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1、7 应力腐蚀与腐蚀疲劳应力腐蚀与腐蚀疲劳 现代设计与分析研究所现代设计与分析研究所何雪浤何雪浤1教学教资7 应力腐蚀与腐蚀疲劳应力腐蚀与腐蚀疲劳机器零件受腐机器零件受腐蚀介介质和静和静应力力联合作用而失合作用而失效的效的现象叫做象叫做应力腐力腐蚀破坏破坏；受腐受腐蚀介介质和交和交变应力力联合作用的失效合作用的失效则叫叫做做腐腐蚀疲疲劳破坏破坏；在在应力腐力腐蚀过程中，通常会同程中，通常会同时产生金属吸生金属吸氢而引起的脆性破坏，即所而引起的脆性破坏，即所谓氢脆脆现象。象。 2教学教资7 应力腐蚀与腐蚀疲劳应力腐蚀与腐蚀疲劳7.1 应力腐力腐蚀 7.2 氢脆脆 7.3 腐腐蚀疲疲劳 3教学教资7
2、.1 应力腐蚀应力腐蚀7.1.1 应力腐力腐蚀裂裂纹扩展的特征展的特征 7.1.2 应力腐力腐蚀开裂的开裂的测试方法方法 7.1.3 应力腐力腐蚀的机理的机理 7.1.4 防止防止应力腐力腐蚀的措施和安全的措施和安全设计 4教学教资7.1.1 应力腐蚀裂纹扩展的特征应力腐蚀裂纹扩展的特征在拉在拉应力作用下，金属零件在不同腐力作用下，金属零件在不同腐蚀介介质中中产生的生的应力腐力腐蚀开裂和开裂和扩展有以下共同的特征：展有以下共同的特征： （1）拉拉应力力是是产生生应力腐力腐蚀开裂的必要条件。开裂的必要条件。 （2）纯金属一般不金属一般不发生生应力腐力腐蚀。（3）仅在在一定的合金与介一定的合金与介
3、质系系统中才能中才能发生生应力腐力腐蚀现象。象。 （4）应力腐力腐蚀是一种是一种延延迟断裂断裂。（5）破坏一般是）破坏一般是脆性脆性的。的。 5教学教资产生应力腐蚀的敏感系统产生应力腐蚀的敏感系统 6教学教资7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法应力腐蚀开裂的测试方法持久加持久加载试验：在一定介：在一定介质中和不同中和不同应力下力下测定材定材料的滞后破坏料的滞后破坏时间来来评定材料的抗定材料的抗应力腐力腐蚀能力。能力。1. 采用光滑采用光滑试样（1）数据分散；）数据分散；（2）对某些材料可能会某些材料可能会给出出错误的判断的判断 ；（3）名）名义应力不反映裂力不反映裂纹扩展的展的驱动力，不便于工程
4、力，不便于工程应用。用。 7教学教资7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法应力腐蚀开裂的测试方法2. 采用采用预制裂制裂纹的的试样l在不同初始在不同初始应力力强度因子度因子KIi下，下，记录到的到的破坏破坏时间tf随随KIi的下降而大大增的下降而大大增长。 最大最大应力力强度因子度因子KImax和和门槛应力力强度因子度因子KIth（KIscc ）KImax与与KICKith ：当：当KIi Kith,可以可以认为不存在裂不存在裂纹扩展。展。给定滞后定滞后时间的条件的条件门槛值。l在在KIth和和KImax之之间的区域里，滞后破坏的区域里，滞后破坏时间tf一般是一般是由孕由孕育期育期tinc和和亚临
5、界裂界裂纹扩展期二者展期二者组成成。 l用用da/dt和和KI给出的出的裂裂纹扩展曲展曲线，在典型情况下由三个，在典型情况下由三个区域区域组成。成。8教学教资7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法应力腐蚀开裂的测试方法3. 两两类不同的不同的测试方法方法（1）恒恒载试验 这是一种是一种KI不断增大不断增大的的试验方法，常用方法，常用悬臂梁式弯臂梁式弯曲曲试验装置，采用装置，采用类似三点弯曲似三点弯曲试样。试样一端固一端固定，另一端与一力臂相定，另一端与一力臂相连，并由砝，并由砝码加加载。 （2）恒位移恒位移试验这是一种是一种KI不断减小不断减小的的试验方法，常用一种特殊方法，常用一种特殊结构的构的
