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1、第六章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂Chapter 6 Stress Corrosion and Hydrogen Embrittlement ofMetals第一节概述(Brief introduction)1、定义(Definition)在应力和环境介质的共同作用下，金属构件产生破坏行为按其受 力情况与破坏方式的不同可分为以下三种基本类型。应力腐蚀金属构件在静态或准静态拉应力和环境介质的共 同作用下，经过一定的时间后而产生的低应力脆断称为应力腐蚀(SCC)；(包括低碳钢的碱脆、低碳钢的硝脆、奥氏体不锈钢的氯脆 和低合金高强度钢的氢脆等)腐蚀疲劳金属构件在交变应力和环境介质的共同作用下，经 过一
2、定的时间后而产生的断裂称为腐蚀疲劳；腐蚀磨损金属构件在环境介质作用下还受机械摩擦，或者由 于腐蚀介质的直接冲刷等引起表面磨损的现象腐蚀磨损。由于金属的应力腐蚀现象更为普遍，并且其破坏原理更为复杂， 氢脆也是极为重要的一种破坏方式，因此本章重点以应力腐蚀和氢脆 为主。同时由于这类腐蚀大多为低应力脆断，因此具有很多的危险性， 同时随着航空、原子能、石油化工等工业的迅速发展，这类腐蚀越来 越多，因此有必要进行研究。第二节应力腐蚀(Stress corrosion)(一) 应力腐蚀现象及其产生条件(Stress corrosion phenomenon and engendering conditio
3、n)应力和环境综合作用的结果，其效果不是两者的简单迭加。绝大 多数金属材料在一定介质下都有应力腐蚀倾向。如：1) 低碳及低合金钢的碱脆与硝脆；2) 奥氏体不绣钢的氯脆；3) 铜合金的氨脆；4) 高强度铝合金在空气、蒸馏水中的脆断；5) 低合金高强度钢及不锈钢的氢脆等。可见产生应力腐蚀的条件是：应力、介质及合金的材料(纯金属不会产生应力腐蚀)。(二)应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征Fracture mechanism and morphology of stress corrosion)1、断裂机理( Fracture mechanism)目前断裂机理有多种理论，至今尚未得到统一，但主要以阳极溶
4、解为基础的钝化膜破坏理论为主。其加速破坏的大致过程为：拉应力引起钝化膜局部区域破坏并，造成裂纹尖端应力集中，致使阳 极电位降低，因而阳极溶解加速，钝化膜不能修复，断裂寿命下降。2、断口形貌( Fracture morphology)应力腐蚀断口的宏观形貌与疲劳断口的形貌颇为相似，也有亚稳扩展区或最后瞬断区，并拌有腐蚀产物（呈灰黑色或黑色）断口宏观形貌一般为沿晶断裂，也有穿晶断裂（见图 6-1），表面有泥状花样的腐蚀产物及腐蚀坑（见图 6-2）；微观裂纹扩展以一条主裂纹为主的分叉状，即呈枯树枝状（见图6-3）。滑移带三)应力腐蚀推指标(Property quota o:osion)6-3.-)通
5、常用光滑试样在一定拉应力和特定介质共同作用下，依据断裂 时间来评定材料的拉应力腐蚀的性能。通常用一组试样，在不同应力水平下，测量断裂时间tf,然后作如图6-4的曲线。k 1 _1To1 hP以h)图6-4应力腐蚀的tf曲线从上曲线上可以得到材料不发生应力腐蚀的临界应加，但由 scc 于是光滑试样的，断裂时间的 90%约为裂纹形成时间，而实际工件中 一般均存在着裂纹，因此光滑试样的不能客观反映带裂纹工件的抗腐 蚀性能。为此根据断裂力学原理，我们采用应力腐蚀临界应力场强度 因子K1SCC和应力腐蚀裂度扩展速率da/dt来评价带裂纹工件的抗腐 蚀能力。测定K的方法有恒载荷法和恒位移法两种。1 B l
