应力作用下的局部腐蚀PPT学习教案

1、会计学1应力作用下的局部腐蚀应力作用下的局部腐蚀2不同情况引起的应力腐蚀断裂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、由于弯曲残余应力引起的 该裂纹多为纵向形式该裂纹多为纵向形式第1页/共49页32、从点蚀底部产生的应力腐蚀裂纹、从点蚀底部产生的应力腐蚀裂纹 第2页/共49页43、由腐蚀产物体积膨胀应力引起的应力腐蚀裂纹、由腐蚀产物体积膨胀应力引起的应力腐蚀裂纹 第3页/共49页5第4页/共49页64、外在应力的存在导致应力开裂、外在应力的存在导致应力开裂第5页/共49页7 1、产生应力腐蚀断裂必须同时具备三个基本条件，即、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

2、，足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介质敏感的金属材料，足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介质。 2、发生应力腐蚀断裂的主要是合金，几乎所有金属的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，纯度达99 99%的铜在含氨介质中不会腐蚀断裂，但含的铜在含氨介质中不会腐蚀断裂，但含有有0 04%磷或磷或0 01%锑时，则发生开裂。锑时，则发生开裂。 材料因素材料因素力学因素力学因素环境因素环境因素SCC第6页/共49页8 3、特定的金属和合金只有在特定的腐蚀环境中才产生、特定的金属和合金只有在特定的腐蚀环境

3、中才产生SCC。如表。如表7-1所示这种特定的腐蚀介质在含量较少时也会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。造成应力腐蚀。第7页/共49页9第8页/共49页10 4、一般情况下，只有拉应力（张应力）才能引起应力腐蚀断裂、一般情况下，只有拉应力（张应力）才能引起应力腐蚀断裂。拉应力愈大，断裂时间愈短。断裂所需应力，一般都低于材料。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。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

4、程可、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；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。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。、应力腐蚀裂纹形态有三种：晶间型、穿晶型和混合型。 晶间晶间型是指裂纹

5、沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金等。型是指裂纹沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金等。第9页/共49页11氢致解理断口氢致解理断口穿晶脆性断裂组织图穿晶脆性断裂组织图沿晶脆性断裂组织图沿晶脆性断裂组织图第10页/共49页12 7、应力腐蚀断裂裂纹一般为树枝状结构，裂纹走向垂直、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。于应力方向。第11页/共49页13 目前关于应力腐蚀断裂机理已达十几种，帕金斯于目前关于应力腐蚀断裂机理已达十几种，帕金斯于1964年提出年提出“应力腐蚀谱应力腐蚀谱”的观点，把各种的观点，把各种SCC类型及类型及其机理排列起来构成一个连续的谱，如

6、下表所示。其机理排列起来构成一个连续的谱，如下表所示。 第12页/共49页14 根据应力腐蚀断裂的现代观念比较集中的有三种理论，即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。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、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拉应力与腐蚀介质共同作用下

7、，由于裂纹尖端区阳极溶解过程控制引起脆断（控制引起脆断（APC-SCC）。属于这类机理的有低碳钢、铝）。属于这类机理的有低碳钢、铝合金和铜合金的合金和铜合金的SCC。 第13页/共49页15 溶液中的铜氨络离子溶液中的铜氨络离子Cu(NH3)n2+的存在是的存在是 黄铜氨脆所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。生成的。Cu + nNH3 + 1/2 O2 + H2O Cu(NH3)n2+ + 2OH- 黄铜在成膜溶液中（含黄铜在成膜溶液中（含Cu2 +和和NH4+离子溶液，离子溶液，pH=6 47 3中生成一层中

8、生成一层Cu2O膜）膜） 主要是晶间断裂。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。膜，韧性差；在应力作用下发生脆性破裂。 在不成膜溶液中（在不成膜溶液中（ pH=7 811 2 时，铜合金处于活性溶时，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。沿着位错密度最高的途径扩展。第14页/共49页16第15页/共49页17 该理论至少包括四个过程：表面膜的形成、应力作用下该理论至少包括四