6、紧凑拉伸凑拉伸试样，并通，并通过螺栓自身加螺栓自身加载。试验开开始始时，用螺栓，用螺栓产生一初始的裂生一初始的裂纹张开位移。当裂开位移。当裂纹扩展而位移保持恒定展而位移保持恒定时，负荷将自荷将自动下降，从而也下降，从而也使使K值降低，当降低，当K值下降到下降到KIth（KIscc）以下）以下时，裂，裂纹就会基本上停止就会基本上停止扩展。展。 9教学教资一种钛合金在一种钛合金在3.5%盐水中的破坏时间与盐水中的破坏时间与初始应力强度因子的关系初始应力强度因子的关系 最大应力强度因子最大应力强度因子门槛应力强度因子门槛应力强度因子10教学教资滞后断裂的示意图滞后断裂的示意图 孕育期：孕育期：裂纹产
7、生前的一段时间，主要裂纹产生前的一段时间，主要是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。 亚临界裂纹扩展速率亚临界裂纹扩展速率da/dt表征了材料的表征了材料的另一种应力腐蚀抗力。另一种应力腐蚀抗力。 11教学教资给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩展速率曲线展速率曲线 在在I区和区和区，扩展速率区，扩展速率da/dt与应力与应力强度因子有很强的关系，但在强度因子有很强的关系，但在区，区，实际上几乎没有关系（但仍受温度、实际上几乎没有关系（但仍受温度、压力和环境的影响）。压力和环境的影响）。 12教学教资恒载试验方法恒载试验方法 13教学教资恒
8、位移试验方法恒位移试验方法 14教学教资7.1.3 应力腐蚀的机理应力腐蚀的机理1钝化膜理化膜理论 l在在应力腐力腐蚀破坏破坏时，首先表，首先表现为钝化膜的破坏化膜的破坏 。破坏部分成破坏部分成为阳极；阳极；裂裂纹尖端尖端应力集中降低阳极力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。位，加速阳极溶解。l在在应力作用下表面力作用下表面钝化膜破坏化膜破坏是由于是由于临近裂近裂纹尖端尖端处容易容易产生局部塑生局部塑性性变形而形成滑移台形而形成滑移台阶所致。所致。 2闭塞塞电池理池理论 （1）在）在应力和腐力和腐蚀介介质的共同作用下，金属表面的缺陷的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微形成微蚀孔孔或裂或裂纹源。源。
9、（2）微）微蚀孔和裂孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和流和扩散，形成所散，形成所谓“闭塞区塞区”。 （3）在）在闭塞区，氧迅速耗尽，得不到塞区，氧迅速耗尽，得不到补充，最后只能充，最后只能进行阳极反行阳极反应。 （4）缝内金属离子水解内金属离子水解产生生H离子，使离子，使pH值下降，下降，为了了维持持电中性，中性，缝外的外的Cl-阴离子可移至阴离子可移至缝内，形成腐内，形成腐蚀性极性极强的的盐酸，使酸，使缝内腐内腐蚀以以自催化方式加速自催化方式加速进行。行。 15教学教资裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型