6、x lx图6-5带裂纹钛合金的叫一tf曲线从图6-5曲线上可以得出Kiscco一般 K1SCCKIC(四)防止措施(Protection measures) 1）合理选材（即针对某一介质选择耐该介质腐蚀的材料）； 2）减少材料的残拉应力；3）改善介质（一方面设法减少有害介质浓度，另一方面添加缓冲剂）4）采用化学保护。6-3 脆（Hydrogen Embrittlement（一）定义（Definition）由氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象称 为氢脆断裂（简称氢脆）.我过著名学者李薰，在1936分析飞机机身断裂时首次提出这类 断裂，从而出名。（二）氢在金属中的存在形式（Form
7、s of hydrogen existing in the metals）1、金属中的氢可分为“内含”（加工过程中吸收的氢）和“外来”（构 件在服役时环境中吸收的氢）两种。2、氢在金属中的存在形式有：1）质子氢（间隙原子）2）分子氢（在气泡、空洞、裂纹等处）3）氢化物（即金属氢化物）4）氢气体化合物（如甲烷）（三）氢脆的类型及其特征（Types and characteristic of hydrogen embrittlement）在任何情况下，氢对金属性能的影响都是有害的，由于氢的存在 形式不同，氢脆的类型也不同，下面是主要几种形式典型的氢脆类型 及其特征：1、氢蚀（氢与金属中第二相生成高
8、压气体，女如ch4，使晶界结合力下降，从而产生金属脆化）。断口宏观形貌，沿晶断裂；2、 白点（发裂）（在某缺陷处 H2 压力大到使局部开裂，形成近园 状裂纹，且呈银白色，故称为白点）；3、氢化物致脆（对于IVB或VB过度金属如Ti、Zr、Nb等，由 于与 H 的结合力较大，易形成氢化物而产生氢脆）；4、氢致延滞断裂（高强度钢或a + P钛合金中在氢介质中及应力（CQ）下，经一定孕育期后所发生的脆性断裂）。断口形貌与S 一般脆性断口形貌类似。（四）钢的氢致延滞断裂机理及其与应力腐蚀的关系 高强度钢对氢致延滞断裂非常敏感，其断裂过程也可分为三个阶段，即孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶段和裂纹失稳扩展阶段等
9、。钢表面的原子氢只有进入aFe晶格并偏聚到一定的浓度后才能 形成裂纹，该阶段（包括原子氢进入钢中、在钢中迁移及偏聚）即为 孕育阶段。关于氢致延滞断裂的机理，目前有多种，但氢与位错的交互作用 机理为主一种。具体解释见P.15615 &（五）钢的氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系 应力腐蚀与氢致延滞断裂都是由于应力和化学介质的共同作用而产生的氢致延滞断裂现象，两者关系十分密切。图 6-6 为两种断 裂的电化学原理示意图。图 6-6 应力腐蚀与氢致延滞断裂的电化学原理示意图a）,c）应力腐蚀；b）,d）图6-6氢致延滞断裂从上图可见，产生应力腐蚀时总是伴随有氢的析出，析出的氢又 易于形成氢致延滞断裂，两者
10、的区别在于应力腐蚀为阳极溶解过程， 形成所谓阳极活性通道而使金属开裂；而氢致延滞断裂则为阴极吸氢 过程。判别方法为极化法，即当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹的 时间则为应力腐蚀，当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间则为氢 致延滞断裂。（ 六 ） 防 止 氢 脆 的 措 施 （ Measures of protecting hydrogen embrittlement）1、环境因素（切断氢进入金属中的途径或降低金属中的氢含量）2、力学因素（减少残余拉应力，增大表面残余压应力）3、材质因素（降低C、S、P等含量，细化晶粒以及降低钢的强度等均有提高抗氢脆的能力）。作业：(P159) 1 (1) (5) ； 2 (1)、(2)、(4) ； 5； 7； 8。
