应力作用下的局部腐蚀ppt课件

1、5.5 应力作用下的部分腐蚀应力作用下的部分腐蚀 5.5.1 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 5.5.2 金属的氢脆和氢损伤金属的氢脆和氢损伤 5.5.3 腐蚀疲劳腐蚀疲劳5.5.1 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 Stress Corrosion Cracking 应力与化学介质协同作用下引起的金属开裂或断裂的景象，叫做金属应力腐蚀开裂。 应力腐蚀断裂，简称SCC，是指金属资料在固定拉应力和某种特定腐蚀介质中发生的脆性断裂。 所谓固定拉应力是指方向一定，大小可变的拉伸应力。应力腐蚀断裂危害极大，人们称为“灾难性腐蚀。 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、由于弯曲剩余应力引起的、由于弯

2、曲剩余应力引起的 该裂纹多为纵向方式该裂纹多为纵向方式2、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 3、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 4、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 1、产生应力腐蚀断裂必需同时具备三个根本条件，即敏感的金属资料，足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介质。 应力腐蚀断裂的特征应力腐蚀断裂的特征 2、发生应力腐蚀断裂的主要是合金，几乎一切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，纯度达9999%的铜在含氨介质中不会腐蚀断裂，但含有004%磷或001%锑时，那么发生开裂。 资料

3、要素资料要素力学要素力学要素环境要素环境要素SCC 3、特定的金属和合金只需在特定的腐蚀环境中才产生、特定的金属和合金只需在特定的腐蚀环境中才产生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呵斥应力腐蚀。呵斥应力腐蚀。 4、普通情况下，只需拉应力张应力才干引起应力腐蚀断裂。拉应力愈大，断裂时间愈短。断裂所需应力，普通都低于资料的屈服强度。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90%；第二阶段为裂纹扩展期

4、；第三阶段为快速断裂期。整个断裂时间与资料、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。 6、应力腐蚀裂纹形状有三种：晶间型、穿晶型和混合型。 晶间型是指裂纹沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金等。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 7、应力腐蚀断裂裂纹普通为树枝状构造，裂纹走向垂直、应力腐蚀断裂裂纹普通为树枝状构造，裂纹走向垂直于应力方向。于应力方向。 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“应力腐蚀谱的观念，把各种SCC类型及其机理陈列起来构成一个延续的谱，如

5、下表所示。 应力腐蚀断裂的机理应力腐蚀断裂的机理 根据应力腐蚀断裂的现代观念比较集中的有三种实际，即阳极溶解机理阳极溶解起控制造用、氢脆机理阴极过程放出氢原子进入基体，导致资料脆断、阳极溶解和氢脆共同作用的机理。 1、阳极溶解机理：应力腐蚀断裂主要是指金属资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控制引起脆断APC-SCC。属于这类机理的有低碳钢、铝合金和铜合金的SCC。 溶液中的铜氨络离子Cu(NH3)n2+的存在是黄铜氨脆所必需条件，它是由于溶解在溶液中的氨气、氧气与铜反响生成的。Cu + nNH3 + 1/2 O2 + H2O Cu(NH3)n2+ + 2OH- 黄铜

6、在成膜溶液中含Cu2+和NH4+离子溶液，pH=6473中生成一层Cu2O膜 主要是晶延续裂。 在成膜溶液中的沿晶界断裂机理：在铜合金外表存在Cu2O膜，韧性差；在应力作用下发生脆性破裂。 在不成膜溶液中 pH=78112 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，因此裂纹沿着位错密度最高的途径扩展。1黄铜的黄铜的SCC机理机理2滑移滑移-溶解溶解-断裂机理断裂机理奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 该实际至少包括四个过程：外表膜的构成、应力作用下金属产生滑移引起外表膜的破裂、裸露金属的阳极溶解、裸露金属再钝化。 在应力作用下，位错沿着滑移面运动，在外表产生滑移台阶，外表膜产生部分破裂

