成分。 例如把水中氧降低到1×10-6以下；使用离子交换树脂去除氯离 子等。
• 控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以下，以抑制SCC 的发生。
• 采用外加电流阴极保护法也可以防止SCC的发生，而且在裂纹 形成后还可使其停止发展。
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• 在近代工业发展中，大量的实践证明，几乎所有 的金属材料都有程度不同的氢脆倾向，高强度钢 含氢不到 百万分之一量级就引起滞后破坏便是一 例。
• 而氢又是石油化工工业中的重要原料和工作介质， 钢材长期和氢接触，不但可能变脆，而且在较高 温度下还可能被氢腐蚀。
• 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。
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• 应力腐蚀断裂速度为0.01～3mm/h，远远大于 无应力存在下的局部腐蚀速度（如孔蚀等）， 但又比单纯力学断裂速度小得多。
• 例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106 倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级， 这主要由于纯力学断裂通常对应的应力水平要 高得多。
能力知识点3 提高应力腐蚀抗力的措施
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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。
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合理选择金属材料
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改善化学介质
• 控制环境，改善使用条件，除去介质中危害性大的化学成分。 例如把水中氧降低到1×10-6以下；使用离子交换树脂去除氯离 子等。
• 控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以下，以抑制SCC 的发生。
• 采用外加电流阴极保护法也可以防止SCC的发生，而且在裂纹 形成后还可使其停止发展。
[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，
第6章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
KI初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即
为材料的KIscc
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K<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。
KISCC<K<KIC时，在腐蚀性环境和应力共同作用下， 裂纹呈亚临界扩展，随裂纹不断增长，裂纹尖端K值 不断增大，达到KIC断裂。
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2
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；表6-1所 示
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。
精选版课件ppt
3
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
纹且扩展，最后突然发生的脆性断裂。
特点：
1) 只在一定温度范围内出现；
2) 提高应变速率，可降低材料氢脆的敏感性；
3) 显著降低材料断 后 延 伸 率 ，但有一极限值；而断面收
缩率随含H量增加一直降低；
4) 高强度钢的这类断裂有可逆性。即低应力慢速应变后，
由于氢脆降低塑性，卸载停留一定时间后再进行高速加载
4
滑移－溶解理论
在阳特极定金化属学变介成质正中离首子先进在入表电面解形质成中一产层生钝阳化极膜溶，解在，拉于应是力在 作金用属下表裂面纹形尖成端蚀地坑区。产拉生应局力部在塑蚀性坑变或形原，有滑裂移纹台的阶尖在端表形面成 露应头力时集钝中化，膜使破阳裂极，电显位露降出低新，表加面速。阳这极个金新属表的面溶在解电。解如质果 溶裂液纹中尖成端为的阳应极力，集具中有始钝终化存膜在的，金那属么表微面电为池阴反极应，便从不而断形进 成行腐，蚀钝微化电膜池不。能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。
金属的应力腐蚀和氢脆断裂
显然：KI初≥KISCC为金属材料在应力腐蚀 条件下的断裂判据
• 测定金属材料的KIscc可用 恒载荷法或恒位移KI初， 一般用恒载荷法。
• 整个试验过程中载荷恒定， 随着裂纹的扩展，裂纹尖
端KI增大，可用下式计算：
KI
4.12M BW 3/ 2
1
[
3
3 ]1/ 2
• 其中α＝1－a/W，M=FL
• 应力腐蚀断裂SCC：拉应力和特定介质共同作
用下所引起的断裂 • • 一．应力腐蚀断裂的条件及特征 • 1、应力腐蚀现象 低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含
有硝酸根离子介质中的“硝脆”。 奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”。 铜合金在氨气介质中的氨脆。
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。
• 可按下式将腐蚀的失重指标换算成腐蚀的深度指 标：
• VL= V-×24×365×10-3/ρ= V-×8.76/ρ • VL－腐蚀的深度指标 mm/a （毫米/年） • ρ－金属的密度 g/cm3
• （3）均匀腐蚀金属耐蚀性的评定 • 对于均匀腐蚀的金属材料，耐蚀性等级的划分大
多采用深度指标，但金属腐蚀深度一般是随时间变 化的，所以从腐蚀手册查到的资料难以精确地反映 出实际情况，因此选用评定标准时，应考虑实际情 况和使用期限。
1、均匀腐蚀的程度与评定方法
• （1）腐蚀速度的质量指标
• 金属因腐蚀而发生质量变化，在失重时是指腐蚀前的 质量与清除腐蚀产物后的质量之间的差值1
S t
• V-－失重时的腐蚀速度g/m2h
• W0－金属初始质量 • W1－清除腐蚀产物后的质量 • S－金属的表面积 t－腐蚀时间
• 测定金属材料的KIscc可用 恒载荷法或恒位移KI初， 一般用恒载荷法。
• 整个试验过程中载荷恒定， 随着裂纹的扩展，裂纹尖
端KI增大，可用下式计算：
KI
4.12M BW 3/ 2
1
[
3
3 ]1/ 2
• 其中α＝1－a/W，M=FL
• 应力腐蚀断裂SCC：拉应力和特定介质共同作
用下所引起的断裂 • • 一．应力腐蚀断裂的条件及特征 • 1、应力腐蚀现象 低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含
有硝酸根离子介质中的“硝脆”。 奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”。 铜合金在氨气介质中的氨脆。
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。
