金属材料中的应力腐蚀研究

氢致开裂机理示意图
第三章 断裂的研究方法与测试表征
一、研究方法
•慢应变速率拉伸法：以相当缓慢的应变速率给处于腐蚀介质中的试样 施加载荷，以考察材料应力腐蚀敏感性大小。因此，应变速率是试验 过程中的一个关键参数。对于大多数材料－环境体系，最为敏感的应 变速率为10-6s-1~10-7s-1； •恒载荷加载法：试验过程中试样加载载荷保持不变的一种评价方法。 将试样的一端固定，另一端加上恒定的拉伸静载荷，然后将试样浸泡 在腐蚀介质中，记录SCC发生的时间。恒载荷法特别适用于初始应力明 确，试验过程中应力保持恒定的情况；
二、测试表征
应力腐蚀是材料，环境介质和应力交互作用的结果，因此研究SCC 的常用方法有物理方法、电化学方法、力学方法。 1、物理方法 透射电子显微镜(TEM) 扫描电子显微镜(SEM) 电子探针 离子探针 俄歇电子能谱仪
物理方法
第三章 断裂的研究方法与测试表征
2、电化学方法
(1) 测定零电流电位与时间的关系。 可以得到有关裂纹发生、发展的许多信 息。 (2) 用恒电位法测定不同电位下电流 与时间的关系，观察裂纹发展速率，确 定SCC临界电位和敏感电位区间，并辅 以断口的显微观察分析。
电化学方法
(3) 对裂纹尖端闭塞区的化学和电化 学状态、腐蚀热力学及动力学问题进行 研究。
第三章 断裂的研究方法与测试表征
3、力学方法
悬臂梁试样应力腐蚀测试
原理：悬臂梁试样应力腐蚀试验分为恒载荷试验和恒位移试验，前者通过 外部加载装置加载，后者采用螺栓完成自身加载。其中恒载荷试样的优点是能 够准确地定量表示应力参数。恒载荷试验可以用多个恒载荷试样测出氢致滞后 开裂或断裂的门槛应力强度因子。 悬臂梁试样应力腐蚀测试装置 主要由三个部分组成：加力装置、 固定装置和腐蚀装置；加力装置由 悬臂梁、加载砝码及砝码杆组成； 固定装置由刚体框架组成。
远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯力学因素引起的
断裂速度。
第二章 断裂物理基础与微观机理
• 形貌特征：取决于合金成分、强度级别、环境体系以及应力 强度因子的大小，断口形貌多呈海滩条纹、羽毛状、撕裂、 扇形和冰糖块状。
第二章 断裂物理基础与微观机理
三、微观机理
1、阳极溶解机理
阳极溶解机理示意图
表 Fe(222)晶面2θ测量值 （MPa）
Sin2θ 2θ
0.126 138.4
0.341 138.48
0.598 138.62
0.757 138.99
第四章 断裂的理论应用与实际案例
六、结果分析
SUS304管材化学成分及机械性能均符合有关标准，管壁未减薄，金相组织也 未发现异常。一次失效事故中所有的爆口和裂纹既不存在于管子的直段也不在管子 变形量不大的小弯头附近，表明该材料在同一环境下失效与小弯头附近材料的状况 有某种关系。爆口附近及管子内外壁小裂纹的形貌均为沿晶裂纹，裂纹中充满灰色
第二章 断裂物理基础与微观机理
2、氢致开裂机理
氢致开裂型SCC理论认为，阳极金属溶解所对应的阴极过程是析氢反应， 由于裂纹中酸度提高，电位降低，有利于氢离子还原的阴极过程，析出的氢部 分被金属吸收并向内部扩散，而且氢原子能扩散进入金属材料并控制裂纹的形
核和扩展，这一类应力腐蚀就称为氢致开裂型应力腐蚀。
项目
SiO2
P2O5
Cr2O3
MnO
FeO
NiO
ZnO
PbO
断口
1.11
1.46
14.21
1.33
75.74
6.08
0.26
0.11
表面
1.71
1.91
2.82
1.09
90.64
1.71
0.09
0.03
第四章 断裂的理论应用与实际案例
五、内应力分析
在小弯头区域取样用衍射仪2θ法进行测量，其结果见表4.Fe（222）晶面应力常数 为586，计算求得σ=164MPa（压应力），试验还表明试样存在明显的应力梯度。
2017，32(05):5-12.
