金属的应力腐蚀断裂与腐蚀疲劳断裂

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1、第八章金属的应力腐蚀断裂与腐蚀疲劳断裂应力腐蚀断裂是指金属在某种特定环境（介质）与相应水平的应力共同作用下发生的断裂；当仅有此环境而无应力或应力水平太低，或者当仅有该水平的应力而无该环境（介质）均不致发生断裂。所谓特定的环境，是指只有当介质的成分和浓度范围适当，才能导致某种相应金属的应力腐蚀断裂。1应力腐蚀断裂是一种危险性很大的失效模式。这是由于它是完全脆性的，在裂纹缓慢伸展过程中不表现出任何其它的宏观症候，一旦达到瞬断截面立即快速断裂，往往造成灾难性事故。另一方面是由于对发生应力腐蚀的金属－介质－应力的配合关系了解得还不够很清楚。2第一节有关金属腐蚀的几个基本概念一

2、、金属腐蚀的分类根据腐蚀环境不同，人们将腐蚀分为：化学介质腐蚀、大气腐蚀、海水腐蚀、土壤腐蚀等。根据腐蚀的理化机制又可分为物理腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀。在工程中也常根据被腐蚀的外部几何特征区分为全面腐蚀、局部腐蚀和集中腐蚀。3就腐蚀的理化机制分类而论，物理腐蚀主要指金属在介质中被溶解，例如Cu被Zn熔体腐蚀，铁被铜熔体溶解，铜被钎料溶解……等。这里，腐蚀的一级（直接）产物主要是溶液而不是化合物。化学腐蚀和电化腐蚀的直接生成物都是化合物。4二、电化腐蚀原理（腐蚀电池）当两块不同金属置于同一电解液中，例如Cu和Zn同插入CuSO溶液中，由于Zn和Cu的电极电位不同，就2

3、4构成了一个电池。此时若接通电池的外电路，就有电流通过。这时：Zn→Zn2++2e-↓(传导)Cu←Cu2++2e-阳极上（电池的负端）发生锌的溶解，阴极上（电池的正端）发生Cu的沉积。5阳极是氧化反应。阴极上的反应是还原反应。阴极上的还可能是H++e-→H(析氢)2氧的去极化反应:O+2e-→O2-O2-+2H+→H2O6在实际腐蚀条件下，有各种各样大、小腐蚀电池。（1）电偶腐蚀电池（异金属电池）镀锌与镀锡：对于镀锌铁，镀锌层破损处的腐蚀轻微，这是由于Zn作为阳极并发生钝化；对于镀锡铁，镀锡层破损处的腐蚀严重，这是由于Sn作为阴极，Fe作阳极而钝化膜不致密、不稳定所

4、致。（2）浓差电池一般氧浓度低的区域为阳极。（3）温差电池一般高温端成为阳极。7第二节应力腐蚀断裂机理HE-SCC机理（氢脆型应力腐蚀）：8APC-SCC机理（活化通路型应力腐蚀）（一）闭塞电池理论9（二）应变产生活性通道（SGAP）(三)预先存在活性通道（PEAP）理论10第三节几种工程材料的常见应力腐蚀断裂机理碳钢、高强合金钢、不锈钢、铝及其合金、钛及其合金……等各式各样的工程金属材料，都可能在适当的环境和应力水平下发生应力腐蚀断裂。其中许多问题至今还没得到深入的研究，甚至有的还是很不了解。表8-2是一些金属和合金的部分应力腐蚀环境。11一、碳钢的应力腐蚀早年的铆

5、接蒸汽锅炉，为减缓铁的腐蚀在水中加入NaOH调制pH值。结果在铆缝中发生NaOH浓缩（渗漏、蒸发所致）导致应力腐蚀而引起过爆炸，当时叫做碱脆。能导致碳钢碱脆的介质还包括KOH、LiOH及K2CO3、铝酸钠等。碱脆是沿晶发展的。12碳钢的另一应力腐蚀现象是硝脆。例如硝酸铵溶液蒸发器的应力腐蚀。试验表明碳钢和低合金钢在硝酸盐溶液中比在NaOH溶液中更易发生应力腐蚀。不同的盐，其应力腐蚀倾向不同，按排列，实际也是按pH由小到大排列。碳钢或低合金钢的液氨容器(储罐，运输槽车)可能发生应力腐蚀，其敏感温度为15～30℃，<10℃及>40℃刚敏感性大降。微量的氧，大大促进该SCC

6、，故在装液氨前必须排净空气而充。微量水(达0.2%以上)可防止该种SCC。13碳钢还可能在其它许多酸环境中，在中、在高压的水溶液中、在HCN的含水气体中发生应力腐蚀断裂。碳钢的应力腐蚀大多是沿晶的。少数情况下(如H2S、HCN)也可以出现穿晶断裂。材料的成分(合金元素)、组织(热处理)、杂质、介质(环境成分，pH、添加剂)均有较大影响。14二、不锈钢的应力腐蚀在奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和沉淀硬化不锈钢四类钢中，奥氏体钢的塑性、韧性和耐均匀腐蚀的介质范围和能力最好。因而应用最广。但它的耐应力腐蚀能力却不够理想，不少介质都能引起应力腐蚀，尤其对Cl敏感，

7、即氯脆。对F、Br、NaOH、H2S也敏感。在核反应堆中发现高温高压水也能导致应力腐蚀，据认为与微量O和有关。Cl15高铬的铁素体不锈钢的应力腐蚀敏感性较奥氏体钢低得多。过去由于一般方法冶炼的铁素体不锈钢表现出强烈的低温脆性，故在有氯脆的化工设备中不能代替奥氏体钢。近十多年来，真空法生产出低杂质(主要是O、C、N)的高铬钢，克服了低温脆性。同时还注意到，此时的抗应力腐蚀能也更好，因而成为解决氯脆的一条途径。16奥氏体—铁素体双相不锈钢的抗应力腐蚀能力好，选用这类钢也是解决氯脆的一条有效途径。其原因在于一方面铁素体耐应力腐蚀能力较强；可能更主要的