应力腐蚀与腐蚀疲劳PPT幻灯片课件
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7 应力腐蚀与腐蚀疲劳
现代设计与分析研究所 何雪浤
1
7 应力腐蚀与腐蚀疲劳
机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而失 效的现象叫做应力腐蚀破坏；
受腐蚀介质和交Βιβλιοθήκη Baidu应力联合作用的失效则叫 做腐蚀疲劳破坏；
在应力腐蚀过程中，通常会同时产生金属吸 氢而引起的脆性破坏，即所谓氢脆现象。
2
7 应力腐蚀与腐蚀疲劳
7.1 应力腐蚀 7.2 氢脆 7.3 腐蚀疲劳
3
7.1 应力腐蚀
7.1.1 应力腐蚀裂纹扩展的特征 7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法 7.1.3 应力腐蚀的机理 7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
4
7.1.1 应力腐蚀裂纹扩展的特征
在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中产生的 应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征：
1．防止措施
（1）合理选择材料：针对零件所受的应力和使用条件 选用耐应力腐蚀的金属材料。
– 铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的零件应避免 使用铜合金；
– 在高浓度氯化物介质中，一般可选用不含镍、铜或仅含微量 镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢， 也可选用镍基和铁—镍基耐蚀合金。
17
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
1．防止措施 （2）减少或消除零件中的残余拉应力 。
– 设计上应尽量减小零件上的应力集中； – 工艺上加热和冷却要均匀，必要时采用退火工艺以
消除应力； – 如能采用喷丸或其他表面热处理方法，使零件表层
产生一定的残余压应力对防止应力腐蚀是有效的。
18
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
9
一种钛合金在3.5%盐水中的破坏时间与 初始应力强度因子的关系
最大应力强度因子
门槛应力强度因子
10
滞后断裂的示意图
亚临界裂纹扩展速率da/dt表征了材料的 另一种应力腐蚀抗力。
孕育期：裂纹产生前的一段时间，主要 是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。
11
给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩 展速率曲线
（1）拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。 （2）纯金属一般不发生应力腐蚀。 （3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应力腐蚀现
象。 （4）应力腐蚀是一种延迟断裂。 （5）破坏一般是脆性的。
5
产生应力腐蚀的敏感系统
6
7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法
持久加载试验：在一定介质中和不同应力下测定材 料的滞后破坏时间来评定材料的抗应力腐蚀能力。
1．防止措施 （4）采用电化学保护。
– 采用外加电位的方法，使金属在介质中的电位远离 应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种 措施，一般采用阴极保护法。
– 不过，对高强度钢和其他氢脆敏感的材料不能采用 这种保护法。
20
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
2．构件的安全设计 长期在介质中工作的零件存在裂纹时，可用断裂力
• KImax与KIC • Kith ：当KIi < Kith,可以认为不存在裂纹扩展。给定滞后时间的条件
门槛值。
在KIth和KImax之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕 育期tinc和亚临界裂纹扩展期二者组成。
用da/dt和KI给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个 区域组成。
8
7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法
在I区和Ⅲ区，扩展速率da/dt与应 力强度因子有很强的关系，但在Ⅱ 区，实际上几乎没有关系（但仍受 温度、压力和环境的影响）。
12
恒载试验方法
KI
4.12M BW3 2
1
3
3
1
2
13
恒位移试验方法
14
7.1.3 应力腐蚀的机理
1．钝化膜理论
在应力腐蚀破坏时，首先表现为钝化膜的破坏 。
学方法进行安全分析。 以给定材料的表面裂纹体为例，可由查阅资料得到
的应力强度因子KI表达式，分别令KI=KIscc和KI=KIc 给出两种临界状态的σ－a图。
当零件所承受的名义应力为σ时，可在图中作相应水 平虚线，分别得到在介质中应力腐蚀开裂和在空气中 应力腐蚀开裂的临界裂纹尺寸。
1. 采用光滑试样
（1）数据分散； （2）对某些材料可能会给出错误的判断 ； （3）名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于工程
应用。
7
7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法
2. 采用预制裂纹的试样
在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏时间tf随KIi 的下降而大大增长。
– 最大应力强度因子KImax和门槛应力强度因子KIth（KIscc ）
1．防止措施 （3）改善介质条件 。
– 减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净 化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体 不锈钢的氯脆十分有效；
– 可以在腐蚀介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入300×10-6 的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。
19
7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
– 破坏部分成为阳极；
– 裂纹尖端应力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。
在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹尖端处容易产生局部塑 性变形而形成滑移台阶所致。
2．闭塞电池理论
（1）在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔 或裂纹源。
（2）微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩 散，形成所谓“闭塞区”。
3. 两类不同的测试方法
（1）恒载试验
– 这是一种KI不断增大的试验方法，常用悬臂梁式弯 曲试验装置，采用类似三点弯曲试样。试样一端固 定，另一端与一力臂相连，并由砝码加载。
（2）恒位移试验
– 这是一种KI不断减小的试验方法，常用一种特殊结 构的紧凑拉伸试样，并通过螺栓自身加载。试验开 始时，用螺栓产生一初始的裂纹张开位移。当裂纹 扩展而位移保持恒定时，负荷将自动下降，从而也 使K值降低，当K值下降到KIth（KIscc）以下时，裂 纹就会基本上停止扩展。
（3）在闭塞区，氧迅速耗尽，得不到补充，最后只能进行阳极反应。
（4）缝内金属离子水解产生H＋离子，使pH值下降，为了维持电中性，
缝外的Cl-阴离子可移至缝内，形成腐蚀性极强的盐酸，使缝内腐蚀以
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自催化方式加速进行。
裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型
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7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
现代设计与分析研究所 何雪浤
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7 应力腐蚀与腐蚀疲劳
机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而失 效的现象叫做应力腐蚀破坏；
受腐蚀介质和交Βιβλιοθήκη Baidu应力联合作用的失效则叫 做腐蚀疲劳破坏；
在应力腐蚀过程中，通常会同时产生金属吸 氢而引起的脆性破坏，即所谓氢脆现象。
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7 应力腐蚀与腐蚀疲劳
7.1 应力腐蚀 7.2 氢脆 7.3 腐蚀疲劳
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7.1 应力腐蚀
