应力作用下的局部腐蚀

5.5 应力作用下的局部腐 蚀
• 5.5.1 应力腐蚀断裂
• 5.5.2 金属的氢脆和氢损伤
• 5.5.3 腐蚀疲劳
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5.5.1 应力腐蚀断裂 Stress Corrosion Cracking
应力与化学介质协同作用下引起的金属开裂（或 断裂）的现象，叫做金属应力腐蚀开裂。
应力腐蚀断裂，简称SCC，是指金属材料在固定 拉应力和某种特定腐蚀介质中发生的脆性断裂。
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316L不锈钢应力腐蚀断口
氢致解理断口
穿晶脆性断裂组织图
精品课件 沿晶脆性断裂组织图 12
7、应力腐蚀断裂裂纹一般为树枝状结构，裂纹走向垂 直于应力方向。
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应力腐蚀断裂的机理
目前关于应力腐蚀断裂机理已达十几种，帕金斯于 1964年提出“应力腐蚀谱”的观点，把各种SCC类型及 其机理排列起来构成一个连续的谱，如下表所示。
脆断。这种应力
腐蚀称为氢脆型
SCC（HE-SCC）。
也称氢的滞后开
裂。
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影响应力腐蚀断裂的因素
1、应力
应力来源：
（1）工作应力：设备和部件在工作条件下所承受的外加载 荷；
（2）残余应力：金属材料在生产过程和加工过程中，在材 料
内部产生的应力。如冷轧、冷拔、冷弯、冷作、机械加
工、焊接、热处理过程中产生的残余应力；
所谓固定拉应力是指方向一定，大小可变的拉 伸应力。应力腐蚀断裂危害极大，人们称为“灾难 性腐蚀”。
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不同情况引起的应力腐蚀断裂
1、由于弯曲残余应力引起的 该裂纹多为纵向形式
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2、从点蚀底部产生的应力腐蚀裂纹
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3、由腐蚀产物体积膨胀应力引起的应力腐蚀裂纹
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5、应力腐蚀断裂是一种典型的滞后破坏，这种滞后破坏过程 可分三个阶段：第一阶段为裂纹孕育期，这个阶段占断裂总时间 的90%；第二阶段为裂纹扩展期；第三阶段为快速断裂期。整个断 裂时间与材料、应力和环境有关，短的几分钟，长的达几年。腐 蚀速率介于均匀腐蚀速率和单纯断裂速度之间。
6、应力腐蚀裂纹形态有三种：晶间型、穿晶型和混合型。 晶 间型是指裂纹沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金等。
在成膜溶液中的沿晶界断裂机理：在铜合金表面存在 Cu2O膜，韧性差；在应力作用下发生脆性破裂。
在不成膜溶液中（ pH=78~112 时，铜合金处于活性
溶解），在应力的作用引起露头的位错优先溶解，因而裂
纹沿着位错密度最高的途径扩精品展课件。
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（2）滑移-溶解-断裂机理 ——奥氏体不锈钢
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根据应力腐蚀断裂的现代观念比较集中的有三种理论， 即阳极溶解机理（阳极溶解起控制作用）、氢脆机理（阴极过 程放出氢原子进入基体，导致材料脆断）、阳极溶解和氢脆共 同作用的机理。
1、阳极溶解机理：应力腐蚀断裂主要是指金属材料在 静拉应力与腐蚀介质共同作用下，由于裂纹尖端区阳极溶解过 程控制引起脆断（APC-SCC）。属于这类机理的有低碳钢、铝 合金和铜合金的SCC。
（3）热应力：由于温度变化而引起的残余应力；
（4）结构应力：由于设备、部件的安装与装配而引起的应 力。
外加应力愈大，材料断裂精时品间课件愈短。如图所示。
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应力作用：（1）破坏钝化膜
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应力作用：（2）加速Cl-和OH-的吸附溶解
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24度的影响：氧浓度、氯化物浓 度影响如图所示。
该理论至少包括四个过程：表面膜的形成、应力作用下 金属产生滑移引起表面膜的破裂、裸露金属的阳极溶解、 裸露金属再钝化。
在应力作用下，位错沿着滑移面运动，在表面产 生滑移台阶，表面膜产生局部破裂，露出活泼的“新鲜” 金属。有膜和无膜金属及缺陷处形成钝化-活化微电池。
伴随阳极溶解产生阳极极化，使阳极周围钝化，
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（2）温度：
一般来说，温度升 高，SCC容易发生，但 温度过高，由于产生 全面腐蚀，而抑制了 应力腐蚀。
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（3）溶液中pH值的影响：对不锈钢而言，pH值增加减缓了 应力腐蚀。
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（4）界面电位电位状况的影响：大量实验研究证明，SCC只有 在一定的电位范围内才能发生。现发现合金的阳极极化曲线有 三个易产生SCC的区域。这些区域都是过渡区。如图所示。
在蚀坑即裂纹尖端周边重新生成钝化膜，随后在拉应力继
续作用下，蚀坑底部即裂纹尖端处造成应力集中，而使钝
化膜再次破裂，造成新的活性阳极区，如此反复，造成纵
深穿晶的裂纹。
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2、氢脆机理
认为：金属
材料在拉应力
和腐蚀介质共同
作用下，由于阴
极还原反应产生
的氢原子扩散到
裂纹尖端的金属
内部引起并控制
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（1）黄铜的SCC机理
溶液中的铜氨络离子Cu(NH3)n2+的存在是黄铜氨脆所 必需条件，它是由于溶解在溶液中的氨气、氧气与铜反应 生成的。
Cu + nNH3 + 1/2 O2 + H2O Cu(NH3)n2+ + 2OH-
黄铜在成膜溶液中（含Cu2+和NH4+离子溶液，pH=64~73 中生成一层Cu2O膜） 主要是晶间断裂。
有004%磷或001%锑时，则发生开裂。
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3、特定的金属和合金只有在特定的腐蚀环境中才产 生SCC。如表7-1所示这种特定的腐蚀介质在含量较少时也 会造成应力腐蚀。
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4、一般情况下，只有拉应力（张应力）才能引起应力腐蚀断 裂。拉应力愈大，断裂时间愈短。断裂所需应力，一般都低于材 料的屈服强度。压应力不发生应力腐蚀，应力腐蚀裂纹走向宏观 上与拉应力方向垂直。
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4、外在应力的存在导致应力开裂
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应力腐蚀断裂的特征
1、产生应力腐蚀断裂必须同时具备三个基本条件， 即敏感的金属材料，足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介 质。
材料因素 力学因素
SCC
环境因素
2、发生应力腐蚀断裂的主要是合金，几乎所有金属
的合金在特定的环境中都有一定的应力腐蚀敏感性。例
如，纯度达9999%的铜在含氨介质中不会腐蚀断裂，但含
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3、合金成分的影响
在不锈钢中加入Si、Co 有利于提高抗SCC性能。但含 有周期表第V类元素N、P、As、 Sb、Bi有有害的。Mo >4%能 提高抗SCC性能。