应力腐蚀和氢脆

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1、第六单元金属在环境介质作用下的力学性能金属工件在加工过程中往往产生残余应力，在服役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断裂现象，其中主要有应力腐蚀断裂和氢脆断裂等，这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。本单元主要介绍应力腐蚀、氢脆和腐蚀疲劳产生的原因、断裂特征和影响因素等，介绍金属材料抵抗应力腐蚀、氢脆和疲劳腐蚀断裂的力学性能指标及防止其断裂的措施。模块一应力腐蚀能力知识点1应力腐蚀现象一、应力腐蚀金属在应力和特定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现象，称为应力腐蚀断裂(StressCorrosionCr

2、ack，缩写为SCC)。发生应力腐蚀的温度一般在50～300℃之间。危害：缓和的介质＋较小的应力1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微腐蚀；2.导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力。SCC在石油、化工、航空、原子能等行业中都受到广泛的重视，如发电厂中的汽轮机叶片、钢结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件等，均有发生应力腐蚀的可能性。1967年12月，美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒塌，死46人。事故调查的结果就是因为应力＋大气中微量H2S导致钢梁产生应力腐蚀所致。解放初期黄铜子弹壳开裂现象：原因是润滑用肥皂水中含微量铵离子。二、应力腐蚀产生的条件（1）只有在拉伸

3、应力作用下才能引起应力腐蚀开裂(近年来，也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，但主要是各种残余应力，如焊接残余应力、热处理残余应力和装配应力等。据统计，在应力腐蚀开裂事故中，由残余应力所引起的占80%以上，而由工作应力引起的则不足20%。第一次世界大战期间，用H70经过深冲成形的黄铜弹壳，在战场上出现了大量破裂现象。经研究表明，经冲压加工后，黄铜弹壳内存在残余内应力,在战场含氨气或二氧化硫等环境介质中,产生应力腐蚀破裂或季节裂纹（季裂）。这个问题可通过在240～260℃退火,消除残余应力来解决。（2）产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，也就

4、是说，每种材料只对某些介质敏感，而这种介质对其它材料可能没有明显作用，例如，黄铜在氨气氛中、不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中容易发生应力腐蚀，但反应过来不锈钢对氨气、黄铜对氯离子就不敏感。金属材料化学介质金属材料化学介质低碳钢、低合金钢NaOH溶液、沸腾硝酸盐溶液，海水，H2S水溶液，海洋性和工业性气氛铝合金氯化物溶液，海水及海洋性大气，潮湿性工业气氛奥氏体不锈钢酸性和中性氯化物溶液，海水及海洋大气，热NaCl、H2S水溶液，严重污染的工业大气等铜合金氨蒸汽、含氨气氛，含氨离子的水溶液、水蒸汽，湿H2S，氨溶液镍基合金热浓NaOH溶液，HF溶液和蒸汽钛合金发烟硝酸，300℃

5、以上的氯化物，潮湿性空气及海水（3）一般认为，纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性，合金也只有在拉伸应力与特定腐蚀介质联合作用下才会产生应力腐蚀断裂。但在每—种合金系列中，都有对应力腐蚀敏感的合金成分。例如，铝镁合金中当镁的质量分数大于4％，对应力腐蚀很敏感；而镁的质量分数小于4％时，则无论热处理条件如何，它几乎都具有抗应力腐蚀的能力。能力知识点2应力腐蚀的断裂特征基本的是滑移-溶解理论（或称钝化模破坏理论）和氢脆理论。一、应力腐蚀断裂机理钝化膜拉应力钝化膜破裂形成蚀坑应力集中裂纹将逐步向纵深发展断裂应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性

6、变形。应力腐蚀的裂纹扩展速率较小，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。一、特征应力腐蚀断裂速度为0.01～3mm/h，远远大于无应力存在下的局部腐蚀速度（如孔蚀等），但又比单纯力学断裂速度小得多。例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级，这主要由于纯力学断裂通常对应的应力水平要高得多。应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。应力腐蚀破坏的断口

7、，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物（泥状花样），或腐蚀坑。而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是沿晶断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。二、断口形貌特征枯枝状泥状花状奥氏体不锈钢应力腐蚀断口1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM)a)解理断口b)扇形状或羽毛状的痕迹能力知识点3应力腐蚀抗力指标及测试方法现在对应力腐蚀的研究，都是采用预制裂纹的试样。将这种试样放在一定介质中，在恒定载荷下，测定由于裂纹扩展引起的应力强度因子K随