[15]潘保武. 低合金高强度钢应力腐蚀研究[D]. 中北大学，2008. [16]马如璋，徐祖雄. 材料物理现代研究方法[M]. 北京：冶金工业出版社，1997. [17]郭献忠，褚武扬，高克玮，等. 不同pH值下黄铜应力腐蚀敏感性与腐蚀引起拉应力的对应性 [J]. 金属学报，2002，(9):925-931. [18]卢志明，童水光，方德明，等．16MnR钢在含H2S介质中的慢拉伸应力腐蚀试验研究[J]. 化 工机械，2001，28(3):138-140． [19]Stress corrosion cracking at low loads: Surface slip and crystallographic analysis[J]. Corrosion Science, 2015, 100:619-626.
第一章 断裂力学基础
三、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
对确定的材料来讲，应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt是应力强度因子KI的函数，其关系曲线如 下图所示。一般分三段： •第Ⅰ段：在KI刚超过KISCC，是一段孕育期，裂纹突然加速发展； •第Ⅱ段：水平阶段，da/dt和KI关系不大，这一阶段主要是由电化学过程超控制作用； •第Ⅲ段：最后加速阶段，裂纹长度已接近临界尺寸，随着KI增大，da/dt迅速增大，直到最 后断裂。
[C].中国核学会，2013:5.
[5]吕宏，郭献忠，高克玮，等．α-Ti在甲醇中应力腐蚀及膜致应力的研究[J].自然科学进展， 2000，10(8)：59-63. [6]赵鹏，苏艳. 高强铝合金应力腐蚀开裂研究进展[J]. 装备环境工程，2016，13(1). [7]褚武扬，高克玮. 环境断裂微观机理研究[J]. 科学通报，1997(23):2483-2486. [8]刘万雷，常新龙，张有宏，等. 铝合金应力腐蚀机理及研究方法[J]. 腐蚀科学与防护技术， 2013(1):71-73. [9]刘春江，姜涛，刘新灵，等. 应力腐蚀机理和基于FEM的应力腐蚀裂纹扩展模拟技术的研究 进展[J]. 失效分析与预防，2016，11(2):111-116.
爆口宏观形貌
Байду номын сангаас
第四章 断裂的理论应用与实际案例
三、金相分析
在爆口附近制备金相试样，晶粒度3~6级，单相奥氏体，沿晶裂纹，裂纹中充 满灰色的腐蚀物。
图 爆口区域金相照片 50×
图 爆口区域金相照片200×
第四章 断裂的理论应用与实际案例
四、电子探针检验
断口及管子外表面氧化物成分见表3，能谱分析发现管子微裂纹处存在Cl、S元 素。
第五章 参考文献
[20]Youshi Hong,Zhengqiang Lei, Chengqi Sun, Aiguo Zhao. Propensities of crack interior initiation and early growth for very-high-cycle fatigue of high strength steels[J]. International Journal of Fatigue, 2014, 58. [21]Pugh E N. Progress toward understanding the stress corrosion problem[J]. Corrosion, 1985, 41: 517-531. [22]Lu, Rihuan, Gao,et al. Crushing analysis and crashworthiness optimization of tailor rolled tubes
第四章 断裂的理论应用与实际案例
一、背景介绍
某发电厂发生的一起煤气炉爆破事故。该厂一号机组的锅炉，是国内某锅炉厂D1025/18.2-3型再热自
然循环煤气炉。
材质：外圈第1、2根和最内圈作夹持管材料为SUS304HTB，其余管均为12Cr1MoV； 结构：4屏过热器，布置在炉膛上部，横向节距2743.2mm，纵向节距61mm，管径51mm×7mm，每大 屏由8小屏组成，每小屏有6根管子，绕成U形；
的腐蚀物，爆口及裂纹方向与弯头加工变形方向垂直。尽管经过爆管和试样割取释
