《金属的应力腐蚀断裂与腐蚀疲劳断裂》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属的应力腐蚀断裂与腐蚀疲劳断裂（36页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第八章第八章 金属的应力腐蚀断裂与腐蚀疲劳断裂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应力腐蚀断裂是指金属在某种特定环境（介质介质） 与相应水平的应力共同作用下发生的断裂；当仅有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此环境而无应力或应力水平太低，或者当仅有该水或者当仅有该水 平的应力而无该环境平的应力而无该环境（介质介质）均不致发生断裂均不致发生断裂。所所 谓特定的环境谓特定的环境，是指只有当介质的成分和浓度范围是指只有当介质的成分和浓度范围 适当适当，才能导致某种相应金属的应力腐蚀断裂才能导致某种相应金属的应力腐蚀断裂。 2
2、 应力腐蚀断裂是一种危险性很大的失效模式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这是由于它是完全脆性的，在裂纹缓慢伸展过程中在裂纹缓慢伸展过程中 不表现出任何其它的宏观症候不表现出任何其它的宏观症候，一旦达到瞬断截面一旦达到瞬断截面 立即快速断裂立即快速断裂，往往造成灾难性事故往往造成灾难性事故。另一方面是另一方面是 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系了解得还不够很清楚。 3 第一节第一节 有关金属腐蚀的几个基本概念有关金属腐蚀的几个基本概念 一一、金属腐蚀的分类金属腐蚀的分类 根据腐蚀环境不同根据腐
3、蚀环境不同，人们将腐蚀分为：化学介人们将腐蚀分为：化学介 质腐蚀质腐蚀、大气腐蚀大气腐蚀、海水腐蚀海水腐蚀、土壤腐蚀等土壤腐蚀等。根根 据腐蚀的理化机制又可分为物理腐蚀据腐蚀的理化机制又可分为物理腐蚀、化学腐蚀化学腐蚀 、电化学腐蚀电化学腐蚀。在工程中也常根据被腐蚀的外部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几何特征区分为全面腐蚀、局部腐蚀和集中腐蚀局部腐蚀和集中腐蚀 。 4 就腐蚀的理化机制分类而论就腐蚀的理化机制分类而论，物理腐蚀主要指金物理腐蚀主要指金 属在介质中被溶解属在介质中被溶解，例如例如CuCu被被ZnZn熔体腐蚀熔体腐蚀，铁被铜铁被铜 熔体溶解熔体溶解，铜被钎料溶
4、解铜被钎料溶解等等。这里这里，腐蚀的一腐蚀的一 级级（直接直接）产物主要是溶液而不是化合物产物主要是溶液而不是化合物。化学腐化学腐 蚀和电化腐蚀的直接生成物都是化合物蚀和电化腐蚀的直接生成物都是化合物。 5 二二、电化腐蚀原理电化腐蚀原理（腐蚀电池腐蚀电池） 当两块不同金属置于同一电解液中当两块不同金属置于同一电解液中，例如例如CuCu和和ZnZn同同 插入插入CuCu2 2SOSO4 4溶液中溶液中，由于由于ZnZn和和CuCu的电极电位不同的电极电位不同，就就 构成了一个电池构成了一个电池。此时若接通电池的外电路此时若接通电池的外电路，就有电就有电 流通过流通过。 这时：这时： ZnZnZ
5、nZn2 2+ + +2 2e e- - (传导传导) ) CuCuCuCu2 2+ + +2 2e e- - 阳极上（电池的负端）发生锌的溶解，阴极上（电池阳极上（电池的负端）发生锌的溶解，阴极上（电池 的正端）发生的正端）发生CuCu的沉积。的沉积。 6 阳极是氧化反应阳极是氧化反应。阴极上的反应是还原反应阴极上的反应是还原反应。 阴极上的还可能是阴极上的还可能是 H H+ +e+e- -HH2 2 ( (析氢 析氢) ) 氧的去极化反应氧的去极化反应: : O+2eO+2e- -OO2 2- - O O2 2- -+ +2 2H H+ +HH2 2O O 7 在实际腐蚀条件下在实际腐蚀条