10、 16教学教资7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计 1防止措施防止措施（1）合理合理选择材料：材料：针对零件所受的零件所受的应力和使用条件力和使用条件选用耐用耐应力腐力腐蚀的金属材料。的金属材料。铜对氨的氨的应力腐力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的零件敏感性很高，因此，接触氨的零件应避免避免使用使用铜合金；合金；在高在高浓度度氯化物介化物介质中，一般可中，一般可选用不含用不含镍、铜或或仅含微量含微量镍、铜的低碳高的低碳高铬铁素体不素体不锈钢，或含硅，或含硅较高的高的铬镍不不锈钢，也可也可选用用镍基和基和铁镍基耐基耐蚀合金。合金。 17教学教资7.1.4 防止应力腐
11、蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计1防止措施防止措施（2）减少或消除零件中的残余拉减少或消除零件中的残余拉应力力 。设计上上应尽量减小零件上的尽量减小零件上的应力集中；力集中；工工艺上加上加热和冷却要均匀，必要和冷却要均匀，必要时采用退火工采用退火工艺以以消除消除应力；力；如能采用如能采用喷丸或其他表面丸或其他表面热处理方法，使零件表理方法，使零件表层产生一定的残余生一定的残余压应力力对防止防止应力腐力腐蚀是有效的。是有效的。 18教学教资7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计1防止措施防止措施（3）改善介改善介质条件条件 。减少和消除促减少和消除促进
12、应力腐力腐蚀开裂的有害化学离子，如通开裂的有害化学离子，如通过水水净化化处理，降低冷却水与蒸汽中的理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，离子含量，对预防奥氏体防奥氏体不不锈钢的的氯脆十分有效；脆十分有效；可以在腐可以在腐蚀介介质中添加中添加缓蚀剂，如在高温水中加入，如在高温水中加入30010-6的磷酸的磷酸盐，可使，可使铬镍奥氏体不奥氏体不锈钢抗抗应力腐力腐蚀性能大大提高。性能大大提高。 19教学教资7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计1防止措施防止措施（4）采用采用电化学保化学保护。 采用外加采用外加电位的方法，使金属在介位的方法，使金属在介质中的中的电位位远离
13、离应力腐力腐蚀敏感敏感电位区域，也是防止位区域，也是防止应力腐力腐蚀的一种的一种措施，一般采用阴极保措施，一般采用阴极保护法。法。不不过，对高高强度度钢和其他和其他氢脆敏感的材料不能采用脆敏感的材料不能采用这种保种保护法。法。 20教学教资7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计2构件的安全构件的安全设计长期在介期在介质中工作的零件存在裂中工作的零件存在裂纹时，可用断裂力，可用断裂力学方法学方法进行安全分析。行安全分析。以以给定材料的表面裂定材料的表面裂纹体体为例，可由例，可由查阅资料得到料得到的的应力力强度因子度因子KI表达式，分表达式，分别令令KI=KIscc和
14、和KI=KIc给出出两种两种临界状界状态的的a图。l当零件所承受的名当零件所承受的名义应力力为时，可在，可在图中作相中作相应水水平虚平虚线，分，分别得到在介得到在介质中中应力腐力腐蚀开裂和在空气中开裂和在空气中应力腐力腐蚀开裂的开裂的临界裂界裂纹尺寸。尺寸。 21教学教资由由4340钢的钢的KIscc和和KIc作出的作出的a曲线图曲线图 22教学教资7.2 氢脆氢脆 氢脆的定脆的定义l由由氢和和应力的力的联合作用而合作用而产生脆性断裂的生脆性断裂的现象象谓之之氢脆断裂，脆断裂，简称称氢脆脆。 氢脆脆发生的机理生的机理l原子原子氢在在结合成合成氢分子的分子的过程受阻，部分程受阻，部分氢原子会溶原
