第6章 材料在环境介质作用
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材料失效分析(第六章-腐蚀环境)
39
微观形貌：
冰糖状，晶界局部熔化出现孔洞，晶界面变宽，内 有氧化物，晶粒失去棱边变成表面圆滑的颗粒
2214铝合金的过烧断口
40
3、过烧断裂机理
在高温加热过程中，合金元素或夹杂物（P、S、Si、 Mn等）向晶界偏聚改变了晶界成分，使其熔点降低
温度继续升高，首先在三叉晶界处熔化，然后沿晶
界扩展，晶界的熔化孔洞相连形成熔化块，受外力 作用时沿晶界断开。
2
§1、应力腐蚀断裂
一、引言 1、定义 由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。 2、共同特征 ◆只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残
余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应力都
很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。 ◆要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐 蚀介质一般都是特定的（选择性）。 ◆一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。
25
§3
一、引言 1、定义
蠕变断裂
蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使 σ＜σ0.2 ，也会缓慢地产生塑性变形的现象
蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断
2、发生条件 0K—Tm范围内都会产生蠕变，但只有高于0.3Tm时才较 显著
26
3、蠕变曲线
典型的蠕变曲线
27
二、断裂过程
石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重
微观形貌：典型的延性沿晶断口
38
过烧断口
1、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。 过烧钢的显微组织特点： 晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及 魏氏组织
2、断口形貌
宏观形貌：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗 严重过烧出现豆腐渣状断口 铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界 熔化成网络状熔化节
微观形貌：
冰糖状，晶界局部熔化出现孔洞，晶界面变宽，内 有氧化物，晶粒失去棱边变成表面圆滑的颗粒
2214铝合金的过烧断口
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3、过烧断裂机理
在高温加热过程中，合金元素或夹杂物（P、S、Si、 Mn等）向晶界偏聚改变了晶界成分，使其熔点降低
温度继续升高，首先在三叉晶界处熔化，然后沿晶
界扩展，晶界的熔化孔洞相连形成熔化块，受外力 作用时沿晶界断开。
2
§1、应力腐蚀断裂
一、引言 1、定义 由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。 2、共同特征 ◆只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残
余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应力都
很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。 ◆要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐 蚀介质一般都是特定的（选择性）。 ◆一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。
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§3
一、引言 1、定义
蠕变断裂
蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使 σ＜σ0.2 ，也会缓慢地产生塑性变形的现象
蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断
2、发生条件 0K—Tm范围内都会产生蠕变，但只有高于0.3Tm时才较 显著
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3、蠕变曲线
典型的蠕变曲线
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二、断裂过程
石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重
微观形貌：典型的延性沿晶断口
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过烧断口
1、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。 过烧钢的显微组织特点： 晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及 魏氏组织
2、断口形貌
宏观形貌：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗 严重过烧出现豆腐渣状断口 铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界 熔化成网络状熔化节
飞机的一般防腐
一二章1.说明腐蚀的定义。
2. 说明金属腐蚀的定义。
3. 说明电化学腐蚀的定义。
4. 腐蚀的分类方法。
5.说明在制定飞机的具体检查和腐蚀防护的周期时应予考虑的总体环境因素。
6. 简述腐蚀防护的基本途径。
1.腐蚀的定义：腐蚀是材料受环境介质的化学、电化学和物理作用产生的损坏或变质现象。
2.金属腐蚀的定义：金属材料在周围环境介质的作用下发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质。
3.金属和电解质接触时，由于腐蚀电池作用而引起的金属腐蚀现象称为电化学腐蚀。
4.第一，依据腐蚀环境分类：（1）干燥气体腐蚀；（2）潮湿环境腐蚀；（3）非电解液中的腐蚀等。
第二，依据腐蚀机理分类：（1）化学腐蚀；（2）电化学腐蚀。
第三，依据腐蚀形态分类：（1）全面腐蚀；（2）局部腐蚀；（3）应力作用下的腐蚀等。
第四，依据腐蚀材料的特性和种类分类：（1）金属材料的腐蚀；（2）无机非金属材料的腐蚀；（3）有机材料的腐蚀；（4）复合材料的腐蚀等。
第五，依据应用范围和工业部门分类，实际上是按环境分类：（1）自然环境腐蚀；（2）工业环境腐蚀。
5.1.飞机在高速飞行中遭到的恶劣气候条件。
2.盐雾(或盐水)。
3工业污染4.大气相对湿度4.大气相对湿度6. 飞行高度7.航程8跑道情况.9. 燃料、液压油、冷却剂、密封剂以及油类氧化产物和燃烧产物10.蓄电池液、材料经化学处理后没有及时清洗干净的残留酸或碱、厨房和厕所的泼溅物以及运载的液体溢出物、体汗、呼吸的排出物等11.非金属材料(含油漆)挥发出的气氛6.腐蚀防护的基本途径（1）提高材料本身的抗蚀性材料的热力学稳定性；控制腐蚀动力学。
（2）改变环境介质温度与流速，介质中O2 、SO2含量，改变溶液pH值，改变应力状态，加入缓蚀剂等。
（3）电化学保护阴极极化降低氧化反应速度；阳极钝化防腐。
（4）采用涂镀层和表面改性化学转化膜、金属涂镀层、非金属涂层、改变材料表面结构。
（5）将材料与腐蚀介质隔开采用衬里、防锈油、防锈纸等。
腐蚀问题
钢铁在含SO2的工业大气中腐蚀比在洁净的大气中腐蚀严重，解释其原因。 ①认为部分SO2在空气中能直接氧化成SO3，SO3溶于水后形成H2SO4。 ②认为有一部分SO2吸附在金属表面上，与Fe作用生成易溶的硫酸亚铁， FeSO4进一步氧化，并由于强烈的水解作用生成了H2SO4，H2SO4再与铁作用， 按这种循环方式加速腐蚀。
5. 简述提高合金抗氧化的可能途径
（1）减少基体氧化膜中晶格缺陷的浓度 （2）生成具有保护性的稳定新相（尖晶石型化合物：FeCr2O4、NiCr2O4） （3）通过选择性氧化生成优异的保护膜
第二章
宏观电池：肉眼可分辨出电极极性的电池为宏观电池
微观电池： 由于金属表面的微小区域存在电位差，肉眼难于辨出电极的极性 浓差电池：同一种金属浸入同一种电解质溶液中，当局部的浓度(或湿度)不同 时，构成腐蚀电池，通常称作浓差电池
