应力腐蚀开裂(SCC)课件

1、应力腐蚀开裂（scc） 大家好，前面我们学习了全面腐 蚀、电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、 晶间腐蚀和选择性腐蚀。这些都 是不考虑外力的情况下金属的腐 蚀形态。 全面腐蚀 贵金属次贵金属 电偶腐蚀孔蚀 缝隙腐蚀 晶间腐蚀选择性腐蚀 层状 塞状 实际上，在各种环境中服役的金 属材料，除了受腐蚀介质的作用 外，同时还受到各种应力作用， 这样将导致更为严重的腐蚀破坏。 主要的形式有应力腐蚀开裂、腐 蚀疲劳、氢致开裂、 磨损腐蚀 等。今天这节课给大家介绍一下 应力腐蚀开裂的特征、机理以及 预防措施。 ff 腐蚀介质 金属 我们首先来看一下应力腐蚀开裂 的定义：它指的是受一定拉伸应 力作用的金属材料在特定的介

2、质 中，由于腐蚀介质和应力的协同 作用而发生的脆性断裂现象，简 称scc。 这种现象尤其容易发生在热交换 器、冷却器、蒸汽发生器、送风 机等设备上，像锅炉璧、埋地管 道等，涉及所有重要的经济领域。 锅炉壁埋地管道 由于是脆性断裂，所以往往会带 来灾难性的后果，如美国的“银 桥”由于长期在含有较高浓度的 硫化氢和二氧化硫的空气中服役 而突然断裂，造成46人丧生和 巨大的经济损失。 h2s so2 银桥silver bridge scc的危害巨大，不容忽视，人们 通过多年的案例和实验研究，总结 出，诱发scc需同时具备这三个条 件： (1) 敏感的金属材料； (2) 特定的腐蚀介质； (3) 足够

3、大的拉伸应。 首先来看一下特定材料。几乎所有 的金属在特定的介质中都有一定的 scc敏感性；合金和含有杂质的金 属比纯金属更容易产生scc。如纯 度99.99%的cu在含氨介质中不会 发生腐蚀断裂，但含有0.04%的p和 0.01%的铅时则发生开裂。 其次，特定介质。金属只对某些特 定的介质敏感，并不是任何介质都 能引起scc。严重的全面腐蚀环境 中难以发生scc，而看似惰性的环 境中，只需很少量的特定介质就足 以产生scc，比如高纯水中百万分 之几的氯离子就会造成奥氏体不锈 钢scc。 这个表格总结了常用合金发生 scc的特定介质，是需要我们 特别注意的。 拉伸力。发生scc必须有一定拉 伸

4、应力，它可能是工作应力，或 在生产、安装过程中，材料内部 形成的热应力、形变应力等残余 应力，以及裂纹内腐蚀产物的体 积效应造成的楔入作用、阴极反 应形成的氢产生的应力等。 如管道焊缝处往往存在内应力， 必须采取措施消除。 焊接应力检测 总之，对于特定的材料：不存在特定的材料：不存在 应力时，单纯的腐蚀作用不会发应力时，单纯的腐蚀作用不会发 生应力腐蚀；生应力腐蚀； 不存在腐蚀时，单纯的应力作用不存在腐蚀时，单纯的应力作用 也不会发生应力腐蚀也不会发生应力腐蚀 除了上述必要条件，scc有一些 特点，也是十分值得注意的。首 先，它是一种滞后破坏。裂纹的 孕育期占整个时间的90左右； 在经历扩展期

5、后，达到临界尺寸， 由纯力学作用而失稳，瞬间断裂。 材料 一定时间 腐蚀介质 拉应力 整个时间与材料、介质、应力有 关， 短则几分钟，长可达若干 年。 应力降低，断裂时间延长； 应力低于临界应力th时，甚至 不发生scc。 安全区 其次，scc裂纹也有一定的特点， 它们起源于表面；一般呈树枝状， 长宽尺寸相差几个数量级；扩展方 向一般垂直于主拉伸应力的方向； 有晶间型、穿晶型和混合型。晶间 型的有软钢、铝合金、铜合金等； 穿晶型的有奥氏体不锈钢、镁合金； 混合型的有钛合金等。 f f 混合型 scc裂纹的扩展速率一般为10- 6-10-3mm/min，比均匀腐蚀快 约百万倍，但又仅为纯机械断裂