• 可按下式将腐蚀的失重指标换算成腐蚀的深度指 标：
• VL= V-×24×365×10-3/ρ= V-×8.76/ρ • VL－腐蚀的深度指标 mm/a （毫米/年） • ρ－金属的密度 g/cm3
• （3）均匀腐蚀金属耐蚀性的评定 • 对于均匀腐蚀的金属材料，耐蚀性等级的划分大
多采用深度指标，但金属腐蚀深度一般是随时间变 化的，所以从腐蚀手册查到的资料难以精确地反映 出实际情况，因此选用评定标准时，应考虑实际情 况和使用期限。
1、均匀腐蚀的程度与评定方法
• （1）腐蚀速度的质量指标
• 金属因腐蚀而发生质量变化，在失重时是指腐蚀前的 质量与清除腐蚀产物后的质量之间的差值1
S t
• V-－失重时的腐蚀速度g/m2h
• W0－金属初始质量 • W1－清除腐蚀产物后的质量 • S－金属的表面积 t－腐蚀时间
氢脆断裂ppt课件
2）沿晶断口显示出的晶界面平坦且无附着物， 有时可见白亮、不规则的细线条。
微观断口形貌与含氢量、钢的成分、晶粒大小、 应力大小、应变速度及温度等因素有关。
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16ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀 应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
所引起的准解理面。
29
主要特征：
拉伸塑性降低 缺口抗拉强度降低 静载条件下的延迟断裂 屈服强度不受明显影响 易发生于低应变速率及中温范围
2
1、断口宏观特征
1）典型的脆性断裂特征：平齐、光亮，常存 在放射状棱线或呈颗粒状。
2）断口上有时可见银灰色并发亮的斑点，此 即白点。
3
4
5
6
2、微观特征
1）常呈现沿晶或准解理形貌，有时可见解理 或局部韧窝。
一.氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。
某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。
二者常常共存。
1
二、氢 脆
常发生于高强度钢和高强度合金中。
28
差异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
微观断口形貌与含氢量、钢的成分、晶粒大小、 应力大小、应变速度及温度等因素有关。
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三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀 应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
所引起的准解理面。
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主要特征：
拉伸塑性降低 缺口抗拉强度降低 静载条件下的延迟断裂 屈服强度不受明显影响 易发生于低应变速率及中温范围
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1、断口宏观特征
1）典型的脆性断裂特征：平齐、光亮，常存 在放射状棱线或呈颗粒状。
2）断口上有时可见银灰色并发亮的斑点，此 即白点。
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2、微观特征
1）常呈现沿晶或准解理形貌，有时可见解理 或局部韧窝。
一.氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。
某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。
二者常常共存。
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二、氢 脆
常发生于高强度钢和高强度合金中。
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差异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
第6章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂
6.1 应力腐蚀
一、定义：
应力腐蚀断裂： 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。
实际服役的零件通常承受的应力水平较低，介质 的腐蚀作用也较弱，它们单独存在时，零件可能 不会失效。但在二者联合作用下，失效则发生。
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叠加所造成 的，而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。其断裂强度比单个因素分别作用 后再叠加起来的要低得多。
6.1 应力腐蚀
二、应力腐蚀断裂产生的条件及特征
1、拉应力是产生应力腐蚀断裂的必要条件 拉应力可来自外载（工作应力），也可以来自各 种残余应力，如焊接、冷加工、热处理等引起的 残余应力。
2、产生应力腐蚀的环境总是存在化学介质 介质的腐蚀性一般都很弱，若无拉应力作用，材 料在介质中的腐蚀速度很慢，甚至可在金属表面 形成保护膜而不产生应力腐蚀断裂。只有在介质 与拉应力同时作用下，才产生强烈的应力腐蚀。 而且，产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，即 每种材料只对某些介质敏感，而该介质对其它材 料可能没有明显作用。
3、金属材料中只有合金才产生应力腐蚀，一般纯金 属不会发生应力腐蚀。所有合金对应力腐蚀都有 不同程度的敏感性。
4、应力腐蚀是一种延迟断裂，即在拉应力作用下， 需经一定时间后才产生裂纹和裂纹扩展。
5、应力腐蚀断裂一般是脆性的，不产生宏观塑性变 形。其断口可为沿晶、穿晶和混合型断裂。多数
情况下，以沿晶断裂为主。
一、氢脆的概念
由氢和应力联合作用而使材料产生脆性断 裂的现象谓之氢脆断裂，简称氢脆，亦称氢损 伤。
二、氢脆产生原因
• 氢脆的产生可有多种途径。在应力腐蚀过程 中，除在阳极产生金属溶解外，若同时在阴极 发生 H++eH 的反应生成原子氢，则会使氢 吸附在金属表面。
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。
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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。
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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。
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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）
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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。
6-1 金属的应力腐蚀.
