第6章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂

1、1第六章第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属的应力腐蚀和氢脆断裂2一、应力腐蚀现象及其产生条件一、应力腐蚀现象及其产生条件1、应力腐蚀现象、应力腐蚀现象 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂(SCC)：金属在拉应力和特定的化学介：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质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象。现象。 特点特点：拉应力，特定介质，时间，脆断。：拉应力，特定介质，时间，脆断。 低碳钢、低合金钢低碳钢、低合金钢碱脆、硝脆碱脆、硝脆 不锈钢不锈钢氯脆氯脆 铜合金铜合金氨脆氨脆3l应力应力：静应力远低于材料的屈服强度，且一般为拉：静应力远低于材料的屈服强度

2、，且一般为拉应力。包括工作应力和残余应力。应力。包括工作应力和残余应力。l化学介质化学介质：一定材料对应一定的化学介质；表：一定材料对应一定的化学介质；表6-1所所示示l金属材料金属材料：纯金属一般不会产生应力腐蚀，合金对：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，敏感性不应力腐蚀都比较敏感，不同的合金成分，敏感性不同。同。4关于应力腐蚀的机理曾提出许多学说，如活性通关于应力腐蚀的机理曾提出许多学说，如活性通路路电化学理论，膜破裂理论、氢脆理论，电化学理论，膜破裂理论、氢脆理论，“化学脆化学脆变变脆性破裂脆性破裂”理论，腐蚀产物楔入理论、隧洞形蚀孔理论，腐蚀产物楔入

3、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裂三阶段理论等。等。最基本的是：最基本的是：滑移滑移溶解理论溶解理论( (或称钝化模破坏理论或称钝化模破坏理论) )和氢脆理论。和氢脆理论。1 1、应力腐蚀断裂机理、应力腐蚀断裂机理5滑移溶解理论滑移溶解理论在特定化学介质中首先在表面形成一层钝化膜，在拉应力在特定化学介质中首先在表面形成一层钝化膜，在拉应力作用下裂纹尖端地区产生局部塑性变形，滑移台阶在表面作用下裂纹尖端地区产生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露出新表面。这个新表面在电解质露头时钝化膜破裂，

4、显露出新表面。这个新表面在电解质溶液中成为阳极，具有钝化膜的金属表面为阴极，从而形溶液中成为阳极，具有钝化膜的金属表面为阴极，从而形成腐蚀微电池。成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子进入电解质中产生阳极溶解，于是在阳极金属变成正离子进入电解质中产生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。拉应力在蚀坑或原有裂纹的尖端形成金属表面形成蚀坑。拉应力在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展

5、。行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。6在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I I表表示为：示为：R微电池中的电阻；微电池中的电阻；Vc,Va- -电池两极的电位。电池两极的电位。如果在介质中的极化过程相当强烈，则如果在介质中的极化过程相当强烈，则Vc-Va变变得很小，腐蚀过程就大受抑制；得很小，腐蚀过程就大受抑制；如果介质中去极化过程很强，如果介质中去极化过程很强，Vc-Va很大，腐蚀很大，腐蚀电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面不能形成钝化膜。不能形成钝化膜。)(1acVVRI71）应力腐蚀断裂断

6、口宏观特征应力腐蚀断裂断口宏观特征（1）即使是塑韧性非常好的材料，其应力腐蚀断裂的宏观形即使是塑韧性非常好的材料，其应力腐蚀断裂的宏观形貌也是完全脆性的。貌也是完全脆性的。（2）断口往往是粗糙的。断口往往是粗糙的。（3）在亚稳扩展区可见腐蚀产物带来的颜色变化（黑色或灰在亚稳扩展区可见腐蚀产物带来的颜色变化（黑色或灰黑色），但深裂纹的裂夹区颜色可能很浅，不易为肉眼黑色），但深裂纹的裂夹区颜色可能很浅，不易为肉眼辨认。辨认。（4）由于断裂总是从与介质接触的表面开始，故启裂区表面由于断裂总是从与介质接触的表面开始，故启裂区表面附近的断口颜色最深，有时由于腐蚀进展的变化会在断附近的断口颜色最深，有时由

7、于腐蚀进展的变化会在断口上留下海滩花样。口上留下海滩花样。（5）与介质接触表面往往有点蚀或蚀斑。与介质接触表面往往有点蚀或蚀斑。（6）应注意，有腐蚀产物不是判定应力腐蚀的充分条件。因应注意，有腐蚀产物不是判定应力腐蚀的充分条件。因为也有可能由于别的机制导致断裂后，断口受到随后的为也有可能由于别的机制导致断裂后，断口受到随后的腐蚀。腐蚀。82）应力腐蚀断口微观特征应力腐蚀断口微观特征（1）若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数百倍）倍率下，沿晶断口的形貌是颗粒状。百倍）倍率下，沿晶断口的形貌是颗粒状。（2）穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的

