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1、1,5.5 应力作用下的局部腐蚀,5.5.1 应力腐蚀断裂5.5.2 金属的氢脆和氢损伤5.5.3 腐蚀疲劳,2,5.5.1 应力腐蚀断裂 Stress Corrosion Cracking,应力与化学介质协同作用下引起的金属开裂（或断裂）的现象，叫做金属应力腐蚀开裂。 应力腐蚀断裂，简称SCC，是指金属材料在固定拉应力和某种特定腐蚀介质中发生的脆性断裂。 所谓固定拉应力是指方向一定，大小可变的拉伸应力。应力腐蚀断裂危害极大，人们称为“灾难性腐蚀”。,3,不同情况引起的应力腐蚀断裂,1、由于弯曲残余应力引起的 该裂纹多为纵向形式,4,2、从点蚀底部产生的应力腐蚀裂纹,5,3、由腐蚀产物体积膨胀
2、应力引起的应力腐蚀裂纹,6,7,4、外在应力的存在导致应力开裂,8,1、产生应力腐蚀断裂必须同时具备三个基本条件，即敏感的金属材料，足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介质。,应力腐蚀断裂的特征,2、发生应力腐蚀断裂的主要是合金，几乎所有金属的合金在特定的环境中都有一定的应力腐蚀敏感性。例如，纯度达9999%的铜在含氨介质中不会腐蚀断裂，但含有004%磷或001%锑时，则发生开裂。,材料因素,力学因素,环境因素,SCC,9,3、特定的金属和合金只有在特定的腐蚀环境中才产生SCC。如表7-1所示这种特定的腐蚀介质在含量较少时也会造成应力腐蚀。,10,11,4、一般情况下，只有拉应力（张应力）才能引起应力
3、腐蚀断裂。拉应力愈大，断裂时间愈短。断裂所需应力，一般都低于材料的屈服强度。压应力不发生应力腐蚀，应力腐蚀裂纹走向宏观上与拉应力方向垂直。 5、应力腐蚀断裂是一种典型的滞后破坏，这种滞后破坏过程可分三个阶段：第一阶段为裂纹孕育期，这个阶段占断裂总时间的90%；第二阶段为裂纹扩展期；第三阶段为快速断裂期。整个断裂时间与材料、应力和环境有关，短的几分钟，长的达几年。腐蚀速率介于均匀腐蚀速率和单纯断裂速度之间。 6、应力腐蚀裂纹形态有三种：晶间型、穿晶型和混合型。 晶间型是指裂纹沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金等。,12,316L不锈钢应力腐蚀断口,氢致解理断口,穿晶脆性断裂组织图,沿晶脆
4、性断裂组织图,13,7、应力腐蚀断裂裂纹一般为树枝状结构，裂纹走向垂直于应力方向。,14,目前关于应力腐蚀断裂机理已达十几种，帕金斯于1964年提出“应力腐蚀谱”的观点，把各种SCC类型及其机理排列起来构成一个连续的谱，如下表所示。,应力腐蚀断裂的机理,15,根据应力腐蚀断裂的现代观念比较集中的有三种理论，即阳极溶解机理（阳极溶解起控制作用）、氢脆机理（阴极过程放出氢原子进入基体，导致材料脆断）、阳极溶解和氢脆共同作用的机理。 1、阳极溶解机理：应力腐蚀断裂主要是指金属材料在静拉应力与腐蚀介质共同作用下，由于裂纹尖端区阳极溶解过程控制引起脆断（APC-SCC）。属于这类机理的有低碳钢、铝合金和
5、铜合金的SCC。,16,溶液中的铜氨络离子Cu(NH3)n2+的存在是黄铜氨脆所必需条件，它是由于溶解在溶液中的氨气、氧气与铜反应生成的。Cu + nNH3 + 1/2 O2 + H2O Cu(NH3)n2+ + 2OH- 黄铜在成膜溶液中（含Cu2+和NH4+离子溶液，pH=6473中生成一层Cu2O膜） 主要是晶间断裂。 在成膜溶液中的沿晶界断裂机理：在铜合金表面存在Cu2O膜，韧性差；在应力作用下发生脆性破裂。 在不成膜溶液中（ pH=78112 时，铜合金处于活性溶解），在应力的作用引起露头的位错优先溶解，因而裂纹沿着位错密度最高的途径扩展。,（1）黄铜的SCC机理,17,18,（2）