第一章 高温氧化：在高温条件下，金属与环境介质中的气相或凝聚 相物质发生化学反应而遭受破坏的过程称高温氧化，亦称高 温腐蚀。 毕林—彼得沃尔斯原理或P-B比。 氧化时所生成的金属氧化膜的体积（ VMeO）2 与生成这些氧
化膜所消耗的金属的体积（ VMe）之比。
2.金属氧化膜具有保护作用的充分与必要条件是什么？ 1）p-b比大于1 2)膜要致密、连续、无孔洞，晶体缺陷少； 3)稳定性好，蒸气压低，熔点高； 4)膜与基体的附着力强，不易脱落； 5)生长内应力小； 6)与金属基体具有相近的热膨胀系数； 7)膜的白愈能力强。
活化极化：如果金属离子进入到溶液里的速度小于电子从阳极迁移到阴极的速度， 则阳极上就会有过多的带正电荷金属离子的积累，由此引起电极双电层上的负电 荷减少，于是阳极电位就向正方向移动，产生阳极极化。过电位用ηa表示。 浓差极化 如果进入到溶液中的金属离子向远离阳极表面的溶液扩散得缓慢时， 会使阳极附近的金属离子浓度增加，阻碍金属继续溶解，必然使阳极电位往正方向 移动，产生阳极极化。过电位用ηc表示。 电阻极化由于某种机制在金属表面上形成了钝化膜，阳极过程受到了阻碍，使得 金属的溶解速度显著降低，此时阳极电位剧烈地向正的方向移动，产生阳极极化， 过电位用ηr表示 钝性：金属(合金)钝化后所具有的耐蚀性称为钝性 2. 原电池与腐蚀原电池有何区别
5. 简述提高合金抗氧化的可能途径
（1）减少基体氧化膜中晶格缺陷的浓度 （2）生成具有保护性的稳定新相（尖晶石型化合物：FeCr2O4、NiCr2O4） （3）通过选择性氧化生成优异的保护膜
第二章
宏观电池：肉眼可分辨出电极极性的电池为宏观电池
微观电池： 由于金属表面的微小区域存在电位差，肉眼难于辨出电极的极性 浓差电池：同一种金属浸入同一种电解质溶液中，当局部的浓度(或湿度)不同 时，构成腐蚀电池，通常称作浓差电池
第一章 高温氧化：在高温条件下，金属与环境介质中的气相或凝聚 相物质发生化学反应而遭受破坏的过程称高温氧化，亦称高 温腐蚀。 毕林—彼得沃尔斯原理或P-B比。 氧化时所生成的金属氧化膜的体积（ VMeO）2 与生成这些氧
化膜所消耗的金属的体积（ VMe）之比。
2.金属氧化膜具有保护作用的充分与必要条件是什么？ 1）p-b比大于1 2)膜要致密、连续、无孔洞，晶体缺陷少； 3)稳定性好，蒸气压低，熔点高； 4)膜与基体的附着力强，不易脱落； 5)生长内应力小； 6)与金属基体具有相近的热膨胀系数； 7)膜的白愈能力强。
活化极化：如果金属离子进入到溶液里的速度小于电子从阳极迁移到阴极的速度， 则阳极上就会有过多的带正电荷金属离子的积累，由此引起电极双电层上的负电 荷减少，于是阳极电位就向正方向移动，产生阳极极化。过电位用ηa表示。 浓差极化 如果进入到溶液中的金属离子向远离阳极表面的溶液扩散得缓慢时， 会使阳极附近的金属离子浓度增加，阻碍金属继续溶解，必然使阳极电位往正方向 移动，产生阳极极化。过电位用ηc表示。 电阻极化由于某种机制在金属表面上形成了钝化膜，阳极过程受到了阻碍，使得 金属的溶解速度显著降低，此时阳极电位剧烈地向正的方向移动，产生阳极极化， 过电位用ηr表示 钝性：金属(合金)钝化后所具有的耐蚀性称为钝性 2. 原电池与腐蚀原电池有何区别
第六章机械可靠性设计原理
可靠性设计
即使是在零件强度大大高于其工作应力的情况下，则 零件在工作初期在正常的工作条件下，强度总是大于应 力，是不会发生故障的。但该零件在动载荷、腐蚀、磨 损、疲劳载荷的长期作用下，强度也将会逐渐衰减，从 而导致应力超过强度而产生不可靠问题。另外，即使在 安全系数大于1的情况下仍然会存在一定的不可靠度。所 以按传统的机械设计方法只进行安全系数的计算是不够 的，还需要进行可靠度的计算。而可靠性设计可以保证 零件可靠度的大小。
例如，滚动轴承工作时，滚子与滚道之间，齿轮 传动中轮齿与轮齿之间的压力都是接触载荷。 在接触载荷作用下，主应力与最大切应力之比是 不定。
• 设计与几何形状及尺寸 由于制造（加工、装配）误差是随机变量，所以零、构 件的尺寸是随机变量
零件失效的原因：
可靠性设计
设计方案的合理性和设计考虑因素不周到是零件失效的 重要原因之一。例如：
• 强度随时间推移而减小, 应力对时间而言是稳态的；
三、可靠性设计的过程
载荷统计和 概率分布
应力计算
应力统计和 概率分布
几何尺寸分 布和其他随 机因素
干涉模型
机械强度可 靠性设计
可靠性设计
材料机械性能统 计和概率分布
强度计算
强度统计和 概率分布