8、类似穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的类似解理形貌。解理形貌。（3）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。（4）腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是“泥状花样泥状花样”的腐蚀产物。的腐蚀产物。（5）清洗过的清洗过的SCC断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿晶型，更易辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口晶型，更易辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口相区别的重要依据。相区别的重要依据。 93）应力腐蚀断裂途径应力腐蚀断裂途径(1)根据金属和合金的种类及介根据金属和合金的种

9、类及介质不同，质不同，SCCSCC可以是沿晶的可以是沿晶的或穿晶的：或穿晶的： 碳钢和铬不锈钢多系沿晶碳钢和铬不锈钢多系沿晶 奥氏体不锈钢多为穿晶奥氏体不锈钢多为穿晶 铝、钛、镍也多为沿晶铝、钛、镍也多为沿晶 但也有例外的。但也有例外的。(2)裂纹扩展的宏观方向与应力裂纹扩展的宏观方向与应力有关，大体垂直于主应力，有关，大体垂直于主应力，但裂纹常有分叉现象，呈枯但裂纹常有分叉现象，呈枯树枝状。树枝状。 10三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标1、应力腐蚀曲线应力腐蚀曲线l采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，测定采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，测定不同应力水平作用下的断裂时间

10、曲线，从而求出该种不同应力水平作用下的断裂时间曲线，从而求出该种材料不发生应力腐蚀的临界应力。材料不发生应力腐蚀的临界应力。l实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的缺陷。因此，用应力腐蚀破裂的临界应力指标缺陷。因此，用应力腐蚀破裂的临界应力指标scc不能不能客观地反映裂纹机件对应力腐蚀的抗力。客观地反映裂纹机件对应力腐蚀的抗力。l发展了两个重要的应力腐蚀抗力指标：发展了两个重要的应力腐蚀抗力指标： 应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc 应力腐蚀裂纹扩展速率应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt11、应力腐蚀临界应力场强度因

11、子、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCCl定义：在特定介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场定义：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。强度因子。l含宏观裂纹的试样，恒定载荷，特定介质，测含宏观裂纹的试样，恒定载荷，特定介质，测KItf曲线。曲线。lKISCC值的测定：值的测定：1) 恒载荷法：使恒载荷法：使KI不断增大的方法，不断增大的方法，最常用的是恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置。最常用的是恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置。2) 恒位移法：恒位移法：使使KI不断减少，用紧凑拉伸试样和螺栓加载。不断减少，用紧凑拉伸试样和螺栓加载。 12整个试验过程中载荷恒定，随着裂纹的扩展，裂纹尖整个试验

12、过程中载荷恒定，随着裂纹的扩展，裂纹尖端端KI增大，可用下式计算：增大，可用下式计算：其中其中1a/W试验时制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同试验时制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同恒定载荷，使裂纹尖端产生不同大小的初始应力场强恒定载荷，使裂纹尖端产生不同大小的初始应力场强度因子度因子KI初，记录各种初，记录各种KI初作用下的断裂时间初作用下的断裂时间tf，以，以KI初与初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即初的即为材料的为材料的KIscc2/1332/3112.4BWMKI13lKKISCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于时，在应力

13、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。腐蚀环境中而不发生破坏。lKISCCKKIC时，加上初始载荷后试样立即断裂。时，加上初始载荷后试样立即断裂。lKISCC也可以测量裂纹扩展速率也可以测量裂纹扩展速率da/dt。143、应力腐蚀裂纹扩展速率应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt l定义：单位时间内裂纹的扩定义：单位时间内裂纹的扩展量。展量。da/dt=f(KI)lda/dtKI曲线上的三个阶段：曲线上的三个阶段：l(1)存在一个门槛值存在一个门槛值KISCC。当当KIKISCC时，时，da/dt =0 或或微不足道。微不足道。l(2)第第阶段：当阶段：当KI超过超过KIscc时裂纹突

14、然加速扩展，时裂纹突然加速扩展，da/dtKI曲线几乎与纵坐标轴平曲线几乎与纵坐标轴平行。行。da/dt 值小，但受值小，但受K之影之影响较大。响较大。l(3)第第II段出现水平线段，段出现水平线段，da/dt 决定于环境而受应力强决定于环境而受应力强度的影响较小度的影响较小,第第II阶段时间阶段时间越长，材料抗应力腐蚀性能越长，材料抗应力腐蚀性能越好。若通过实验测出某种越好。若通过实验测出某种材料在第材料在第II阶段的阶段的da/dt值及值及第二阶段结束时的第二阶段结束时的KI值，就值，就可估算出机件在应力腐蚀条可估算出机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命。件下的剩余寿命。l(4)第第阶段裂纹长度