放了大部分的内应力，衍射测量中仍可发现试样中存在明显的应力和应力梯度，可 以确定失效的原因是由于应力腐蚀所致。
第五章 参考文献
[1]孙擎擎，陈启元，陈康华. 不同热处理7150铝合金的点蚀电位与应力腐蚀敏感性[J]. 中国有色 金属学报，2016，26(07):1400-1407. [2]杨宗发. 断裂力学第五讲应力腐蚀断裂[J]. 建筑机械化，1982(03):45-48+44. [3]黄诚，王非凡，鄢东洋，等. 铝合金异质接头力学性能弱化及断裂机制[J].宇航材料工艺， 2018，48(02):56-60. [4]闫萌. WOL应力腐蚀试验方法及断口分析[A]. 中国核动力研究设计院科学技术年报（2011）
阳极溶解SCC机理就是金属表面氧化膜由于某种原因遭到破坏，露出 的新鲜金属成为微电池的阳极，未遭破坏的氧化膜成为阴极。由于阳极面 积小，阴极面积大，所以阳极腐蚀电流很大，阳极区会被腐蚀成沟形裂纹， 加上应力的作用，裂纹扩展，同时裂纹尖端产生应力集中，使其附近产生 塑性变形，加速阳极溶解，裂纹继续扩展直至断裂。
金属材料的应力腐蚀开裂研究
汇报人：封帆 小组成员：杨宝磊 刘鑫 周蒙 张晓峰 韩昆
目录
第一章 第二章 断裂力学基础 断裂物理基础与微观机理
第三章
第四章 第五章
环境断裂的研究方法与测试表征
环境断裂的理论应用与实际案例 参考文献
第一章 断裂力学基础
一、裂纹分类
• I 型裂纹-张开型裂纹，受拉力作用，裂纹面张开； • II 型裂纹-滑开型裂纹，受面内剪力作用（刃型位错） ； • III 型裂纹-撕开型裂纹，受面外剪力作用（螺旋位错）；
第五章 参考文献
[10]乔利杰，王燕斌，褚武扬. 应力腐蚀机理[M]. 科学出版社，1993. [11]褚武扬，谷飚. 应力腐蚀机理研究的新进展[J]. 腐蚀科学与防护技术，1995(2):97-101. [12]王博. 硝酸盐复杂环境中X70钢的应力腐蚀试验研究[D]. 杭州：浙江工业大学，2009. [13]王建军，杨秀娟，闫相祯. 含裂纹注气管道的硫化氢应力腐蚀试验研究[J]. 理化检验（物理 分册），2006(07):325-327+334. [14]陈沛，查小琴，高灵清，等. 气瓶表面裂纹扩展规律与寿命估算的研究[J]. 材料开发与应用，
工作环境：过热蒸汽量1025t/h，出口压力17.4MPa，出口温度540℃。全大屏工质进口温度为406℃，
工质出口温度462℃，工作压力18.6MPa； 损坏情况：最内圈夹持管爆管；
第四章 断裂的理论应用与实际案例
二、宏观检测
爆口均发生在小角度17°30′弯头附近，裂口均为横向，在一次爆口的6根管子 中，有些管由外向内裂，有些则由内向外裂，管径未涨粗，断口较平整，裂口内壁 附近存在平行的未穿透的横向裂纹，管外壁附有黑色的氧化层，管外壁局部有弯管 留下的压痕，这些区域的背面有较浅的横向裂痕萌生。
I
Ⅱ
Ⅲ
第一章 断裂力学基础
二、应力腐蚀开裂界限应力强度因子KISCC
定义：在平面应变条件下导致应力腐蚀裂纹萌生的临界应力强度因子值。 当外加应力σ=σc从而裂纹尖端应力强度因子KI=KIC时，试样才会发生快速断 裂，如外加应力σI＜σC，初始应力强度因子KI＜KIC，试样不会立即断裂。应力强 度因子越小，断裂所经历的时间越长，当KI小于某一数值时，断裂前的寿命成为 无限大，不会发生应力腐蚀断裂。这个值称为应力腐蚀开裂界限应力强度因子， 用KISCC表示。
第三章 断裂的研究方法与测试表征
• 恒位移法：又称恒总应变法，首先通过拉伸或弯曲使试样产生变形， 然后借助具有足够刚性的框架或螺栓以维持这种变形，即在整个试 验过程中试样变形的总位移量是恒定的。这种加载方式往往用于模 拟工程构件中的加工制造应力状态，属于应力腐蚀最常用的一种评 价手段。
第三章 断裂的研究方法与测试表征
第二章 断裂物理基础与微观机理
一、应力腐蚀产生的条件
• 条件：特定的材料、特定的环境介质以及足够大的拉应力。 三者并不是简单的叠加而是有相互促进作用。
第二章 断裂物理基础与微观机理
二、特征
•应力：必须有应力，特别是拉应力的作用，远低于材料的屈 服强度，应力腐蚀造成的破坏是脆性断裂； •介质：对一定成分的合金，只有在特定介质中才发生应力腐 蚀断裂； •速度：应力腐蚀断裂速度约为10-8~10-6 m/s数量级的范围内，