7、，显露活泼的“新颖金属。有膜和无膜金属及缺陷处构成钝化-活化微电池。 伴随阳极溶解产生阳极极化，使阳极周围钝化，在蚀坑即裂纹尖端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呵斥应力集中，而使钝化膜再次破裂，呵斥新的活性阳极区，如此反复，呵斥纵深穿晶的裂纹。 2、氢脆机理、氢脆机理 以为：金属资以为：金属资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，由于阴极复原反响产生的复原反响产生的氢原子分散到裂氢原子分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SCCHE-SCC。也称氢。

8、也称氢的滞后开裂。的滞后开裂。 应力来源：应力来源：1任务应力：设备和部件在任务条件下所接受的外加载任务应力：设备和部件在任务条件下所接受的外加载荷；荷；2剩余应力：金属资料在消费过程和加工过程中，在资剩余应力：金属资料在消费过程和加工过程中，在资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、热处置过程中产生的剩余应力；工、焊接、热处置过程中产生的剩余应力；3热应力：由于温度变化而引起的剩余应力；热应力：由于温度变化而引起的剩余应力；4构造应力：由于设备、部件的安装与装配而引起的应构造应力：由于设备、部件的安装与装配而引起的应力。

9、力。外加应力愈大，资料断裂时间愈短。如下图。外加应力愈大，资料断裂时间愈短。如下图。影呼应力腐蚀断裂的要素影呼应力腐蚀断裂的要素1、应力、应力应力作用：应力作用：1破坏钝化膜破坏钝化膜应力作用：应力作用：2加速加速Cl-和和OH-的吸附溶解的吸附溶解 1特殊离子及其浓度的影响：氧浓度、氯化物浓度影响如下图。 2、介质环境要素、介质环境要素2温度：温度： 普通来说，温度升普通来说，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。 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值添加减缓

10、值添加减缓了应力腐蚀。了应力腐蚀。 4界面电位电位情况的影响：大量实验研讨证明，界面电位电位情况的影响：大量实验研讨证明，SCC只需只需在一定的电位范围内才干发生。现发现合金的阳极极化曲线有在一定的电位范围内才干发生。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。如下图。的区域。这些区域都是过渡区。如下图。 在不锈钢中参与Si、Co有利于提高抗SCC性能。但含有周期表第V类元素N、P、As、Sb、Bi有有害的。Mo 4%能提高抗SCC性能。 对钛合金，降低它的含氧量和Al量，同时参与适量的Nb、Ta、V有利于提高抗SCC性能。 对黄铜，少量Fe、Sn、Mn、S

11、i、Al、Cd、Pb可促进应力腐蚀。 3、合金成分的影响、合金成分的影响 1、降低和消除应力： 构造设计：降低设计应力，尽量防止或减少部分应力集中； 加工和装配：应尽量防止产生剩余应力； 机械方法消除内应力，在受应力的合金外表进展喷丸、喷砂、锤敲等处置，使外表层处于压应力形状，以提高抗SCC性能。 2、控制环境 改善运用条件，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； 升高pH值； 采用添加适当的缓蚀剂或采用涂、镀层的方法控制环境； 采用阴、阳极电化学维护方法，防止进入三个SCC敏感的电位区。 3、改善材质较抗SCC性能的不锈钢：高镍奥氏体、高纯奥氏体钢、双相不锈钢；较抗SC

12、C性能的铝合金：包铝LD10、包铝的LY12、LF21、ZL101；较抗SCC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应力腐蚀实验及其评定应力腐蚀实验及其评定1模拟实验方法及设备2、实验室常用的应力腐蚀实验介质、实验室常用的应力腐蚀实验介质3、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。 5.5.2 氢损伤氢损伤 定义：定义：