腐蚀电流： I=（Vc-Va）/R Vc-阴极电位 Va –阳极电位 R-微电池中的电阻
极化作用大（Vc-Va）↓=0 金属进入钝化状态， 腐蚀停止 去极化作用大（Vc-Va）↑ 腐蚀损伤
介于扩展区，最后瞬断区 断口呈黑色或灰色。 微观：沿晶断裂和穿晶断裂 泥状花样、腐蚀坑
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第一节 应力腐蚀
一、应力腐蚀及其产生条件
1、定义与特点 （1）定义
材料或零件在拉应力和腐蚀环境的共同作用下，经过一 段时间后所产生的低应力脆断现象叫应力腐蚀。
2、产生条件: 1)应力 ：外应力 、残余应力 2)化学介质 ：一定材料对应一定的化学介质 低碳钢-碱脆 A不锈钢-氯脆 铜合金-氨脆 3)金属材料 ：化学成分—合金或杂质高的金属比纯金属敏感
Ⅰ初始阶段 主要取决于KI
Ⅱ稳定阶段 电化学过程起决定 lgda/dt 作用
Ⅰ ⅡⅢ
Ⅲ失稳阶段 取决于KI
KISCC KI KIC
可以估算机件的剩余寿命（ Ⅱ阶段）
四、防止措施 1、合理选材
对介质不敏感的材料
p129
抗应力腐蚀的材料 高KISCC
四种高强度钢 抗拉强度为1650MPa时
2、减少或消除残余拉应力 冷变形或者焊接后的去除应力处理
表面处理形成残余压应力
3、改善化学介质 ↓有害的化学离子：如水的净化处理
加入缓蚀剂：
锅炉碱脆: 硝脆
加入强氧化剂 加入苛性钠
如硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐
4、采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域。
外加电流
牺牲阳极
位错结构等—平面状结构比波纹状结构敏感
二、应力腐蚀断裂机理及断口特征 1、机理 钝化膜破坏理论（滑移——溶解理论）
金属应力腐蚀和氢脆断裂ppt课件
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。假设过饱和的氢未 能分散逸出，便聚集在某些缺陷处而构成氢 分子。此时。氢的体积发生急剧膨胀，内压 力很大足以将金属部分撕裂，而构成微裂纹。 这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为 雪白色。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
产生应力腐蚀。 ⑶ 金属资料 普通以为，纯金属不会产生应力腐蚀，一切合
金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。
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 关于在应力和化学介质结协作用下裂纹
的构成和扩展问题，有多种实际，至今尚未 得到一致的见解。下面着重引见以 阳极溶解为根底的钝 化膜破坏实际。如图 6-1所示。
〔二〕. 应力腐蚀断口特征
应力腐蚀的显微裂纹如 图6-2所示，常有分叉景象， 呈枯树枝状。这阐明，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 蚀以及其它方式的断裂区分 开来。
断口的微观形貌丁般为沿晶断裂，也能 够为穿晶解理断裂。其外表可见到“泥状花 样〞的腐蚀产物(图6-4a)及腐蚀坑(图6-4b)。
图6-5为某种钛合金的预制裂纹试样在恒载荷下， 于3.5%NaCl水溶液中进展应力腐蚀实验的结果。
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 度因子称为应 力腐蚀临界应 力场强度因子 (或称为应力腐 蚀门槛值)，以
表示。
KⅠscc
对于含有裂纹的机件，当作用于裂纹尖端的初
始应力场强度因 KⅠ初 ≤ KⅠsc时c ，原始裂纹在化学介
第Ⅱ阶段时间越长，资料抗应力腐蚀性能越好。
四、防止应力腐蚀的措施
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(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。
.