9、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、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。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，露出活泼的移台阶，表面膜产生局部破裂，露出活泼的“新鲜新鲜”金属金属。有膜和无膜金属及缺陷处形成钝化。有膜和无膜金属及缺陷处形成钝化-活化微电池。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坑即裂纹尖端

10、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。晶的裂纹。 第16页/共49页18第17页/共49页19 认为：金属材认为：金属材料在拉应力料在拉应力 和和腐蚀介质共同作腐蚀介质共同作用下，由于阴极用下，由于阴极还原反应产生的还原反应产生的氢原子扩散到裂氢原子扩散到裂纹尖端的金属内纹尖端的金属内部引起并控制脆部引起并控制脆断。这种应力腐断。这种应力腐蚀称为氢脆型蚀称为氢脆型SCC（HE-SCC）。

11、也称氢的滞）。也称氢的滞后开裂。后开裂。 第18页/共49页20应力来源：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）工作应力：设备和部件在工作条件下所承受的外加载荷；荷；（2）残余应力：金属材料在生产过程和加工过程中，在材）残余应力：金属材料在生产过程和加工过程中，在材料料内部产生的应力。如冷轧、冷拔、冷弯、冷作、机械加内部产生的应力。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；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；）热应力：由于温度变化而引起的残余应力；（4）结）结构应力：由于设备、部件的安装与装配而

12、引起的应构应力：由于设备、部件的安装与装配而引起的应力。力。外加应力愈大，材料断裂时间愈短。如图所示。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影响应力腐蚀断裂的因素1、应力、应力第19页/共49页21第20页/共49页22应力作用：（应力作用：（1）破坏钝化膜）破坏钝化膜第21页/共49页23应力作用：（应力作用：（2）加速）加速Cl-和和OH-的吸附溶解的吸附溶解第22页/共49页24 （1）特殊离子及其浓度的影响：氧浓度、氯化物浓）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。度影响如图所示。 第23页/共49页25（2）温度：）温度： 一般来说，温度升一

13、般来说，温度升高，高，SCC容易发生，容易发生，但温度过高，由于产但温度过高，由于产生全面腐蚀，而抑制生全面腐蚀，而抑制了应力腐蚀。了应力腐蚀。 第24页/共49页26（3）溶液中）溶液中pH值的影响：对不锈钢而言，值的影响：对不锈钢而言，pH值增加减缓值增加减缓了应力腐蚀。了应力腐蚀。 第25页/共49页27（4）界面电位电位状况的影响：大量实验研究证明，）界面电位电位状况的影响：大量实验研究证明，SCC只有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三个易产生SCC的区域。这些区域都是过渡区。如图所示。的区域。这

14、些区域都是过渡区。如图所示。 第26页/共49页28 在不锈钢中加入在不锈钢中加入Si、Co有有利于提高抗利于提高抗SCC性能。但含性能。但含有周期表第有周期表第V类元素类元素N、P、As、Sb、Bi有有害的。有有害的。Mo 4%能提高抗能提高抗SCC性能。性能。 对钛合金，降低它的含氧对钛合金，降低它的含氧量和量和Al量，同时加入适量的量，同时加入适量的Nb、Ta、V有利于提高抗有利于提高抗SCC性能。性能。 对黄铜，少量对黄铜，少量Fe、Sn、Mn、Si、Al、Cd、Pb可促可促进应力腐蚀。进应力腐蚀。 第27页/共49页29 1、降低和消除应力：、降低和消除应力： 结构设计：降低设计应力

15、，尽量避免或减少局部应力集中；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；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，以提高抗等处理，使表面层处于压应力状态，以提高抗SCC性能。性能。 2、控制环境、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。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；减少内外温差； 升高升高pH值；值； 采用添加适当的缓蚀剂或采用涂、镀

