材料力学性能第六章-金属的应力腐蚀和氢脆

第一节 应力腐蚀
第一次世界大战期间， 用H70经过深冲成形的黄铜 弹壳，在战场上出现了大量 破裂现象。经研究表明，经 冲压加工后，黄铜弹壳内存 在残余内应力,在战场含氨 气或二氧化硫等环境介质中, 产生应力腐蚀破裂或季节裂 纹（季裂）。这个问题可通 过在240～260℃退火,消除 残余应力来解决。
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。
④扩展判据 裂纹前端的应力场强度因子KI大于材
料的KISCC
K1 K Iscc
K Iscc 2 a aτ ( ) Yσ
六、应力腐蚀裂纹扩展速率
先决条件：当裂纹前端的KI> KISCC时应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt，和KI有
大，全面腐蚀
结论：应力腐蚀只有金属在介质中略具钝化膜时
才能发生。
四、断口形貌
应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途
径常垂直于拉力轴。
应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化
的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。
应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物
（泥状花样），或腐蚀坑。而疲劳断口的表面，如果是 新鲜断口常常较光滑，有光泽。
钢丝应力腐蚀与通常拉应力断裂比较
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%。
关
da f K 1 dt
lg(da/dt)- K1 曲线
Ⅰ段，KI>KIscc，平行纵
坐标轴
Ⅱ段★ ★，裂尖钝，主
要受电化学过程控制
Ⅲ段，da/dt 随KI而
↑
。达K1c，失稳扩展断裂
★
(Ⅱ)时间越长，材 料抗SCC性能越好
★
七、测定金属材料的KISCC
三、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）
钝化膜
拉应力 形成蚀坑 裂纹将逐步向纵深发展
钝化膜破裂 应力集中 断裂
应力腐蚀速度
1 应力腐蚀电流： I＝ Vc－Va R
极化过程强烈时：（Vc－Va）将变小，腐蚀受抑制 →钝化膜
去极化过程强烈： （Vc－Va）将变大，腐蚀电流
（2）产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，也就
是说，每种材料只对某些介质敏感，而这种介质 对其它材料可能没有明显作用，例如，黄铜在氨 气氛中、不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中容易 发生应力腐蚀，但反应过来不锈钢对氨气、黄铜 对氯离子就不敏感。
金属材料
化学介质
金属材 料
化学介质
NaOH溶液、沸腾硝酸盐 氯化物溶液，海水及海 低碳钢、低合 溶液，海水，H2S水溶液，铝合金 洋性大气，潮湿性工业 金钢 海洋性和工业性气氛 气氛 酸性和中性氯化物溶液， 氨蒸汽、含氨气氛，含 海水及海洋大气，热 奥氏体不锈钢 铜合金 氨离子的水溶液、水蒸 NaCl、H2S水溶液，严重 汽，湿H2S，氨溶液 污染的工业大气等 发烟硝酸，300℃以上 钛合金 的氯化物，潮湿性空气 及海水
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。
一、应力腐蚀
金属在应力和特定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 Crack，缩写为SCC)。
发生应力腐蚀的温度一般在50～300℃之间。
危害：缓和的介质＋较小的应力 1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微 腐蚀； 2.导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力。
应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是沿晶断
裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂 纹有似人字形或羽毛状的标记。
枯枝状
泥状花样
奥氏体不锈钢应力腐 蚀断口
1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM) a) 解理断口 b) 扇形状或羽毛状的痕迹
1Cr18Ni9Ti：固溶处理 氯离子环境下应力腐蚀断口。用10%HCl水溶液浸蚀后，用扫描电镜观察断口。 断口上有许多正方形腐蚀坑，图中间区域三角形晶面上有三角形腐蚀坑。 图中的两种形状蚀坑说明开裂主要沿｛100｝晶面和｛111｝晶面。
镍基合金
热浓NaOH溶液，HF溶 液和蒸汽
（3）一般认为，纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应
力腐蚀都有不同程度的敏感性，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，都有对应力腐蚀敏感的合金成 分。例如，铝镁合金中当镁的质量分数大于4％，对应力腐 蚀很敏感；而镁的质量分数小于4％时，则无论热处理条件 如何，它几乎都具有抗应力腐蚀的能力。
全髋关节植入物应力腐蚀
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。
第六章金属的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，如果与周围环境中各种化学介质或氢相 接触，便会产生特殊的断裂现象，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 的危险性。
本单元主要介绍应力腐蚀、Hale Waihona Puke Baidu脆和腐蚀疲劳产生的原因、 断裂特征和影响因素等，介绍金属材料抵抗应力腐蚀、氢脆 和疲劳腐蚀断裂的力学性能指标及防止其断裂的措施。
五、应力腐蚀抗力指标
①光滑试样 应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂
②预制裂纹，断裂力学K1 应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂
Ti-3Al-1Mo-1V在3.5%NaCl溶液中
③KISCC应力腐蚀临界应力场强度因子
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，KISCC