应力腐蚀讲义

应力腐蚀及环境氢脆测试方法一、应力腐蚀及环境氢脆敏感性的判据第一页，共七十一页。1、开裂时间tc及断裂时间Tf

金属材料在不同的应力状态下和不同的介质环境中的开裂或断裂时间；或者在一定应力状态下和一定的介质环境中，可以用应力腐蚀及环境氢脆断裂或开裂的时间来表示某种金属的应力腐蚀及环境氢脆的敏感性。一般来说，断裂或开裂时间越短，应力腐蚀破裂及环境氢脆的敏感性越大。第二页，共七十一页。在125℃沸腾的MgCl2和CaCl2中，pH值对0Cr18Ni10钢应力腐蚀破裂时间的影响第三页，共七十一页。2、临界应力SCE

金属材料在特定的腐蚀环境中，应力水平越高，破裂时间越短；应力水平越低，破裂时间越长。原则上说，当应力水平低于某一数值时，不会发生应力腐蚀破裂。该应力为临界应力，它是评定应力腐蚀破裂敏感性的重要指标。第四页，共七十一页。各种工业用不锈钢在MgCl2介质中对应力腐蚀破裂的敏感性第五页，共七十一页。3.破裂深度hf

应力腐蚀破裂的敏感性，还可以用应力腐蚀裂纹的深度，或平均裂纹深度，或是最大裂纹深度来表示。在一定条件下，应力腐蚀裂纹深度越大，应力腐蚀破裂的敏感性也越大。第六页，共七十一页。第七页，共七十一页。4、试样破裂百分比

用应力腐蚀试样在特定条件下发生破裂和未发生破裂的百分数来表示敏感性。水中Cl-浓度对0Cr18Ni10钢SCC敏感性的影响第八页，共七十一页。5、应力腐蚀破裂敏感系数

在特定条件下，把应力腐蚀破裂时间的倒数，称为破裂敏感系数。当破裂敏感系数越大时，材料的应力腐蚀敏感性也越大。

Ni对18％Cr钢和合金的SCC倾向影响示意图1－穿晶破裂2－晶间破裂第九页，共七十一页。6、应力腐蚀破裂临界应力强度因子KISCC

KISCC系指在应力腐蚀破裂条件下的临界应力强度因子。KISCC的实用价值在于它可以预示材料在特定环境中抗应力腐蚀破裂的能力和使用寿命以及是否处于安全使用状态。KISCC可以实测得到，也可以通过计算方法求得。一般，通过理论方法求得KISCC十分麻烦，工程上多通过实测得到。第十页，共七十一页。7、裂纹扩展速率da/dt及裂纹扩展速度v

应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt，是评定金属材料应力腐蚀破裂敏感性的重要指标。一般来说，da/dt越大，材料的应力腐蚀敏感性也越大。已经产生应力腐蚀裂纹的典型的da/dt－K曲线如下图。从图中看出，它分为三个阶段：（1）K值超过KISCC达到某一门坎值KTH，裂纹随K值的增加迅速扩展，da/dt与K基本呈线性关系；(2)当K增加到某一数值时，这时的裂纹扩展速度达到某一稳定值，裂纹扩展速率基本是一个常数，da/dt与K几乎无关；（3）当K继续增加到某一数值时，随着K增加，da/dt迅速增加，当K增加到KIC，材料发生机械失稳断裂。第十一页，共七十一页。典型的da/dt－K曲线（K为应力强度因子）第十二页，共七十一页。8、破裂电位范围和临界破裂电位

大量的例子表明，对于某一特定体系应力腐蚀破裂只发生于一定的电位以上，低于这个电位则不会发生，这个电位值称为应力腐蚀破裂临界电位。在沸腾的42％MgCl2溶液中，18－8Ti不锈钢的电位－断裂时间关系第十三页，共七十一页。二、试样及测试方法的类型第十四页，共七十一页。1、试样类型光滑试样缺口试样缺口预制裂纹试样第十五页，共七十一页。2、测试方法分类恒载荷法－－试验过程中载荷不变；恒应变法－－试验过程中加一恒定的应变；KISCC及da/dt测定法；慢应变法；恒应力法，或称恒K1法。第十六页，共七十一页。3、应力腐蚀破裂试验中的困难应力腐蚀试验的试验周期一般较长，要保持试验介质的浓度、温度等试验条件不变，是比较困难的，而这些都将影响试验结果，同时如何缩短试验周期，加速应力腐蚀破裂过程，也是需要解决的问题。应力腐蚀试验的试样是浸在腐蚀介质中的，因此对于裂纹扩展情况的观察和测量都受到限制。应力腐蚀试验的微区电化学过程的测试，还存在技术上的困难，如微区的电极电位，微区的极化曲线等等的测量，目前还相当困难。应力腐蚀试验的影响因素很多，往往试验结果数据很分散，而且重现性较差，因此处理很困难。第十七页，共七十一页。三、应力腐蚀及环境氢脆敏感性常用测试方法简介第十八页，共七十一页。1、拉伸试验

