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1、过程装备腐蚀与防护,机械与动力工程学院 实验17楼527,第二章 过程装备的局部腐蚀,一、应力腐蚀破裂,二、腐蚀疲劳,三、磨损腐蚀,四、氢损伤,五、点腐蚀,六、缝隙腐蚀,七、晶间腐蚀,八、电偶腐蚀,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,应力腐蚀破裂是金属结构在拉应力和特定腐蚀环境共同作用下引起的破裂，简称应力腐蚀（Stress Corrosion Cracking）。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,腐蚀区呈树枝状裂纹，而其他部位腐蚀非常轻微。,树枝状裂纹一般有一条发展的主干，这条主干与拉应力的方向垂直。,某些材料（如奥氏体不
2、锈钢）裂纹和断口的形态与应力大小有关。,断口的形态一般呈脆性断裂的特征，没有宏观的塑性变形的痕迹。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,在光学显微镜下，可以看到应力腐蚀裂纹有沿晶裂纹、穿晶裂纹和穿晶沿晶混合裂纹。不同的合金在不同的介质中有不同的裂纹倾向。,应力腐蚀裂纹总是在具有拉应力的表面上开始，并且具有由表面向内扩展的特征。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,由于应力腐蚀裂纹的产生、扩展，一直发展到达到和超过临界裂纹长度，需要一个过程，
3、因此，装有能产生应力腐蚀介质的压力容器，承受到一定拉应力作用，并不马上发生SCC，而是在经过一段时间后才发生突然断裂。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,SCC是材料在应力和环境共同作用下，经过一定时间(孕育期)产生裂纹源，然后裂纹逐渐扩展，达到临界尺寸，当裂纹尖端的应力强度因子KI达到材料的断裂韧性KIC时，而发生断裂。SCC过程可分为三个阶段。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点, 孕育期,孕育期是在无预制裂纹或金
4、属无裂纹、无蚀孔、缺陷时，裂纹的萌生阶段。即裂纹源形成所需的时间。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点, 孕育期,该期是裂纹成核后直至发展到临界尺寸所经历的时间。这一阶段裂纹扩展速度与应力强度因子大小无关，裂纹扩展主要由裂纹尖端的电化学过程控制。, 裂纹扩展期,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点, 孕育期,这一阶段裂纹扩展由纯力学因素控制，扩展速度随应力增大而加快，直至断裂。, 裂纹扩展期, 失稳断裂,第二章 过程装备的
5、局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,4. 力学特点,A. 具备拉应力,一般SCC都在拉应力下才发生。这个拉应力可以是工作应力，也可以是制造过程中的残余应力、热应力、相变应力、裂纹中腐蚀产物楔入应力等。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,4. 力学特点,A. 具备拉应力,B. 存在临界应力,材料承受的应力越小，至断裂时间tF越长，当应力小于某一临界值后， tF =，此应力称为临应力。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、
6、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,4. 力学特点,5. 环境的特点,A. 腐蚀介质的特点,对一种金属（或合金），只有在特定的介质中含有某些对发生SCC有特效作用的离子、分子时才会发生SCC。例如，锅炉钢在碱溶液中的“碱脆”，低碳钢在硝酸盐中的“硝脆”，奥氏体不锈钢在含氯离子溶液中的“氯脆”等。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,4. 力学特点,5. 环境的特点,A. 腐蚀介质的特点,B. 溶液的浓度,有时虽然溶液的整体浓度很低，但由于局部的浓缩作用，使该处易发生局部腐蚀
7、。一旦形成蚀坑、缝隙或裂纹后，该处的介质条件发生明显变化，会促使SCC发生。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,4. 力学特点,5. 环境的特点,A. 腐蚀介质的特点,B. 溶液的浓度,C.具有能使金属钝化的介质,对于SCC体系介质的另一个特征是能使金属或合金钝化，即只有使金属或合金钝化，才能发生SCC。所以金属发生SCC时，很少是由均匀腐蚀引起。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,4. 力学特点,5. 环境的特点,
8、A. 腐蚀介质的特点,B. 溶液的浓度,C. 具有能使金属钝化的介质,D. 具有一定的电位范围,从电化学角度看，材料与特定介质的耦合导致SCC发生的条件是在一定的电位范围内，一般是发生在钝化活化过渡区或钝化过钝化区。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,1. 宏观特点,2. 微观特点,3. 延迟破坏特点,4. 力学特点,5. 环境的特点,6. 冶金学特点,A. 不同的化学成份和纯度具有不同的SCC敏感性,钢化学成份的微小变化往往会引起SCC敏感性明显变化。一般认为合金比纯金属更易发生SCC。,B. 不同组织具有不同的SCC敏感性,钢对SCC敏感性不仅与其化学
9、成份有关，而且还与组织有关。如相同成份的碳钢或低合金钢，在H2S-H2O系统中，淬火后充分回火正火淬火次序递降。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,应力腐蚀破裂的可能机理已提出了十几种，但迄今尚无被普遍接受的统一机理。既然应力腐蚀是一种腐蚀有关的过程，其机理就必然与腐蚀的阳极或阴极过程有关。因此，其可能的机理不外乎是：,1. 阳极溶解为主的机理,认为阳极溶解起控制作用，如黄铜的氨脆等。裂纹一旦形成，裂纹尖端的应力集中导致裂纹尖端前沿区发生迅速屈服，晶体内位错沿着滑移面连续地到达裂纹尖端表面，产生大量瞬间活性溶解质点，导致裂纹尖端(阳极