15、子会溶解到金属内部，解到金属内部，而当金属同而当金属同时受受应力作用力作用时，就可能，就可能通通过某种机制某种机制导致裂致裂纹产生和脆性生和脆性扩展。展。 影响影响氢脆脆发生的因素生的因素l氢原子溶入金属的数量、它的原子溶入金属的数量、它的扩散能力以及基体受力散能力以及基体受力的状的状态。23教学教资7.2 氢脆氢脆 原子原子氢进入金属基体的途径入金属基体的途径l应力腐力腐蚀中的阴极中的阴极过程。程。l冶冶炼、焊接、接、电镀、酸洗等其他、酸洗等其他过程中引入。程中引入。氢脆的分脆的分类l内部内部氢脆脆内部内部氢脆只涉及把晶格中脆只涉及把晶格中过饱和的和的氢原子通原子通过扩散散输送到裂送到裂纹前
16、端，使金属脆化；前端，使金属脆化； l环境境氢脆脆 环境境氢脆需要把脆需要把环境介境介质中的中的氢通通过物理吸附、化学吸附、物理吸附、化学吸附、氢分子分解、分子分解、氢原子溶解以及原子溶解以及氢在晶格中的在晶格中的扩散等全散等全过程，才能程，才能达到裂达到裂纹尖端。尖端。环境境氢脆随材料脆随材料强度的提高而愈加敏感。度的提高而愈加敏感。所以，高所以，高强度度钢，特，特别是超高是超高强度度钢尤其要注意它尤其要注意它对氢脆的敏感性。脆的敏感性。 24教学教资7.3 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 腐腐蚀疲疲劳是材料是材料在腐在腐蚀介介质中中承受交承受交变荷荷载所所产生的疲生的疲劳破坏破坏现象。象。从失效的意从失
17、效的意义上上说，腐，腐蚀疲疲劳和常和常规疲疲劳相仿，同相仿，同样有有工程裂工程裂纹萌生和裂萌生和裂纹扩展两展两类失效失效问题。所以，其疲。所以，其疲劳特性也有所特性也有所谓腐腐蚀疲疲劳和腐和腐蚀疲疲劳裂裂纹扩展两大展两大类。在交在交变应力和腐力和腐蚀介介质的共同作用下，裂的共同作用下，裂纹萌生要比在萌生要比在惰性介惰性介质中容易得多，所以材料腐中容易得多，所以材料腐蚀疲疲劳裂裂纹扩展特性展特性在整个腐在整个腐蚀疲疲劳特性中占有更重要的地位。特性中占有更重要的地位。 25教学教资7.3.1 腐蚀疲劳中的腐蚀疲劳中的S N曲线曲线 和常和常规疲疲劳类似，腐似，腐蚀疲疲劳特性通常也是用特性通常也是用
18、SN曲曲线表征表征的。的。l真空中真空中疲疲劳强度最高，度最高，这是因是因为真空中排除了水蒸汽真空中排除了水蒸汽和氧气的影响；和氧气的影响；l预浸腐浸腐蚀介介质是在是在试验表面形成表面形成蚀坑，起坑，起应力集中的力集中的作用。所以，作用。所以，预浸使疲浸使疲劳特性同缺口特性同缺口试样的疲的疲劳特性特性类似似；l腐腐蚀疲疲劳的的SN曲曲线最低最低，这是因是因为单纯腐腐蚀在在蚀坑坑和裂和裂纹尖端尖端处形成的保形成的保护性氧化膜，在交性氧化膜，在交变应力作用力作用下不断破裂，致使新裸表面不断受到腐下不断破裂，致使新裸表面不断受到腐蚀介介质的作用。的作用。 26教学教资7.3.1 腐蚀疲劳中的腐蚀疲劳
19、中的S N曲线曲线材料的腐材料的腐蚀疲疲劳特性除和介特性除和介质有关外，有关外，还和和材料成分、材料成分、常常规力学性能力学性能、试验频率以及抗率以及抗腐腐蚀能力有关。能力有关。 l钢的的强度愈高，其腐度愈高，其腐蚀疲疲劳的敏感性相的敏感性相对愈大。愈大。 l当当频率下降率下降时，腐，腐蚀过程会更充分地程会更充分地进行，行，则材料的腐材料的腐蚀疲疲劳强度度还要有所下降。要有所下降。 一般一般说来，任何改善材料抗腐来，任何改善材料抗腐蚀能力的措施能力的措施都都对提高腐提高腐蚀疲疲劳强度有利。度有利。 27教学教资在四种不同环境条件下的在四种不同环境条件下的S-N曲线曲线 28教学教资不同材料的抗