可靠性设计
第二节 已知应力与强度分布时可靠 度的计算
R
1
2
z2
S e 2 dz 1 (z)
2 S 2
1( S ) ( S ) ( )
2
2 S
2
2 S
z
S
2
2 S
可靠性设计
材料力学性能第六章-金属的应力腐蚀和氢脆
钢丝应力腐蚀与通常拉应力断裂比较
二、应力腐蚀产生的条件
• （1）只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂(近年来，也发 现在不锈钢中可以有压应力引起)。 这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，但主要是各种残余应 力，如焊接残余应力、热处理残余应力和装配应力等。 据统计，在应力腐蚀开裂事故中，由残余应力所引起的占 80%以上，而由工作应力引起的则不足20%。
• SCC在石油、化工、航空、原子能等行业中都受到广泛的重视，如发电厂 中的汽轮机叶片、钢结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件等，均有发生 应力腐蚀的可能性。
• 1967年12月，美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒塌， 死46人。事故调查的结果就是因为应力＋大气中微量H2S导致钢梁产生应力 腐蚀所致。
蚀坑。而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 • 应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是沿晶断裂。如果是穿晶断裂，
其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。
枝状
泥状花样
奥氏体不锈钢应力腐蚀断口
a) 解理断口
1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM) b) 扇形状或羽毛状的痕迹
业性气氛
铝合金
氯化物溶液，海水及海洋性大 气，潮湿性工业气氛
奥氏体不锈钢
酸性和中性氯化物溶液，海水及 海洋大气，热NaCl、H2S水溶液， 铜合金 严重污染的工业大气等
氨蒸汽、含氨气氛，含氨离子 的水溶液、水蒸汽，湿H2S，氨 溶液
镍基合金
热浓NaOH溶液，HF溶液和蒸汽
钛合金
发烟硝酸，300℃以上的氯化物， 潮湿性空气及海水
结论：应力腐蚀只有金属在介质中略具钝化膜时 才能发生。
四、断口形貌
第6章 磨损与腐蚀失效分析汇总
金属表面 发生局部 塑性变形
磨粒嵌入金属 表面，切割金 属表面
表面被 划伤
特点 • 普遍存在于机件中； • 磨损速度较大，0.5～5 μm/h 防止措施 • 提高表面硬度（从选材方面）； • 减少磨粒数量（从工作状况方面）。
（3）疲劳磨损的特征及判断。 它会引起表面金属小片状脱落，在金属表 面形成一个个麻坑，麻坑的深度多在几微 米到几十微米之间。 特点 产生接触疲劳的零件表面上出现许多针状 或痘状的凹坑，称麻点，故得名麻点磨损， 亦称疲劳磨损。 接触疲劳是裂纹形成和扩展的过程。
• 在化工、石油化工、轻工、能源、交通等 行业中，约60％的失效与腐蚀有关。化工与 石油化工行业腐蚀失效所占比例更高一些。 如近年来(1995 ～ 2000年)国内先后四次对石 化企业的压力容器使用情况进行调查，其中 对失效原因调查统计认为，在使用中因腐蚀 产生严重缺陷及材质劣化，是近年来引起容 器报废的主要原因。
6.2 腐蚀失效分析
6.2.1 腐蚀及腐蚀失效 1. 腐蚀的概念
腐 蚀 介 质
耐 蚀 金 属
（1）腐蚀的定义。 • 金属与环境介质发生化学或电化学作用，导致金 属的损坏或变质。OR在一定环境中，金属表面或界 面上进行的化学或电化学多相反应，结果使金属转 入氧化或离子状态。 （2）腐蚀介质。 • 通常不把所有的介质都称为腐蚀介质。例如，空 气、淡水、油脂等虽然对金属材料均有一定的腐蚀 作用，但并不称为腐蚀介质。一般仅把腐蚀性较强 的酸、碱、盐的溶液称为腐蚀介质。
• 腐蚀不仅损耗了地球的资源，而且因腐蚀而造成 的生产停顿、产品质量下降，甚至人身事故等损 失，更是无法估量。分析、材料腐蚀及控制的研究 给予了前所未有的关注。 （2）腐蚀介质。 • 通常不把所有的介质都称为腐蚀介质。例如，空 气、淡水、油脂等虽然对金属材料均有一定的腐蚀 作用，但并不称为腐蚀介质。一般仅把腐蚀性较强 的酸、碱、盐的溶液称为腐蚀介质。