10、)快速溶解。据文献报导，裂纹尖端处的电流密度高达0.5A/cm2，而裂纹两侧仅约为10-5A/cm2。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,1. 阳极溶解为主的机理,2. 氢脆机理,认为阴极过程放出的氢原子进人基体，导致材料脆化，如钢的硫化氢应力腐蚀。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,1. 阳极溶解为主的机理,2. 氢脆机理,3. 阳极溶解与氢脆共同作用的机理,认为阳极溶解和阴极析氢过程都有影响，如钛合金、不锈钢、铝合金、镍合金等的应力腐蚀。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一
11、节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,1. 阳极溶解为主的机理,2. 氢脆机理,3. 阳极溶解与氢脆共同作用的机理,4. 吸附特殊离子降低表面能的机理,认为环境中某些侵蚀性物质吸附在裂纹尖端，降低了形成新表面所需的能量，使断裂应力随之降低。这是一种主要以机械方式导致应力腐蚀断型的理论。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,影响SCC因素有环境、应力和冶金三个方面，因此，有效的防止方法就是消除这三个力面一切有害的因素。对于一定的材料来说，主要是从控制环境条件和消除应力两方面采取措施。关
12、于控制环境，近年来虽然找到了一些方法。但在实际应用中，除了个别情况外尚有许多困难。比较有效而广泛应用的方法是消除或降低应力值。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1) 降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,常规设计方法中采用的名义抗拉强度或屈服强度，并未考虑材料存在的缺陷，而实际上，所有工程材料都不是完美无缺的，必然存在各种缺陷，除了原有的裂纹和微裂纹外，由于环境影响又会造成新的裂纹，因此很多设备和构件往往发生低应力下意外的脆性断裂。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,
13、一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1) 降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,对于存在裂纹的材料在低应力下破坏的现象，用定量方法解析裂纹尖端的应力场，计算材料的破坏应力，用工程方法评价构件的安全性等。都属于断裂力学范畴。根据断裂力学观点，在空气环境条件下，如果满足以下条件，则构件是安全的。,KIKIC,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1) 降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,在腐蚀环境中具有裂纹的试件的应力场强度因子KI同
14、样存在一个临界值KISCC,称为应力腐蚀破裂临界强度因子。显然KISCC低于KIC。,每一种材料在持定的腐蚀介质中的KISCC是个常数，可用实验方法测定。一般KISCC（1/21/5）KIC，且随材料强度级别的提高，KISCC/KIC的比值下降。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1) 降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,(2) 合理设计与加工减少局部应力集中,结构设计时应尽可能想法降低最大有效应力。例如，选用大的曲率半径，采用流线型设计，使结构的应力分布趋向均匀，避免过高的峰值。关
15、键部位可适当增厚或改变结构型式。焊接结构最好采用对接以减小残余应力集中。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1) 降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,(2) 合理设计与加工减少局部应力集中,(3) 采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善合金的组织结构以降低对SCC的敏感性,例如，采用退火处理消除内应力。钢铁在500600处理0.51h，然后缓慢冷却。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1)
16、降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,(2) 合理设计与加工减少局部应力集中,(3) 采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善合金的组织结构以降低对SCC的敏感性,奥氏体不锈钢可以加热到900左右再缓冷。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1) 降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,(2) 合理设计与加工减少局部应力集中,(3) 采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善合金的组织结构以降低对SCC的敏感性,但高温处理有可能引起金属表面氧化，形状复杂的结构还会产生变形，为此可采用降低温度、延长时间的热处理制度。,第二章 过程装备的局部腐蚀,第一节 应力腐蚀破裂,一、应力腐蚀破裂特点,二、应力腐蚀破裂机理,三、防止或减轻应力腐蚀的措施,(1) 降低设计应力，使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下,(2) 合理设计与加工减少局部应力集中,(3) 采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善合金的组织结构以降低对SCC的敏感性,又如，