13、氢与资料交互作用引起的资料力学氢与资料交互作用引起的资料力学性能性能 受损的景象。受损的景象。 景象：景象： 金属资料的韧性和塑性性能下降，金属资料的韧性和塑性性能下降，易使资料易使资料 开裂或脆断。开裂或脆断。 分类：氢腐蚀、氢鼓泡、氢裂。分类：氢腐蚀、氢鼓泡、氢裂。 氢损伤与应力腐蚀断裂的区别氢损伤与应力腐蚀断裂的区别 氢损伤和应力腐蚀断裂在产生缘由和机理上是有区别的。 应力腐蚀裂纹的扩展是由于裂纹的阳极溶解，其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响产物氢原子，诱导脆性而产生和扩展的。 1、氢的来源 内氢：冶炼、铸造、电镀、酸洗、焊接、阴极充氢等工艺过

14、程中引入的。 外氢：资料运用过程中，由外界环境引入的。 1H2吸附分解成原子氢。 2腐蚀析氢在金属外表分解成原子氢。 3含氢物质与金属外表发生反响放出氢。2、氢的存在方式 氢可以H-、H、H+、H2、金属氢化物、固溶体、碳氢化合物等方式存在于金属中，也可与位错结合构成气团而存在。 氢的来源、存在方式与传输氢的来源、存在方式与传输3、氢的传输、氢的传输 氢在金属中是以点阵分散、应力诱导分散及氢的位错迁移氢在金属中是以点阵分散、应力诱导分散及氢的位错迁移等方式进展传输的。等方式进展传输的。点阵分散：金属外表富集氢后与金属内部构成一定的浓度梯点阵分散：金属外表富集氢后与金属内部构成一定的浓度梯度，那

15、么氢会向金属内部分散。氢原子处在金属点阵的间度，那么氢会向金属内部分散。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程就是隙位置，从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的过程就是氢的分散。氢的分散。 (圈套圈套) 应力诱导分散：氢在应力梯度作用下经过应力诱导分散，将应力诱导分散：氢在应力梯度作用下经过应力诱导分散，将向高应力区聚集向高应力区聚集Corsky效应。高应力区氢浓度均超越效应。高应力区氢浓度均超越整体的氢浓度。整体的氢浓度。位错迁移：位错可捕获氢，因此影响氢的点阵分散，当位错位错迁移：位错可捕获氢，因此影响氢的点阵分散，当位错进展运动时，氢气团跟着位错一同运动。进展运

16、动时，氢气团跟着位错一同运动。1、氢腐蚀机理高温氢腐蚀Hydrogen Corrosion 氢腐蚀是指在高温200以上，高压条件下，氢进入金属，产生合金组分与氢化学反响生成氢化物等物质，导致合金强度下降以致沿晶界开裂的景象，简称HC。 机理：C+2H2 CH4 Fe3C+2H2 3Fe+CH4 或4H + Fe3C 3Fe+CH4 反响生成的高压气体，在高压、高温、含氢条件下氢分子分散到钢中，并生成甲烷，甲烷在钢中的分散才干很低，这样甲烷量不断增多，构成部分高压，呵斥应力集中使该处开展为裂纹。脱碳氢损伤类型及其机理氢损伤类型及其机理氢腐蚀过程氢腐蚀过程孕育期：晶界碳化物及其附近有大量亚微型充溢

17、甲烷的孕育期：晶界碳化物及其附近有大量亚微型充溢甲烷的 鼓泡形核。鼓泡形核。 力学性能和显微组织均无变化力学性能和显微组织均无变化迅速腐蚀期：小鼓泡长大并沿晶界构成裂纹。迅速腐蚀期：小鼓泡长大并沿晶界构成裂纹。 钢的体积膨胀，力学性能大大下降钢的体积膨胀，力学性能大大下降饱和期：裂纹相互衔接，内部脱碳直到碳耗尽。饱和期：裂纹相互衔接，内部脱碳直到碳耗尽。 体积不再膨胀体积不再膨胀氢腐蚀的影响要素氢腐蚀的影响要素 温度温度 氢分压氢分压 冷加工变形：加速腐蚀应变易集中在铁素体和碳化物界冷加工变形：加速腐蚀应变易集中在铁素体和碳化物界面上，在晶界构成高密度微孔，添加了组织和应力的不均面上，在晶界构