20、拉强度对淡水中的腐蚀疲劳强不同材料的抗拉强度对淡水中的腐蚀疲劳强度的影响度的影响淡水喷射、旋弯试验、淡水喷射、旋弯试验、24Hz 29教学教资7.3.2 腐蚀疲劳裂纹扩展腐蚀疲劳裂纹扩展 1腐腐蚀疲疲劳纹裂裂扩展的展的类型型 在各种高在各种高强度材料和介度材料和介质系系统的腐的腐蚀疲疲劳裂裂纹扩展展中，可以把裂中，可以把裂纹扩展速率展速率da/dN对应力力强度因子幅度因子幅K的关系的关系归纳为以下三以下三类：lA型：型：具有交具有交变载荷与腐荷与腐蚀环境相乘的效果。境相乘的效果。lB型：型：具有交具有交变载荷与腐荷与腐蚀环境叠加的效果。当境叠加的效果。当KIKIscc时，腐，腐蚀环境的影响很大
21、，境的影响很大，（da/dN）CF急急剧上升并出上升并出现水平台水平台阶。l工程上的大部分合金材料与工程上的大部分合金材料与环境的境的组合，一般合，一般认为是是A，B两型之两型之间的的C型型。 30教学教资7.3.2 腐蚀疲劳裂纹扩展腐蚀疲劳裂纹扩展2影响腐影响腐蚀疲疲劳裂裂纹扩展的主要因素展的主要因素 （1）加加载频率率：加：加载频率越低，率越低，da/dN越大，而越大，而且其影响随且其影响随频率降低而加率降低而加剧。 （2）平均平均应力力：无：无论是在惰性介是在惰性介质（干（干氩）中）中还是在水介是在水介质中，平均中，平均应力力对腐腐蚀疲疲劳裂裂纹扩展有加速作用。展有加速作用。 （3）材料
22、材料强度度 ：材料的：材料的s越高，（越高，（da/dN）CF也越高。但在腐也越高。但在腐蚀作用不明作用不明显的介的介质中，影响中，影响也不明也不明显。31教学教资腐蚀疲劳裂纹扩展曲线腐蚀疲劳裂纹扩展曲线 A型代表：铝合金和水溶液环境的组合B型代表：高强度钢与氢的组合C型：工程上大部分材料与环境的组合32教学教资加载频率对加载频率对12Ni5Cr3Mo钢钢在空气中在空气中和和3NaCl介质中介质中的的da/dN的影响的影响 33教学教资平均应力平均应力对对4340钢钢在干氩和水中在干氩和水中da/dN的影响的影响 34教学教资4340钢钢在在3盐水中盐水中的的da/dN 35教学教资7.3.3
23、 防止腐蚀疲劳的措施防止腐蚀疲劳的措施 减少腐减少腐蚀疲疲劳的主要方法是的主要方法是选择能在能在预定的定的环境中境中抗腐抗腐蚀的材料的材料。也可以通也可以通过各种表面各种表面处理理如如喷丸、氮化等工丸、氮化等工艺使表使表面残留面残留压应力。力。一般一般认为，阳极阳极镀层有益，阴极有益，阴极镀层有害。有害。如如镀锌、镉对钢的表面是阳极的表面是阳极镀层，可改善腐，可改善腐蚀疲疲劳抗力；抗力；但但镀铬、镍对钢的表面是阴极的表面是阴极镀层，使表面，使表面产生不生不利的拉利的拉应力，出力，出现发状裂状裂纹和和氢脆。脆。其他的表面保其他的表面保护，如涂漆、涂油或用塑料、陶瓷形，如涂漆、涂油或用塑料、陶瓷形成保成保护层，只要它在使用中不破坏，只要它在使用中不破坏，则对减少腐减少腐蚀疲疲劳都是有利的。都是有利的。36教学教资复习思考题复习思考题应力腐力腐蚀破坏通常是一种脆性破坏，破坏通常是一种脆性破坏，为什么。什么。 应力腐力腐蚀裂裂纹扩展曲展曲线（da/dtK）中的三）中的三个个阶段，各有何特点。段，各有何特点。 何何谓氢脆，脆，氢脆与脆与应力腐力腐蚀有何关系。有何关系。相相对于常于常规疲疲劳，腐，腐蚀疲疲劳有何特点。有何特点。37教学教资