6、滑移-溶解-断裂机理奥氏体不锈钢,该理论至少包括四个过程：表面膜的形成、应力作用下金属产生滑移引起表面膜的破裂、裸露金属的阳极溶解、裸露金属再钝化。 在应力作用下，位错沿着滑移面运动，在表面产生滑移台阶，表面膜产生局部破裂，露出活泼的“新鲜”金属。有膜和无膜金属及缺陷处形成钝化-活化微电池。 伴随阳极溶解产生阳极极化，使阳极周围钝化，在蚀坑即裂纹尖端周边重新生成钝化膜，随后在拉应力继续作用下，蚀坑底部即裂纹尖端处造成应力集中，而使钝化膜再次破裂，造成新的活性阳极区，如此反复，造成纵深穿晶的裂纹。,19,20,2、氢脆机理,认为：金属材料在拉应力 和腐蚀介质共同作用下，由于阴极还原反应产生的氢原
7、子扩散到裂纹尖端的金属内部引起并控制脆断。这种应力腐蚀称为氢脆型SCC（HE-SCC）。也称氢的滞后开裂。,21,应力来源：（1）工作应力：设备和部件在工作条件下所承受的外加载荷；（2）残余应力：金属材料在生产过程和加工过程中，在材料内部产生的应力。如冷轧、冷拔、冷弯、冷作、机械加工、焊接、热处理过程中产生的残余应力；（3）热应力：由于温度变化而引起的残余应力；（4）结构应力：由于设备、部件的安装与装配而引起的应力。外加应力愈大，材料断裂时间愈短。如图所示。,影响应力腐蚀断裂的因素1、应力,22,23,应力作用：（1）破坏钝化膜,24,应力作用：（2）加速Cl-和OH-的吸附溶解,25,（1）
8、特殊离子及其浓度的影响：氧浓度、氯化物浓度影响如图所示。,2、介质环境因素,26,（2）温度： 一般来说，温度升高，SCC容易发生，但温度过高，由于产生全面腐蚀，而抑制了应力腐蚀。,27,（3）溶液中pH值的影响：对不锈钢而言，pH值增加减缓了应力腐蚀。,28,（4）界面电位电位状况的影响：大量实验研究证明，SCC只有在一定的电位范围内才能发生。现发现合金的阳极极化曲线有三个易产生SCC的区域。这些区域都是过渡区。如图所示。,29,在不锈钢中加入Si、Co有利于提高抗SCC性能。但含有周期表第V类元素N、P、As、Sb、Bi有有害的。Mo 4%能提高抗SCC性能。 对钛合金，降低它的含氧量和A
9、l量，同时加入适量的Nb、Ta、V有利于提高抗SCC性能。 对黄铜，少量Fe、Sn、Mn、Si、Al、Cd、Pb可促进应力腐蚀。,3、合金成分的影响,30,1、降低和消除应力： 结构设计：降低设计应力，尽量避免或减少局部应力集中； 加工和装配：应尽量避免产生残余应力； 机械方法消除内应力，在受应力的合金表面进行喷丸、喷砂、锤敲等处理，使表面层处于压应力状态，以提高抗SCC性能。 2、控制环境 改善使用条件，除去危害性大的介质成分。如水中的氧和氯化物。 减少内外温差； 升高pH值； 采用添加适当的缓蚀剂或采用涂、镀层的办法控制环境； 采用阴、阳极电化学保护方法，避免进入三个SCC敏感的电位区。 3、改善材质较抗SCC性能的不锈钢：高镍奥氏体、高纯奥氏体钢、双相不锈钢；较抗SCC性能的铝合金：包铝LD10、包铝的LY12、LF21、ZL101；较抗SCC性能的钛合金：Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-2Al-4Mo-4Zr。,应力腐蚀断裂的控制措施,31,应力腐蚀试验及其评定,1模拟试验方法及设备,32,2、实验室常用的应力腐蚀试验介质,33,3、结果的评定,采用20倍的放大镜检查：裂纹引发所需时间、裂纹生长速度、断裂时间。 金相检验穿晶、沿晶和混合型应力腐蚀破裂。,