a、恒载荷拉伸试样拉伸试验加载机构示意图弹簧加载拉伸试验1、应力传感器；2、试样；1、弹簧；2、腐蚀锅；3、腐蚀锅；4、砝码3、试样

第十九页，共七十一页。b、恒变形拉伸试样第二十页，共七十一页。2、弯曲试验

a、二支点弯曲试样二支点弯曲试样及试样架H可调试样架(b)及应变测量装置（a）第二十一页，共七十一页。b、三点弯曲试样恒应变三点弯曲恒载荷三点弯曲试验试样及试验装置

1－棒；2－试样；3－荷重第二十二页，共七十一页。C、四点弯曲试样恒应变四点弯曲试样及试样架第二十三页，共七十一页。恒应变四点弯曲试样及试样架1－棒；2－试样；3－荷重第二十四页，共七十一页。d、双弯梁第二十五页，共七十一页。3、U形弯曲试样U形试样弯曲过程第二十六页，共七十一页。常用的U形试样1－焊接或缚紧；2－焊接；3－夹紧前；4－受力试样第二十七页，共七十一页。4、C形环试验C形环试样取样的方法(a)－管材(b)－棒材(c)－板材第二十八页，共七十一页。C形环试样受力方法第二十九页，共七十一页。5、O形环试验O形环试样及加力塞子(a)O形环试样；(b)加载塞子第三十页，共七十一页。6、叉形试验调音叉试样第三十一页，共七十一页。7、薄板预变形试验预变形薄板试样第三十二页，共七十一页。8、焊接接头应力腐蚀试验

a、焊接弯梁试样焊接弯梁试样组合件1－焊接拉伸面；2－焊接压缩面；3－焊接根部第三十三页，共七十一页。b、焊接圆盘试样第三十四页，共七十一页。9、管状试验内部压力下应力腐蚀试验的管状试样和固定架1－向管内加压应力及腐蚀剂2－焊接第三十五页，共七十一页。10、锅炉碱脆模拟试验装置锅炉碱脆试验装置1－锅炉水进；2－锅炉水出；3－通过锅炉水到试样；4－浓缩液；5－蒸汽；6－试样；7－压紧板；8－垫片；9－夹紧螺母；10－调节螺钉第三十六页，共七十一页。11、挂片试验海水挂片试验装置1－气箱；2－试片架；3－试片；4－绳；5－键；6－水线第三十七页，共七十一页。四、KISCC及da/dt测试方法

1、试样分类

KISCC的测试方法一般采用缺口预制裂纹试样。根据开缺口及预制裂纹的情况可分为：单缺口预制裂纹试样；双缺口预制裂纹试样；表面预制裂纹试样；圆周预制裂纹试样等。第三十八页，共七十一页。SCC预制裂纹试样分类第三十九页，共七十一页。2、恒负载KI增加试样

a、单缺口恒拉伸预制试样（SEL试样）第四十页，共七十一页。b、恒负载三点弯曲试样（3PB试样）第四十一页，共七十一页。c、恒负载四点弯曲试样（4BP试样）第四十二页，共七十一页。d、恒负载悬臂弯曲试样（CB试样）第四十三页，共七十一页。e、恒负载中心预制裂纹试样（CC试样）第四十四页，共七十一页。f、恒负载表面预制裂纹第四十五页，共七十一页。g、双缺口预裂纹拉伸试样第四十六页，共七十一页。h、圆棒形预裂纹拉伸试样第四十七页，共七十一页。i、紧凑拉伸试样（CT）第四十八页，共七十一页。3、恒位移K1减小试样