安全工程习题答案
③疲劳破裂：压力容器常在交变载荷下运行，经受长期作用后，容器的承压部件发生了破裂或泄漏。
④应力腐蚀破裂：就广义而言，材料与周围环境介质产生化学或电化学的作用，使材料厚度减薄或本身性能发生变化，从而最终导致容器破裂。
⑤蠕变破裂：在高温下工作的压力容器，当操作温度超过一定极限，材料在应力的作用下发生缓慢的塑性变形，这种变形经长期的累积后，最终会导致材料破裂。
储存的火灾危险性应根据储存物品的性质和储存物品中的可燃物数量等因素，分为甲、乙、丙、丁、戊类。
习题
1、试计算下列物质于常压下在空气中燃烧的最小氧浓度（MOC）：C3H6、CH4、CH3OH。
由附录查得，C3H6、CH4、CH3OH的 分别为：1.0%、5.0%、5.5%，三者的化学反应式分别为：
C3H6+4.5O2→3CO2+3H2O
17、安全泄压装置对压力容器安全运行起什么作用？安全阀和爆破片各有哪些优缺点？分别适合何种场合？
安全泄压装置作用：正常时不起作用，压力超过安全值时会自动开启，迅速泄出部分或全部介质，使压力不再升高，达到保护容器的目的。包括安全阀、爆破片等。
安全阀：
优点：自动开闭，可以调节、不致中断生产。
缺点：密封性较差，有微量泄漏，有滞后现象，不能适应要求快速泄压的场合。此外，对黏性或含固体颗粒的介质，可能造成堵塞。
界限范围：最高工作压力(Pw)≥0.1Mpa（不含液体静压力）；内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）≥0.15m，且容积（V）≥0.025 m3。介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。
4、压力容器由哪些主要承压部件构成？圆筒形容器与球形容器相比各有哪些特点？
12、压力容器有哪些主要破坏形式？试举例说明。
7、预防事故的基本对策有哪些方面？安全技术措施主要有哪几类？
④应力腐蚀破裂：就广义而言，材料与周围环境介质产生化学或电化学的作用，使材料厚度减薄或本身性能发生变化，从而最终导致容器破裂。
⑤蠕变破裂：在高温下工作的压力容器，当操作温度超过一定极限，材料在应力的作用下发生缓慢的塑性变形，这种变形经长期的累积后，最终会导致材料破裂。
储存的火灾危险性应根据储存物品的性质和储存物品中的可燃物数量等因素，分为甲、乙、丙、丁、戊类。
习题
1、试计算下列物质于常压下在空气中燃烧的最小氧浓度（MOC）：C3H6、CH4、CH3OH。
由附录查得，C3H6、CH4、CH3OH的 分别为：1.0%、5.0%、5.5%，三者的化学反应式分别为：
C3H6+4.5O2→3CO2+3H2O
17、安全泄压装置对压力容器安全运行起什么作用？安全阀和爆破片各有哪些优缺点？分别适合何种场合？
安全泄压装置作用：正常时不起作用，压力超过安全值时会自动开启，迅速泄出部分或全部介质，使压力不再升高，达到保护容器的目的。包括安全阀、爆破片等。
安全阀：
优点：自动开闭，可以调节、不致中断生产。
缺点：密封性较差，有微量泄漏，有滞后现象，不能适应要求快速泄压的场合。此外，对黏性或含固体颗粒的介质，可能造成堵塞。
界限范围：最高工作压力(Pw)≥0.1Mpa（不含液体静压力）；内直径（非圆形截面指断面最大尺寸）≥0.15m，且容积（V）≥0.025 m3。介质为气体、液化气体或最高工作温度高于或等于标准沸点的液体。
4、压力容器由哪些主要承压部件构成？圆筒形容器与球形容器相比各有哪些特点？
12、压力容器有哪些主要破坏形式？试举例说明。
7、预防事故的基本对策有哪些方面？安全技术措施主要有哪几类？
材料腐蚀与防护-8讲-工业环境中的腐蚀
6.1.2石油加工过程的腐蚀
环烷酸腐蚀： ——环烷酸，又称石油酸，占原油中总酸95%。 ——环烷酸腐蚀与酸、温度、物流的流速有关。 ——腐蚀起始于220 ℃，随温度上升而逐渐严重 —— 270-280 ℃，腐蚀最严重 ——温度再提高，腐蚀速率下降； —— 350 ℃附近，腐蚀急剧增加 —— 400 ℃以上，无腐蚀。此时环烷酸基本气化完毕。
CO2分压超过0.2MPa，腐蚀；0.05-0.2MPa，可能腐蚀，小于 0.05MPa，无腐蚀
6.1.1石油开采过程的腐蚀
（3） 防护技术
1）控制钻井液的腐蚀性： 控制pH值，高于10，是抑制钻井液钻井液对钻具及井下设备腐蚀的
最简单、最有效、成本最低的方法 正确选择缓蚀剂：有机胺类、胺类的脂肪酸盐、季胺化合物、酰胺
化合物及咪唑啉盐类 添加除氧剂：亚硫酸盐,最小含量100mg/L, 水中钙盐高时，应大于