16、层的办法控制环境；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。敏感的电位区。 3、改善材质、改善材质较抗较抗SCC性能的不锈钢：高镍奥氏体、高纯奥氏体钢、双相不锈钢；性能的不锈钢：高镍奥氏体、高纯奥氏体钢、双相不锈钢；较抗较抗SCC性能的铝合金：包铝性能的铝合金：包铝LD10、包铝的、包铝的LY12、LF21、ZL101；较抗较抗SCC性能的钛合金：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应力腐蚀断裂的控制措施第28页/共49页3

17、01模拟试验方法及设备第29页/共49页312、实验室常用的应力腐蚀试验介质、实验室常用的应力腐蚀试验介质第30页/共49页323、结果的评定、结果的评定 采用采用20倍的放大镜检查：裂纹引发所需时间、裂纹生长速倍的放大镜检查：裂纹引发所需时间、裂纹生长速度、断裂时间。度、断裂时间。 金相检验穿晶、沿晶和混合型应力腐蚀破裂。金相检验穿晶、沿晶和混合型应力腐蚀破裂。 第31页/共49页33第32页/共49页34 氢损伤和应力腐蚀断裂在产生原因和机理上是有氢损伤和应力腐蚀断裂在产生原因和机理上是有区别的。区别的。 应力腐蚀裂纹的扩展是由于裂纹的阳极溶解，其应力腐蚀裂纹的扩展是由于裂纹的阳极溶解，其

18、阴极对裂纹的扩展并不产生直接的影响。阴极对裂纹的扩展并不产生直接的影响。 氢损伤是由于合金在阴极区吸收了阴极反应产物氢损伤是由于合金在阴极区吸收了阴极反应产物氢原子，诱导脆性而产生和扩展的。氢原子，诱导脆性而产生和扩展的。 第33页/共49页351、氢的来源氢的来源 内氢：冶炼、铸造、电镀、酸洗、焊接、阴极充氢等工艺内氢：冶炼、铸造、电镀、酸洗、焊接、阴极充氢等工艺过程中引入的。过程中引入的。 外氢：材料使用过程中，由外界环境引入的。外氢：材料使用过程中，由外界环境引入的。 1）H2吸附分解成原子氢。吸附分解成原子氢。 2）腐蚀析氢在金属表面分解成原子氢。）腐蚀析氢在金属表面分解成原子氢。 3

19、）含氢物质与金属表面发生反应放出氢。）含氢物质与金属表面发生反应放出氢。2、氢的存在形式、氢的存在形式 氢可以氢可以H-、H、H+、H2、金属氢化物、固溶体、碳氢化、金属氢化物、固溶体、碳氢化合物等形式存在于金属中，也可与位错结合形成气团而存在合物等形式存在于金属中，也可与位错结合形成气团而存在。 第34页/共49页363、氢的传输、氢的传输 氢在金属中是以点阵扩散、应力诱导扩散及氢的位错迁移氢在金属中是以点阵扩散、应力诱导扩散及氢的位错迁移等方式进行传输的。等方式进行传输的。点阵扩散：金属表面富集氢后与金属内部构成一定的浓点阵扩散：金属表面富集氢后与金属内部构成一定的浓度梯度，则氢会向金属内

20、部扩散。氢原子处在金属点阵度梯度，则氢会向金属内部扩散。氢原子处在金属点阵的间隙位置，从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的过的间隙位置，从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的过程就是氢的扩散。程就是氢的扩散。 (陷阱陷阱) 应力诱导扩散：氢在应力梯度作用下通过应力诱导扩散应力诱导扩散：氢在应力梯度作用下通过应力诱导扩散，将向高应力区聚集（，将向高应力区聚集（Corsky效应）。高应力区氢浓度效应）。高应力区氢浓度均超过整体的氢浓度。均超过整体的氢浓度。位错迁移：位错可捕获氢，因此影响氢的点阵扩散，当位错迁移：位错可捕获氢，因此影响氢的点阵扩散，当位错进行运动时，氢气团跟着位错一起运动。位错进行运动时