7.1.1 应力腐蚀裂纹扩展的特征 7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法 7.1.3 应力腐蚀的机理 7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
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7.1.1 应力腐蚀裂纹扩展的特征
在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中产生的 应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征：
1．防止措施
（1）合理选择材料：针对零件所受的应力和使用条件 选用耐应力腐蚀的金属材料。
– 铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的零件应避免 使用铜合金；
– 在高浓度氯化物介质中，一般可选用不含镍、铜或仅含微量 镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢， 也可选用镍基和铁—镍基耐蚀合金。
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7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
1．防止措施 （2）减少或消除零件中的残余拉应力 。
– 设计上应尽量减小零件上的应力集中； – 工艺上加热和冷却要均匀，必要时采用退火工艺以
消除应力； – 如能采用喷丸或其他表面热处理方法，使零件表层
产生一定的残余压应力对防止应力腐蚀是有效的。
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7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
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一种钛合金在3.5%盐水中的破坏时间与 初始应力强度因子的关系
最大应力强度因子
门槛应力强度因子
10
滞后断裂的示意图
亚临界裂纹扩展速率da/dt表征了材料的 另一种应力腐蚀抗力。
孕育期：裂纹产生前的一段时间，主要 是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。
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给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩 展速率曲线
（1）拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。 （2）纯金属一般不发生应力腐蚀。 （3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应力腐蚀现
象。 （4）应力腐蚀是一种延迟断裂。 （5）破坏一般是脆性的。
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产生应力腐蚀的敏感系统
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7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法
持久加载试验：在一定介质中和不同应力下测定材 料的滞后破坏时间来评定材料的抗应力腐蚀能力。
1．防止措施 （4）采用电化学保护。
– 采用外加电位的方法，使金属在介质中的电位远离 应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种 措施，一般采用阴极保护法。
– 不过，对高强度钢和其他氢脆敏感的材料不能采用 这种保护法。
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7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
2．构件的安全设计 长期在介质中工作的零件存在裂纹时，可用断裂力
• KImax与KIC • Kith ：当KIi < Kith,可以认为不存在裂纹扩展。给定滞后时间的条件
门槛值。
在KIth和KImax之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕 育期tinc和亚临界裂纹扩展期二者组成。
用da/dt和KI给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个 区域组成。
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7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法
在I区和Ⅲ区，扩展速率da/dt与应 力强度因子有很强的关系，但在Ⅱ 区，实际上几乎没有关系（但仍受 温度、压力和环境的影响）。
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恒载试验方法
KI
4.12M BW3 2
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恒位移试验方法
14
7.1.3 应力腐蚀的机理
1．钝化膜理论
在应力腐蚀破坏时，首先表现为钝化膜的破坏 。
学方法进行安全分析。 以给定材料的表面裂纹体为例，可由查阅资料得到
的应力强度因子KI表达式，分别令KI=KIscc和KI=KIc 给出两种临界状态的σ－a图。
当零件所承受的名义应力为σ时，可在图中作相应水 平虚线，分别得到在介质中应力腐蚀开裂和在空气中 应力腐蚀开裂的临界裂纹尺寸。
1. 采用光滑试样
（1）数据分散； （2）对某些材料可能会给出错误的判断 ； （3）名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于工程
应用。
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7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法
2. 采用预制裂纹的试样
在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏时间tf随KIi 的下降而大大增长。
– 最大应力强度因子KImax和门槛应力强度因子KIth（KIscc ）
1．防止措施 （3）改善介质条件 。
– 减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净 化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体 不锈钢的氯脆十分有效；
– 可以在腐蚀介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入300×10-6 的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。
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7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计
– 破坏部分成为阳极；
– 裂纹尖端应力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。
在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹尖端处容易产生局部塑 性变形而形成滑移台阶所致。
2．闭塞电池理论
（1）在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔 或裂纹源。
（2）微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩 散，形成所谓“闭塞区”。
3. 两类不同的测试方法
（1）恒载试验
– 这是一种KI不断增大的试验方法，常用悬臂梁式弯 曲试验装置，采用类似三点弯曲试样。试样一端固 定，另一端与一力臂相连，并由砝码加载。
（2）恒位移试验
– 这是一种KI不断减小的试验方法，常用一种特殊结 构的紧凑拉伸试样，并通过螺栓自身加载。试验开 始时，用螺栓产生一初始的裂纹张开位移。当裂纹 扩展而位移保持恒定时，负荷将自动下降，从而也 使K值降低，当K值下降到KIth（KIscc）以下时，裂 纹就会基本上停止扩展。
（3）在闭塞区，氧迅速耗尽，得不到补充，最后只能进行阳极反应。
（4）缝内金属离子水解产生H＋离子，使pH值下降，为了维持电中性，
缝外的Cl-阴离子可移至缝内，形成腐蚀性极强的盐酸，使缝内腐蚀以
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自催化方式加速进行。
裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型
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7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计