9
三、应力腐蚀抗力指标
1、应力腐蚀曲线 采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，测定
不同应力水平作用下的断裂时间曲线，从而求出该种 材料不发生应力腐蚀的临界应力。 实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的 缺陷。因此，用应力腐蚀破裂的临界应力指标σscc不能 客观地反映裂纹机件对应力腐蚀的抗力。 发展了两个重要的应力腐蚀抗力指标： ➢ 应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc ➢ 应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
.
2
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；表6-1所 示
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。
.
3
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
1、应力腐蚀断裂机理
第当二KI阶＜段KI结SC束C时时，的dKa/Id值t =，0 就或
可微估不算足出道机。件在应力腐蚀条
件(2)下第的Ⅰ剩阶余段寿：命当。KI超过KIscc (时4)裂第纹Ⅲ突阶然段加裂速纹扩长展度，接d近a临/dt
界－尺KI寸曲，线d几a/乎dt与依纵赖坐于标KI轴，平材
.
13
3、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
(定3)义第：II段单出位现时水间平内线裂段纹，的扩 d度越展daa长的/量/ddt，影t。—决材响dK定a料较I/曲于d抗小t=线环f应,第(上境K力II的而I)腐阶三受蚀段个应性时阶力能间段强
越：好。若通过实验测出某种 材(1)料存在在第一I个I阶门段槛的值dKa/IdStC值C。及
KI初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即
为材料的KIscc
.
12
K<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。
KISCC<K<KIC时，在腐蚀性环境和应力共同作用下， 裂纹呈亚临界扩展，随裂纹不断增长，裂纹尖端K值 不断增大，达到KIC断裂。
K>KIC时，加上初始载荷后试样立即断裂。 KISCC也可以测量裂纹扩展速率da/dt。
（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。
.
8
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。
.
10
2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
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KI不断减少，用紧凑拉伸试样和螺栓加载。
关于应力腐蚀的机理曾提出许多学说，如活性通 路—电化学理论，膜破裂理论、氢脆理论，“化学脆 变—脆性破裂”理论，腐蚀产物楔入理论、隧洞形蚀孔 撕裂理论，应力吸附破裂理论，快速溶解理论，环境破 裂三阶段理论……等。
最基本的是： 滑移—溶解理论(或称钝化模破坏理论)和氢脆理论。
.
4
滑移－溶解理论
在阳特极定金化属学变介成质正中离首子先进在入表电面解形质成中一产层生钝阳化极膜溶，解在，拉于应是力在 作金用属下表裂面纹形尖成端蚀地坑区。产拉生应局力部在塑蚀性坑变或形原，有滑裂移纹台的阶尖在端表形面成 露应头力时集钝中化，膜使破阳裂极，电显位露降出低新，表加面速。阳这极个金新属表的面溶在解电。解如质果 溶裂液纹中尖成端为的阳应极力，集具中有始钝终化存膜在的，金那属么表微面电为池阴反极应，便从不而断形进 成行腐，蚀钝微化电膜池不。能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。
工程材料力学性能
第六章 金属的应力一节 应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1、应力腐蚀现象 ➢ 应力腐蚀断裂(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。 ➢ 特点：拉应力，特定介质，时间，脆断。
低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆 不锈钢——氯脆 铜合金——氨脆
.
11
整个试验过程中载荷恒定，随着裂纹的扩展，裂纹尖
端KI增大，可用下式计算：
KI 4 B .1W 3 M 2 /2[13 ] 31/2
其中α＝1－a/W
试验时制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同
恒定载荷，使裂纹尖端产生不同大小的初始应力场强
度因子KI初，记录各种KI初作用下的断裂时间tf，以
（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。
.
7
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。
.