6、件下，有各种各样大有各种各样大、小腐蚀电池小腐蚀电池。 （1 1）电偶腐蚀电池电偶腐蚀电池（异金属电池异金属电池） 镀锌与镀锡：对于镀锌铁镀锌与镀锡：对于镀锌铁，镀锌层破损处的腐蚀轻微镀锌层破损处的腐蚀轻微， 这是由于这是由于ZnZn作为阳极并发生钝化；对于镀锡铁作为阳极并发生钝化；对于镀锡铁，镀锡镀锡 层破损处的腐蚀严重层破损处的腐蚀严重，这是由于这是由于SnSn作为阴极作为阴极，FeFe作阳作阳 极而钝化膜不致密极而钝化膜不致密、不稳定所致不稳定所致。 （2 2）浓差电池浓差电池 一般氧浓度低的区域为阳极一般氧浓度低的区域为阳极。 （3 3）温差电池温差电池 一般高温端成为阳极一般高温端成
7、为阳极。 8 第二节第二节 应力腐蚀断裂机理应力腐蚀断裂机理 HEHE- -SCCSCC机理（氢脆型应力腐蚀）：机理（氢脆型应力腐蚀）： 9 APCAPC- -SCCSCC机理机理（活化通路型应力腐蚀活化通路型应力腐蚀） （一一）闭塞电池理论闭塞电池理论 10 （二二）应变产生活性应变产生活性 通道通道（SGAPSGAP） ( (三三) )预先存在活性预先存在活性 通道（通道（PEAPPEAP）理论）理论 11 第三节第三节 几种工程材料的常见应力腐蚀断裂机理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、碳钢、高强合金钢、不锈钢、铝及其合金、 钛及其合金钛及其合金等
8、各式各样的工程金属材料，都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。表至有的还是很不了解。表8 8- -2 2是一些金属和合金是一些金属和合金 的部分应力腐蚀环境。的部分应力腐蚀环境。 12 一、碳钢的应力腐蚀一、碳钢的应力腐蚀 早年的铆接蒸汽锅炉，为减缓铁的腐蚀在水中加早年的铆接蒸汽锅炉，为减缓铁的腐蚀在水中加 入入NaOHNaOH调制调制pHpH值。结果在铆缝中发生值。结果在铆缝中发生NaOHNaOH浓缩（渗浓缩
9、（渗 漏、蒸发所致）导致应力腐蚀而引起过爆炸，当时漏、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叫做碱脆。能导致碳钢碱脆的介质还包括KOHKOH、 LiOHLiOH及及K K2 2COCO3 3、铝酸钠等。、铝酸钠等。 碱脆是沿晶发展的。碱脆是沿晶发展的。 13 碳钢的另一应力腐蚀现象是硝脆。例如硝酸铵溶液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 盐溶液中比在盐溶液中比在NaOHNaOH溶液中更易发生应力腐蚀。不同的溶液中更易发生应力腐蚀。不同的 盐，其应力腐蚀
10、倾向不同，按排列，实际也是按盐，其应力腐蚀倾向不同，按排列，实际也是按pHpH由由 小到大排列。小到大排列。 碳钢或低合金钢的液氨容器碳钢或低合金钢的液氨容器( (储罐，运输槽车储罐，运输槽车) )可可 能发生应力腐蚀，其敏感温度为能发生应力腐蚀，其敏感温度为15153030，4040刚敏感性大降。微量的氧，大大促进该刚敏感性大降。微量的氧，大大促进该SCCSCC，故，故 在装液氨前必须排净空气而充。微量水在装液氨前必须排净空气而充。微量水( (达达0.2%0.2%以上以上) ) 可防止该种可防止该种SCCSCC。 14 碳钢还可能在其它许多酸环境中，在中、在碳钢还可能在其它许多酸环境中，在中