300mg/L 选择性添加除硫剂：通过化学反应将可溶性硫化物转化成稳定的不
与钢材反应的惰性物质。常用除硫剂——海绵铁和微孔碱式碳酸锌。
6.1.1石油开采过程的腐蚀
（3） 防护技术
2）使用内防腐层钻杆： 钻杆内涂层防腐，使金属与腐蚀介质隔绝，不使其直接接触。大大
第六章 工业环境中的腐蚀
6.1石油化工腐蚀 6.2 化学工业腐蚀 6.3 核电工业腐蚀
6.2.1 无机酸腐蚀
（1）金属在无机酸中的腐蚀特征与概念 常见的无机酸： ——硫酸、硝酸、盐酸。 非氧化性酸腐蚀 ——特点：阴极过程纯粹为氢去极化过程 氧化性酸腐蚀 ——特点：阴极过程为氧化剂的还原，如硝酸根还原为亚硝酸根 酸的氧化性不是绝对的 ——高浓度硝酸是氧化性酸，低浓度硝酸对金属的腐蚀与非氧化性酸 相同 ——稀硫酸是非氧化性酸，浓硫酸则有氧化性酸的高温硫化物的腐蚀：240 ℃以上的重油部位硫、硫化物和硫化氢形 成的腐蚀环境。存在于常压塔减压塔下部及塔底管线、常压重油和减 压渣油的高温换热器，催化裂化装置分馏塔的下部、延迟焦化装置分 馏塔的下部等，腐蚀速率在1.1mm/a。 ——低温硫化物的应力开裂腐蚀： H2S+H2O腐蚀环境。湿硫化氢对碳 钢设备的均匀腐蚀，随温度提高而加剧，80 ℃下腐蚀速率最高，110120 ℃腐蚀速率最低。开工最初几天可达10mm/a，1500-2000h，腐蚀 速率趋于0.3mm/a ——中温硫化物的露点腐蚀:炼油厂常见的腐蚀系统。
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值K1SCC，但铝合金却没有明显的门槛值，其门槛值 只能根据指定的试验时间而定。一般认为对于这类
试验的时间至少要1000小时，使用这类K1SCC数据时 必须十分小心。特别是如果所设计的工程构件在腐
蚀性环境中应用的时间比产生K1SCC数据的试验时间 长时，更要小心。
2、除了用K1SCC来表示材料的应力腐蚀抗力外，也可测量裂纹 扩展速率da/dt。 由上可见，当应力腐蚀裂纹顶端的KI＞KSCC时，裂纹就会 不断扩展。单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹扩展 速率，常用da/dt表示。
试验证明，da/dt与KI有关。在lg(da/dt)-KI的坐标图上， 其关系曲线如图所示：
3、SCC裂纹构件的使用寿命
根据KISCC和裂纹扩展速率da/dt，能够评估构 件的安全和寿命。由于KI<KISCC，时，构件是安全 的，所以可以利用KISCC计算出临界裂纹的长度a0.如 果a<a0，则裂纹不扩展，可以不考虑应力腐蚀的问 题；如果a>a0，则在工作应力下裂纹会因应力腐蚀 而不断扩展。此时，可以根据裂纹扩展速率来预测
第6章 材料在环境介质作用下 的力学行为
前言 材料在应力和环境条件下的共同作用引起材料力
学性能的下降、发生的过早脆性断裂现象称为材料的 环境诱发断裂或环境敏感断裂。
环境敏感断裂的分类： 根据构件的受力状态：应力腐蚀开裂；腐蚀疲劳断裂； 微动腐蚀等 从破坏机理看：裂纹顶端阳极溶解引起的应力腐蚀断 裂；阴极析氢引起的氢脆或氢致断裂。 从材料的种类看：金属材料的环境敏感断裂；玻璃、 陶瓷的环境敏感断裂；聚合物的环境敏感断裂； 从环境介质：气态、液态、固态的的环境敏感断裂
6.1 应力腐蚀
6.1.1 应力腐蚀的特点
材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引
起的破坏叫应力腐蚀。
应力的危险性正在于它常发生在相当缓和的介 质和不大的应力状态下，而且往往事先没有明显的 预兆。
应力腐蚀开裂具有以下特征
(1) 造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度， 而且一般是拉伸应力。这个应力可以是外加应力，也可以是 焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力。最早发现的冷加 工黄铜子弹壳在含有潮湿的氨气介质中的腐蚀破坏，就是由 于冷加工造成的残留拉应力的结果。假如经过去应力退火， 这种事故就可以避免。
构件的使用寿命。
试验时保持一个恒定载荷之中试样断裂，记下
断裂时间tf，利用上式计算出初始应力强度因子KI。 用若干个试样在不同载荷下重复上述试样，得到一
系列的tf和相应的KI，画出KI-tf曲线，对应无限断 裂时间的KI就是KISCC。
实际测试中可以规定一个较长的截止时间（100 －300h）作为确定KISCC的基准。另外，利用悬臂 梁弯曲试验，也可以同时测出da/dt-KI曲线。