6
2、应力腐蚀断口特征
1）应力腐蚀断裂断口宏观特征
（1）即使是塑韧性非常好的材料，其应力腐蚀断裂的宏观形 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
在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I表
示为：
1
I R(Vc Va)
R－微电池中的电阻；Vc,Va-电池两极的电位。
➢ 如果在介质中的极化过程相当强烈，则Vc-Va变 得很小，腐蚀过程就大受抑制；
➢ 如果介质中去极化过程很强，Vc-Va很大，腐蚀 电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面 不能形成钝化膜。
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三、应力腐蚀抗力指标
1、应力腐蚀曲线 采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，测定
不同应力水平作用下的断裂时间曲线，从而求出该种 材料不发生应力腐蚀的临界应力。 实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的 缺陷。因此，用应力腐蚀破裂的临界应力指标σscc不能 客观地反映裂纹机件对应力腐蚀的抗力。 发展了两个重要的应力腐蚀抗力指标： ➢ 应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc ➢ 应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
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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；表6-1所 示
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。
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
1、应力腐蚀断裂机理
第当二KI阶＜段KI结SC束C时时，的dKa/Id值t =，0 就或
可微估不算足出道机。件在应力腐蚀条
件(2)下第的Ⅰ剩阶余段寿：命当。KI超过KIscc (时4)裂第纹Ⅲ突阶然段加裂速纹扩长展度，接d近a临/dt
界－尺KI寸曲，线d几a/乎dt与依纵赖坐于标KI轴，平材
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3、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
(定3)义第：II段单出位现时水间平内线裂段纹，的扩 d度越展daa长的/量/ddt，影t。—决材响dK定a料较I/曲于d抗小t=线环f应,第(上境K力II的而I)腐阶三受蚀段个应性时阶力能间段强
越：好。若通过实验测出某种 材(1)料存在在第一I个I阶门段槛的值dKa/IdStC值C。及
KI初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即
为材料的KIscc
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K<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。
KISCC<K<KIC时，在腐蚀性环境和应力共同作用下， 裂纹呈亚临界扩展，随裂纹不断增长，裂纹尖端K值 不断增大，达到KIC断裂。
K>KIC时，加上初始载荷后试样立即断裂。 KISCC也可以测量裂纹扩展速率da/dt。
（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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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。
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2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
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KI不断减少，用紧凑拉伸试样和螺栓加载。
关于应力腐蚀的机理曾提出许多学说，如活性通 路—电化学理论，膜破裂理论、氢脆理论，“化学脆 变—脆性破裂”理论，腐蚀产物楔入理论、隧洞形蚀孔 撕裂理论，应力吸附破裂理论，快速溶解理论，环境破 裂三阶段理论……等。
最基本的是： 滑移—溶解理论(或称钝化模破坏理论)和氢脆理论。
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滑移－溶解理论
在阳特极定金化属学变介成质正中离首子先进在入表电面解形质成中一产层生钝阳化极膜溶，解在，拉于应是力在 作金用属下表裂面纹形尖成端蚀地坑区。产拉生应局力部在塑蚀性坑变或形原，有滑裂移纹台的阶尖在端表形面成 露应头力时集钝中化，膜使破阳裂极，电显位露降出低新，表加面速。阳这极个金新属表的面溶在解电。解如质果 溶裂液纹中尖成端为的阳应极力，集具中有始钝终化存膜在的，金那属么表微面电为池阴反极应，便从不而断形进 成行腐，蚀钝微化电膜池不。能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。
工程材料力学性能
第六章 金属的应力一节 应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1、应力腐蚀现象 ➢ 应力腐蚀断裂(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。 ➢ 特点：拉应力，特定介质，时间，脆断。
低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆 不锈钢——氯脆 铜合金——氨脆
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整个试验过程中载荷恒定，随着裂纹的扩展，裂纹尖
端KI增大，可用下式计算：
KI 4 B .1W 3 M 2 /2[13 ] 31/2
其中α＝1－a/W
试验时制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同
恒定载荷，使裂纹尖端产生不同大小的初始应力场强
度因子KI初，记录各种KI初作用下的断裂时间tf，以
（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。
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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。
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2、应力腐蚀断口特征
1）应力腐蚀断裂断口宏观特征
（1）即使是塑韧性非常好的材料，其应力腐蚀断裂的宏观形 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。
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在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I表
示为：
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I R(Vc Va)
R－微电池中的电阻；Vc,Va-电池两极的电位。
➢ 如果在介质中的极化过程相当强烈，则Vc-Va变 得很小，腐蚀过程就大受抑制；
➢ 如果介质中去极化过程很强，Vc-Va很大，腐蚀 电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面 不能形成钝化膜。