11、、在 高压的水溶液中、在高压的水溶液中、在HCNHCN的含水气体中发生应力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。少数腐蚀断裂。碳钢的应力腐蚀大多是沿晶的。少数 情况下情况下( (如如H H2 2S S、HCN)HCN)也可以出现穿晶断裂。材料也可以出现穿晶断裂。材料 的成分的成分( (合金元素合金元素) )、组织、组织( (热处理热处理) )、杂质、介质、杂质、介质 ( (环境成分，环境成分，pHpH、添加剂、添加剂) )均有较大影响。均有较大影响。 15 二、不锈钢的应力腐蚀二、不锈钢的应力腐蚀 在奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢在奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马
12、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，尤其对质都能引起应力腐蚀，尤其对 敏感，即氯脆。敏感，即氯脆。 对对 、 、NaOHNaOH、H H2 2S S也敏感。在核反应堆中发也敏感。在核反应堆中发 现高温高压水也能导致应力腐蚀，据认为与微量现高温高压水也能导致应力腐蚀，据认为与微量O O和和 有关。有关。 Cl Br F Cl 16 高
13、铬的铁素体不锈钢的应力腐蚀敏感性较奥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 法生产出低杂质法生产出低杂质( (主要是主要是O O、C C、N)N)的高铬钢，克的高铬钢，克 服了低温脆性。同时还注意到，此时的抗应力腐服了低温脆性。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。蚀能也更好，因而成为解决氯脆的一条途径。 1
14、7 奥氏体奥氏体铁素体双相不锈钢的抗应力腐蚀能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。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；其原因在于一方面铁素体耐应力腐蚀能力较强； 可能更主要的另一方面是铁素体相和奥氏相两者可能更主要的另一方面是铁素体相和奥氏相两者 相互成为另一相的应力腐蚀开裂通道的阻断物。相互成为另一相的应力腐蚀开裂通道的阻断物。 18 Crl3Crl3型马氏体不锈钢在溶液和硫化物溶液中型马氏体不锈钢在溶液和硫化物溶液中 都能发生应力腐蚀。都能发生应力腐蚀。410(1Crl3)410(1Crl3)和和4
15、31(2Crl6Ni2)431(2Crl6Ni2) 钢在核反应堆高温高压冷却水中也发生过应力腐钢在核反应堆高温高压冷却水中也发生过应力腐 蚀。炼油工业中也有类似断裂失效。蚀。炼油工业中也有类似断裂失效。 19 三、钛及其合金的应力腐蚀三、钛及其合金的应力腐蚀 钛和钛合金发生应力腐蚀的环境也很繁多，包钛和钛合金发生应力腐蚀的环境也很繁多，包 括含括含 ， ， 的水溶液，含的水溶液，含N N2 2O O4 4的发烟硝酸，的发烟硝酸， 海水，水乃至蒸馏水；海水，水乃至蒸馏水；H H2 2、BrBr2 2、ClCl2 2、HClHCl等气体，等气体， 甲醇蒸气及湿大气，甲醇蒸气及湿大气，250250以上的以上的MgMg、SrSr、CaCa、 BaBa、LiLi、NaNa，K K、CsCs等的氯化物。等的氯化物。 Cl I Br 20 纯钛和合金在盐水溶液中能耐应力腐蚀。钛和纯钛和合金在盐水溶液中能耐应力腐蚀。钛和 钛合金在甲醇蒸气中比浸在甲醇液体中更易发生应钛合金在甲醇蒸气中比浸在甲醇液体中更易发生应 力腐蚀。且当试样在无应力状态下置于甲醇蒸气或力腐蚀。且当试样在无应力状态下置于甲醇蒸气或 液体中一段时间再在空气中拉断，也表现出同液体中一段时间再在空气中拉断，也表现出同SCCSCC 相似的穿晶脆断。经时效处理可以消除这种脆性。相