15、接近临阶段裂纹长度接近临界尺寸，界尺寸，da/dt依赖于依赖于KI，材，材料进入失稳扩展的过渡区。料进入失稳扩展的过渡区。当当KI增大到增大到KIC时便失稳扩时便失稳扩展断裂。展断裂。15四、防止应力腐蚀的措施四、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移溶解理论。它可以简单地归结为四个过程，即滑移溶解理论。它可以简单地归结为四个过程，即滑移膜膜破破阳极溶解阳极溶解再钝化。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。介质而定。主要措施：主要措施：1 1、合理选择金属材

16、料、合理选择金属材料 针对机件所受应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的针对机件所受应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属材料。选材时还应尽可能选取金属材料。选材时还应尽可能选取KIscc较高的合金。较高的合金。2 2、减少或消除机件中的残余拉应力、减少或消除机件中的残余拉应力 必要时采用退火工艺以消除应力或采用喷丸等表面处理方法。必要时采用退火工艺以消除应力或采用喷丸等表面处理方法。3 3、改善化学介质、改善化学介质 一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子；一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子；另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂。另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂。

17、4 4、采用电化学保护、采用电化学保护 采用阴极保护法使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏采用阴极保护法使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域。感电位区域。16l定义定义：由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产：由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象。生脆性断裂的现象。一、氢在金属中的存在形式一、氢在金属中的存在形式l内含的氢内含的氢( (冶炼和加工中带入的氢冶炼和加工中带入的氢) )；l外来的氢外来的氢( (工作中，吸工作中，吸H)H)；l以间隙原子状态固溶在金属中；以间隙原子状态固溶在金属中；l以分子状态存在于孔洞、气泡裂纹等处；以分子状态存在于孔洞、气泡裂

18、纹等处；l在金属在金属( (如如V V、NbNb、TiTi、ZrZr、Hf)Hf)中形成氢化物。中形成氢化物。171、氢蚀、氢蚀( (气蚀气蚀) )l氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界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。结合力减弱而导致金属脆化。l宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状。宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状。l微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。2、白点（发裂）、白点（发裂）l H过量时，随温度降低合金中过量时，随温度降低合金中H H的溶解度降低，容易形成的溶解度降低，容易形成H2, ,使使H的体积增加形成很

19、大的内压力撕裂金属局部形成裂纹。的体积增加形成很大的内压力撕裂金属局部形成裂纹。这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形，为银白色，因此成为白这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形，为银白色，因此成为白点。白点是一种严重的缺陷，降低材料的性能。点。白点是一种严重的缺陷，降低材料的性能。l 减弱或消除的方法：精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以减弱或消除的方法：精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以及加入一些微量元素。及加入一些微量元素。183、氢化物致脆、氢化物致脆l与氢有较大亲和力的与氢有较大亲和力的B、B族金属，极易生成脆性氢化族金属，极易生成脆性氢化物，氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。使金属脆化。物，氢化物很硬、脆，与

20、基体结合不牢。使金属脆化。l晶粒粗大，氢化物呈薄片状晶粒粗大，氢化物呈薄片状较大应力集中较大应力集中危害大危害大l晶粒细小，氢化物块状不连续分布晶粒细小，氢化物块状不连续分布危害小危害小4 4、氢导致延滞断裂、氢导致延滞断裂l定义：由于适量以固溶形式存在的氢，金属在低于屈服强定义：由于适量以固溶形式存在的氢，金属在低于屈服强度应力下持续作用经过一段孕育期后，在金属内部形成裂度应力下持续作用经过一段孕育期后，在金属内部形成裂纹且扩展，最后突然发生的脆性断裂。纹且扩展，最后突然发生的脆性断裂。l特点：特点：l1) 1) 只在一定温度范围内出现；只在一定温度范围内出现；l2) 2) 提高应变速率，可

21、降低材料氢脆的敏感性；提高应变速率，可降低材料氢脆的敏感性；l3) 3) 显著降低材料断后延伸率，但有一极限值；而断面收显著降低材料断后延伸率，但有一极限值；而断面收缩率随含缩率随含H H量增加一直降低；量增加一直降低；l4) 4) 高强度钢的这类断裂有可逆性。即低应力慢速应变后，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由于氢脆降低塑性，卸载停留一定时间后再进行高速加载可以恢复塑性，消除氢脆可以恢复塑性，消除氢脆19l三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。l 孕育期：孕育期：Fe晶格中氢原子数量晶格中氢原子数量+迁移迁移+ +偏聚偏聚l1 1）氢气团导致裂纹）氢气团导致裂纹l 氢固溶于氢固溶于Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用，迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气与位错交互作用，迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。团。