(5) 应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途 径常垂直于拉力轴。
(6) 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物， 而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 (7) 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。 (8) 应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断 裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹 有似人字形或羽毛状的标记。
2. 不能正确得出裂纹扩展速率的变化规律。因为这种 传统的方法是以名义应力作为裂纹扩展驱动力的，它 不能反应裂纹顶端的应力状态。只有把断裂力学引如 应力腐蚀断裂的研究中后，这问题才能得到解决。
3. 费时，不能用于工程设计。
2、裂纹试样的评价指标
通过对比可以发现：
(1)K<K1SCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于 腐蚀环境中而不发生破坏。
K1SCC值，缺点是裂纹扩展趋向停止的时间很长。当 停止试验时，扩展的裂纹前沿有时不太规整，在判
定裂纹究竟是扩展了还是已停止扩展发生困难，因
此在计算K1SCC时就有一定误差。
6.1.4 影响应力腐蚀的因素
2.环境因素
奥氏体不锈钢对卤化物元素是十分敏感的；同样，一些 铜合金对含氨的环境也是很敏感的。奥氏体不锈钢固然对氯 化物产生应力腐蚀很敏感，但氯或卤素离子并不是唯一的决 定因素，产生SCC还必须有氧存在。对加铌的18-8不锈钢研 究发现，只要其中有百万分之几的氧就能和氯化物共同造成 应力腐蚀。奥氏体不锈钢在沸腾的MgCl2溶液中，只有氮浓 度超过500X10-6才产生SCC，而在氮浓度小于500X10-6时，则 不发生应力腐蚀。溶液的PH值对应力腐蚀的敏感性也有很大 的影响。
(2)K1SCC<K<K1C时，在腐蚀性环境和应力共同作用下，裂 纹呈亚临界扩展，随着裂纹不断增长，裂纹尖端K值不 断增大，达到K1C时即发生断裂。
(3)K>K1C时，加上初始载荷后立即断裂。尽管初始K值不 同，裂纹扩展速率和断裂时间也不同，但材料的最终 破坏都是在K=K1C时发生的。
应该指出，高强度钢和钛合金都有一定的门槛
一种是载荷恒定，使K1不断增大的方法，最常 用的是恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置。另一种测定
K1SCC的方法是位移恒定，使K1不断减少,用紧凑拉伸 试样和螺栓加载。
这两种方法各有其优缺点。用悬臂梁弯曲方法可
得到完整的K1初始-断裂时间曲线，能够较准确的确定 K1SCC，缺点是所需试样较多。恒位移法不需特殊试 验机，便于现场测试，原则上用一个试样即可测定
(2) 应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性变形。
(3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成 应力腐蚀。例如α黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而 β黄铜在水中就能破裂。
(4) 应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s，有点象疲 劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临 界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。
典型的应力腐蚀照片
6.1.2典型材料的应力腐蚀
2. 不锈钢在氯化物溶液中的应力腐蚀
3. 铜合在氨水溶液中的应力腐蚀
6.1.3 应力腐蚀抗力指标及测试方法
早期对应力腐蚀开裂的研究，通常采用光滑试样在拉应力 和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定材 料的抗应力腐蚀性能。