21、，氢气团跟着位错一起运动。第35页/共49页371、氢腐蚀机理（高温氢腐蚀）（氢腐蚀机理（高温氢腐蚀）（Hydrogen Corrosion） 氢腐蚀是指在高温氢腐蚀是指在高温200以上，高压条件下，氢进入金以上，高压条件下，氢进入金属，产生合金组分与氢化学反应生成氢化物等物质，导致属，产生合金组分与氢化学反应生成氢化物等物质，导致合金强度下降以至沿晶界开裂的现象，简称合金强度下降以至沿晶界开裂的现象，简称HC。 机理：机理：C+2H2 CH4 Fe3C+2H2 3Fe+CH4 或或4H + Fe3C 3Fe+CH4 反应生成的高压气体，在高压、高温、含氢条件下氢反应生成的高压气体，在高压、高

22、温、含氢条件下氢分子扩散到钢中，并生成甲烷，甲烷在钢中的扩散能力很分子扩散到钢中，并生成甲烷，甲烷在钢中的扩散能力很低，这样甲烷量不断增多，形成局部高压，造成应力集中低，这样甲烷量不断增多，形成局部高压，造成应力集中使该处发展为裂纹。（脱碳）使该处发展为裂纹。（脱碳）第36页/共49页38第37页/共49页39第38页/共49页402、氢鼓泡（、氢鼓泡（Hydrogen Blistering） 氢鼓泡是指过饱和的氢原子在缺陷位置（如夹杂、气孔氢鼓泡是指过饱和的氢原子在缺陷位置（如夹杂、气孔、微缝隙处）析出后，形成氢分子，在局部区域造成高氢、微缝隙处）析出后，形成氢分子，在局部区域造成高氢压（压

23、（106MPa），引起表面鼓泡或形成内部裂纹，使钢材撕），引起表面鼓泡或形成内部裂纹，使钢材撕裂开来的现象，称氢诱发开裂（裂开来的现象，称氢诱发开裂（HIC）或氢鼓泡（）或氢鼓泡（HB）。）。第39页/共49页413、氢化物脆裂、氢化物脆裂 （ Hydrogen Embrittlement） 氢化物脆裂脆（氢化物脆裂脆（HE）是指由于氢扩散到金属中以固溶态）是指由于氢扩散到金属中以固溶态（氢以（氢以H-、H、H+的形态，固溶于金属中）存在，或生成氢的形态，固溶于金属中）存在，或生成氢化物而导致材料断裂的现象。化物而导致材料断裂的现象。 特征：特征： 敏感性随温度的降低及样品有缺口而增加敏感性随

24、温度的降低及样品有缺口而增加 与形变速率关系密切与形变速率关系密切 氢化物的形态、分布对金属的塑性有明显的影响：薄片氢化物的形态、分布对金属的塑性有明显的影响：薄片状氢化物易产生较大的应力集中。状氢化物易产生较大的应力集中。 第40页/共49页42第41页/共49页43第42页/共49页441、氢含量影响氢含量影响 随着钢中氢浓度的增加，钢的临界应力下降，延伸率减小随着钢中氢浓度的增加，钢的临界应力下降，延伸率减小，对氢的敏感性增大。当氢气中含有杂质时，会抑制氢损伤，对氢的敏感性增大。当氢气中含有杂质时，会抑制氢损伤第43页/共49页452、温度的影响、温度的影响 氢脆一般发生在氢脆一般发生在-3030范围内。温度高于范围内。温度高于65，一般不，一般不产生氢脆。这是由于随着温度的升高，氢的扩散加快，钢中含产生氢脆。这是由于随着温度的升高，氢的扩散加快，钢中含氢量下降，不容易在裂纹尖端富集的缘故。氢量下降，不容易在裂纹尖端富集的缘故。第44页/共49