a、紧凑拉伸型试样孔的中心与试样中心偏差在1o以内缺口中心与试样中心偏差在1.27mm以内与（w-a)无关的单缺口恒位移紧凑拉伸试样第四十九页，共七十一页。与（w-a)有关的单缺口恒位移紧凑拉伸试样第五十页，共七十一页。b、WOL－T试样第五十一页，共七十一页。c、双悬臂梁试样（DCB试样）1－疲劳裂纹；2－应力腐蚀破裂；3－机械失稳破裂第五十二页，共七十一页。d、恒位移中心预裂试样第五十三页，共七十一页。4、恒K1试样

a、锥梯形试样第五十四页，共七十一页。b、与（w-a）无关的锥梯形试样第五十五页，共七十一页。c、与（w-a）有关的锥梯形试样第五十六页，共七十一页。5、KISCC及da/dt的测试步骤a、试样的准备应力腐蚀破裂试样的截取，要考虑到母材的轧制方向，不同取向的试样，试验结果不一样。

第五十七页，共七十一页。b、平面应变的条件是

B，a，（W－a）2.5(KISCC/s)2

试样尺寸只有满足上述条件，测得的KISCC才是有效的。

第五十八页，共七十一页。C、试样的加工

试样的加工，要求保证尺寸公差和表面光洁度，缺口的加工一般要求在线切割机上进行，预制疲劳裂纹在高频疲劳试验机上进行，预制疲劳裂纹的走向和试样中心的偏差一般不超过10o。第五十九页，共七十一页。d、试验步骤

——以悬臂梁弯曲的试验步骤为例将试样按要求装置在试验机上，首先在空气中逐渐加大载荷，直至裂纹失稳扩展断裂，然后求KIC。降低载荷，使试样的初始应力强度因子KIi低于KIx的情况下，在特定腐蚀介质中试验，经过一段时间，试样断裂；然后再降低KIi，当KIi降低到某一极限值，试样不再发生应力腐蚀断裂，这个极限值是KISCC。用差动变压器或位移传感器测量加载点的位移，求出裂纹的长度a，绘制a-t曲线，根据a-t，可以求出da/dt。第六十页，共七十一页。K1-tF曲线第六十一页，共七十一页。五、慢应变率法试验SERT型慢应变应力腐蚀试验机慢应变率法，又称恒应变率法，它是将拉伸试样放在特定的介质中，然后在慢应变率试验机上，用一定的、缓慢的应变速度进行拉伸试验，直到拉断。第六十二页，共七十一页。六、应力腐蚀案例第六十三页，共七十一页。不锈钢管与管板胀接部位的横向裂纹管与管板连接方式很多，在应力腐蚀工程事故分析中，多遇到胀－焊连接，仅胀未焊连接还仅焊未胀连接三种。部分胀－焊连接方式见图。

大量事故分析表明，不论是胀－焊还是仅胀未焊连接，不锈钢管束应力腐蚀裂纹多位于胀与未胀过渡区。

这与滚胀连接时，局部变形，受有较大的纵向残余拉应力有关。实测表明，此处纵向应力一般高达相当于屈服强度的数值。

第六十四页，共七十一页。

0Cr15Ni75Fe耐蚀合金管材与管板胀接后，滚胀区内表面残余应力分布

第六十五页，共七十一页。案例：CO2高压热交换器管的破裂材质：0Cr18Ni10尺寸及结构：ø19×1.6，共232根，每根长8.5米。管与管板采用胀焊连接。工作环境：管内：湿CO2。进口温度：180℃；出口温度40～50℃；压力：80～90kgf。管外：冷却水（含氧6～10ppm，Cl-80～100ppm）进口温度：32～34℃；出口温度：80℃；压力：4kgf。损坏情况：运转2月后发现泄漏，运转3个月检修时发现70多根管子破裂。破裂多发生在高温侧管板缝隙附近。分析检验：裂纹从管外壁产生，向内壁扩展，属穿晶型应力腐蚀裂纹特征。断口扫描电镜发现，破裂是典型的脆性解理断裂，是由氯化物应力腐蚀造成的。第六十六页，共七十一页。67管与管板连接

及管上应力腐蚀裂纹示意图

管板缝隙处破裂的管子第六十七页，共七十一页。第六十八页，共七十一页。第六十九页，共七十一页。案例二、化肥厂冷却器管的破损材质：00Cr18Ni10尺寸：ø19×2工作环境：管内－高温CO2；管外－冷却水损坏情况：