18、成高密度微孔，添加了组织和应力的不均匀性，添加气泡形核位置，并有利于裂纹的扩展。匀性，添加气泡形核位置，并有利于裂纹的扩展。 碳化物的球化处置：使界面能降低而有利于孕育期的延伸。碳化物的球化处置：使界面能降低而有利于孕育期的延伸。 稳定化元素稳定化元素2、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，构成氢分子，在部分区域呵斥高氢压微缝隙处析出后，构成氢分子，在部分区域呵斥高氢压106MPa，引起外表鼓泡或构成内部裂纹，使钢材撕裂，引起外表鼓泡或构成内部裂纹，使钢材撕裂开来的

19、景象，称氢诱发开裂开来的景象，称氢诱发开裂HIC或氢鼓泡或氢鼓泡HB。3、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是指由于氢分散到金属中以固溶态是指由于氢分散到金属中以固溶态氢以氢以H-、H、H+的形状，固溶于金属中存在，或生成的形状，固溶于金属中存在，或生成氢化物而导致资料断裂的景象。氢化物而导致资料断裂的景象。 特征：特征： 敏感性随温度的降低及样品有缺口而添加敏感性随温度的降低及样品有缺口而添加 与形变速率关系亲密与形变速率关系亲密 氢化物的形状、分布对金属的塑性有明显的影响：薄片氢化物的形状、分布对金属的塑性有明显的影响：薄片状

20、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。 应力诱导氢脆应力诱导氢脆 在加负荷之前并不存在断裂源，在加负荷之前并不存在断裂源，而是在应力作用下由于氢与应而是在应力作用下由于氢与应力的交互作用逐渐构成断裂源。力的交互作用逐渐构成断裂源。 含氢金属在缓慢的变形中逐渐含氢金属在缓慢的变形中逐渐构成裂纹源，裂纹扩展以致脆构成裂纹源，裂纹扩展以致脆裂。裂。 资料中的氢在应力梯度作用下资料中的氢在应力梯度作用下向高的三向拉应力处富集，当向高的三向拉应力处富集，当偏聚氢浓度到达临界值时，就偏聚氢浓度到达临界值时，就会在应力场的结协作用下导致会在应力场的结协作用下导致开裂。开裂。氢脆的特征氢脆

21、的特征 普通发生在普通发生在-100150的温度范围内，室温附近的温度范围内，室温附近(-30一一30)最敏感。最敏感。 形变速度越大，出现现氢脆的温度范围越窄，其塑性降低形变速度越大，出现现氢脆的温度范围越窄，其塑性降低愈越小。应变速率愈低，氢脆愈敏感。愈越小。应变速率愈低，氢脆愈敏感。 合金的脆性转变温度随合金中氢含量增高而升高。合金的脆性转变温度随合金中氢含量增高而升高。 可逆性氢脆普通对延伸率影响较小，而对断面收缩率影响可逆性氢脆普通对延伸率影响较小，而对断面收缩率影响较大。较大。 可逆性氢脆的裂纹扩展是不延续的，氢脆的裂纹源普通不可逆性氢脆的裂纹扩展是不延续的，氢脆的裂纹源普通不在外表，裂纹较少有分枝景象。在外表，裂纹较少有分枝景象。1、氢含量影响 随着钢中氢浓度的添加，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，会抑制氢损伤影响氢损伤的要素影响氢损伤的要素2、温度的影响、温度的影响 氢脆普通发生在氢脆普通发生在-3030范围内。温度高于范围内。温度高于65，普通不，普通不产生氢脆。这是由于随着温度的升高，氢的分散加快，钢中含产生氢脆。这是由于随着温度的升高，氢的分散加快，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