6、 速度的十亿分之一。在整个过程 中，扩展速率并不是一成不变的。 这是scc裂纹扩展速率与应力场 强度因子间的关系图，一般分为 三个区：第一区，裂纹扩展速率 较低，受强度因子控制，力学因 素起主要作用； kiscc lg(da/dt) iiiiii ki kic 第二区，速率稳定，与强度因子 无关，由材料与环境的交互作用 控制；第三区，裂纹接近临界尺 寸，迅速扩展断裂，此时力学因 素又起主要作用。 kiscc lg(da/dt) iiiiii ki kic 另外，scc属于低应力脆断，断 裂前没有明显的宏观塑性变形， 微观上为解理、准解理或沿晶断 裂，往往有二次裂纹和腐蚀坑。 这是一个解理断裂断

7、口，可以看 到大量的解理台阶。 二次裂纹解理断口 这是一个沿晶断裂的案例，利用 光学显微镜即可观察到裂纹的扩 展路径。有点蚀坑形成时，应力 的作用下，从点蚀坑底更容易诱 发scc裂纹，这些都是典型的低 应力脆断。 点蚀坑 沿晶断裂 了解了scc的条件和特点后，我们 来看一下scc的机理，其中，阳极 溶解机理广为接受。模型是这样的， 合金在应力和腐蚀的联合作用下， 钝化膜的局部破裂处产生了微裂纹， 合金的整个表面为阴极区，裂纹的 侧面尤其是尖端为阳极区，形成了 大阴极小阳极的腐蚀电池，裂纹尖 端应力集中，发生变形至屈服，加 速阳极溶解，促使裂纹扩展至破裂。 拉应力 拉应力 腐 蚀 介 质 金 属

8、 基 体 阴极c 阴极c 腐蚀介质 静态阳极a （稳定阳极） a*区，裂纹尖端，腐蚀电流密度0.5a/cm2 a 钝 化 膜 屈服阳极a* （动力阳极） a区，裂纹两侧，腐蚀电流密度10-5a/cm2 a* 我画的很简陋，请进行美化，谢谢！ 阴极保护可以防止和抑制应力腐 蚀破裂，是对此理论的证明，所 以其接受度较高。 但，有的时候，应力腐蚀的特征很 难用纯粹的电化学理论解释，因此， 人们又提出了氢致开裂机理。模型 是这样的，随腐蚀的进行，裂纹的 根部或蚀坑的底部具有高酸度和低 电位，满足放氢条件，氢扩散到正 在扩展的裂纹边缘，并在该处形成 高度活化的氢化物或应变固溶体， 使该处合金脆化，更有利

9、于裂纹扩 展导致破裂。 拉应力 腐蚀介质 钝化膜 cl-离子使钝化膜发生破坏，产生孔蚀 在裂纹中，发生阳极反应 2cr+3h2ocr2o3+6h+6e h+ 在裂纹中，氢离子被还原 2h+2eh2 氢扩散至裂纹尖端 形成氢化物或固溶体等脆性相 成为裂纹扩展敏感途径 钝化膜上阴极反应： 2h2o+2eh2+2oh- 1/2h2o+2e2oh- 上述分析说明，应力腐蚀开裂十 分危险，在了解了其原因和机理 后，我们来看一下相应的预防措 施。 首先要合理选择金属材料，根据 具体使用环境，尽量避免使用对 scc敏感的材料，这是基本原则。 如，铜对氨的应力腐蚀敏感性很 高，因此，接触氨的机件就应避 免使用

10、各种铜合金。 其次，消除应力。改进结构设计， 减小应力集中，在部件的加工和 装配过程中尽量避免产生较大的 残余应力，并通过热处理等方法 消除残余应力。如重要承力杆件 的去应力退火，不锈钢弯管抛丸 预加压应力等。 喷丸 第三、使用涂层。可使用有机涂层 将材料表面与环境分开，或使用对 环境不敏感的金属作为敏感材料的 镀层。如聚四氟乙烯通常被用作高 温高压不锈钢反应罐的内衬，能起 到很好的保护作用；在钛罐内壁上 镀一层钽可以克服推进剂中氧分子 引起的应力腐蚀。 第四、改善化学介质。可以在腐 蚀介质中加入缓蚀剂，促进成膜、 阻止氢或有害物质的吸附等，影 响电化学反应动力学而起到缓蚀 作用。 如，在高温纯水中加入300ppm 的磷酸盐，能使奥氏体不锈钢的 应力腐蚀性能大为提高。油田管 道服役于高硫酸性环境中，加入 缓蚀剂后可有效抑制应力腐蚀。 视频报道： http:/ 第五、采用电化学保护。如图所 示，应力腐蚀开裂发生在活化到 钝化和钝化到过钝化电位区间， 可以通过控制电位防止scc的发 生。 一般采用阴极保护法，如地下管 道施工时，常常采