材料力学性能第六章-金属的应力腐蚀和氢脆
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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.
安徽工业大学材料力学性能复习题
第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能—1、名词解释强度、塑性、韧性、包申格效应2、说明下列力学性能指标的意义E、σ0.2、σs、n、δ、ψ3、今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪些材料作机床床身？为什么？4、试述并画出退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸-伸长曲线图上的区别。
*5、试述韧性断裂和脆性断裂的区别？（P21-22）6、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？7、何谓拉伸断口三要素？8、试述弥散强化与沉淀强化的异同？9、格雷菲斯判据是断裂的充分条件、必要条件还是充分必要条件？*10、试述构件的刚度与材料的刚度的异同。
(P4)第二章金属在其它静载荷下的力学性能—1、名词解释缺口效应、缺口敏感度、应力状态软性系数2、说明下列力学性能指标及表达的意义σbc、NSR、600HBW1/30/203、缺口试样拉伸时应力分布有何特点？4、根据扭转试样的宏观断口特征，可以了解金属材料的最终断裂方式，比如切断、正断和木纹状断口。
试画出这三种断口特征的宏观特征。
第三章金属在冲击载荷下的力学性能—1、名词解释低温脆性、韧脆转变温度2、说明下列力学性能指标的意义A K、FATT503、现需检验以下材料的冲击韧性，问哪种材料要开缺口？哪些材料不要开缺口？为什么？W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V、40CrNiMo、30CrMnSi、20CrMnTi、铸铁第四章金属的断裂韧度—1、名词解释应力场强度因子K I、小范围屈服2、说明断裂韧度指标K IC和K C的意义及其相互关系。
3、试述K I与K IC的相同点和不同点。
4、试述K IC和A KV的异同及其相互关系。
*5、合金钢调质后的性能σ0.2＝1400MPa, K IC=110MPa▪m1/2，设此种材料厚板中存在垂直于外界应力的裂纹，所受应力σ＝900MPa，问此时的临界裂纹长度是多少？*6、有一大型薄板构件，承受工作应力为400MN/m2，板的中心有一长为3mm的裂纹，裂纹面垂直于工作应力，钢材的σs＝500 MN/m2，试确定：裂纹尖端的应力场强度因子K I及裂纹尖端的塑性区尺寸R 。
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。
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
中国石油大学 China University of Petroleum
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，
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
精选版课件ppt
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。
精选版课件ppt
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。
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。
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。
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。
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。
第工程材料力学性能六章
46白显点 微发 穿裂 孔 5度流热出2变v0当加;1特0通 便 在钢0工性℃气常聚铁时退;态发 集或钢溶化氢生 在镍中入压于缺基出的特大陷合现过别型处金特量高钢形含别氢;锻成有小如在件氢内的2钢0中分氢发0冷0子或纹大却一处以气时般氢于致压未认体氢气以为能积环体上冶急扩境透时炼剧散出;或膨逸温 中;胀其上;流内述变压各强力种度很氢下大损降将伤;特金中别属;常表局见现部且在撕研蠕裂究变;较形温多成度是裂下白纹的点微; 蠕氢变裂应速纹力率断开增面裂大为;氢圆腐形蚀椭和圆氢形鼓呈泡银白色;故称为白点
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
常用金属材料引起应力腐蚀的敏感介质
二 应力腐蚀断裂机理
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
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膜; 在极拉溶应解力;作于用是下在裂金纹属尖表端面地形区成产蚀生坑局拉部应塑力性在变蚀 形坑;滑或移原台有阶裂在纹表的面尖露端头形时成钝应化力膜集破中裂;使;显阳露极出电位 新降表低面;加这速个阳新极表金面属在的电溶解解质溶如液果中裂成纹为尖阳端极的;应 具力钝有集化钝中膜化始 不膜终 能的存 恢金在 复属;;表那裂面么纹为微将阴电逐极池步;反向从应纵而便深形不 扩成断 展腐进蚀行微; 电池
2氢环境脆化是指钢 镍基合金 钛合金等在氢压0 01102MPa环境中;慢速应变时出现的脆化 发生温度 范围为100700℃;无孕育期
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
第06章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
12
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。
13
第六章
金属的应力腐蚀和氢脆断裂
§6.1 应力腐蚀 §6.2 氢脆
1
§6.1 应力腐蚀
一、应力腐蚀及其产生条件
1、定义与特点 （1）定义 金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经 过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。 （2）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。
4
2、断口特征 宏观：有亚稳扩展 区，最后瞬断区（与疲 劳裂纹相似）；断口呈 黑色或灰色。 微观：显微裂纹呈枯 树枝状；腐蚀坑；沿晶 断裂和穿晶断裂。
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三、力学性能指标
用常规方法测定的 σSCC～tf曲 线，得到的σSCC不能客观地反映 材料的应力腐蚀抗力。
1、临界应力场强度因子
KISCC
恒定载荷，特定介质，测KI~tf 曲线。 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。
2
2、产生条件 应力：外应力、残余应力； 化学介质：一定材料对应一定的化学介质（表） 金属材料：化力腐蚀
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）
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（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
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%。
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。
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。
关
da f K 1 dt
lg(da/dt)- K1 曲线
Ⅰ段，KI>KIscc，平行纵
Hale Waihona Puke 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
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。
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
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
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。
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、氢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。
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。
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。