进行试验时，采用一组相同的试样，在不同 的应力水平作用下测定其断裂时间tf ,作出σ－tf 曲线。断裂时间随外加拉伸应力的降低而增加 。
试验的时间至少要1000小时，使用这类K1SCC数据时 必须十分小心。特别是如果所设计的工程构件在腐
蚀性环境中应用的时间比产生K1SCC数据的试验时间 长时，更要小心。
2、除了用K1SCC来表示材料的应力腐蚀抗力外，也可测量裂纹 扩展速率da/dt。 由上可见，当应力腐蚀裂纹顶端的KI＞KSCC时，裂纹就会 不断扩展。单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹扩展 速率，常用da/dt表示。
试验证明，da/dt与KI有关。在lg(da/dt)-KI的坐标图上， 其关系曲线如图所示：
3、SCC裂纹构件的使用寿命
根据KISCC和裂纹扩展速率da/dt，能够评估构 件的安全和寿命。由于KI<KISCC，时，构件是安全 的，所以可以利用KISCC计算出临界裂纹的长度a0.如 果a<a0，则裂纹不扩展，可以不考虑应力腐蚀的问 题；如果a>a0，则在工作应力下裂纹会因应力腐蚀 而不断扩展。此时，可以根据裂纹扩展速率来预测
第6章 材料在环境介质作用下 的力学行为
前言 材料在应力和环境条件下的共同作用引起材料力
学性能的下降、发生的过早脆性断裂现象称为材料的 环境诱发断裂或环境敏感断裂。
环境敏感断裂的分类： 根据构件的受力状态：应力腐蚀开裂；腐蚀疲劳断裂； 微动腐蚀等 从破坏机理看：裂纹顶端阳极溶解引起的应力腐蚀断 裂；阴极析氢引起的氢脆或氢致断裂。 从材料的种类看：金属材料的环境敏感断裂；玻璃、 陶瓷的环境敏感断裂；聚合物的环境敏感断裂； 从环境介质：气态、液态、固态的的环境敏感断裂
6.1 应力腐蚀
6.1.1 应力腐蚀的特点
材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引
起的破坏叫应力腐蚀。
应力的危险性正在于它常发生在相当缓和的介 质和不大的应力状态下，而且往往事先没有明显的 预兆。
应力腐蚀开裂具有以下特征
(1) 造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度， 而且一般是拉伸应力。这个应力可以是外加应力，也可以是 焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力。最早发现的冷加 工黄铜子弹壳在含有潮湿的氨气介质中的腐蚀破坏，就是由 于冷加工造成的残留拉应力的结果。假如经过去应力退火， 这种事故就可以避免。
构件的使用寿命。
试验时保持一个恒定载荷之中试样断裂，记下
断裂时间tf，利用上式计算出初始应力强度因子KI。 用若干个试样在不同载荷下重复上述试样，得到一
系列的tf和相应的KI，画出KI-tf曲线，对应无限断 裂时间的KI就是KISCC。
实际测试中可以规定一个较长的截止时间（100 －300h）作为确定KISCC的基准。另外，利用悬臂 梁弯曲试验，也可以同时测出da/dt-KI曲线。
(5) 应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途 径常垂直于拉力轴。
(6) 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物， 而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 (7) 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。 (8) 应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断 裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹 有似人字形或羽毛状的标记。
2. 不能正确得出裂纹扩展速率的变化规律。因为这种 传统的方法是以名义应力作为裂纹扩展驱动力的，它 不能反应裂纹顶端的应力状态。只有把断裂力学引如 应力腐蚀断裂的研究中后，这问题才能得到解决。
3. 费时，不能用于工程设计。
2、裂纹试样的评价指标
通过对比可以发现：
(1)K<K1SCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于 腐蚀环境中而不发生破坏。
K1SCC值，缺点是裂纹扩展趋向停止的时间很长。当 停止试验时，扩展的裂纹前沿有时不太规整，在判
定裂纹究竟是扩展了还是已停止扩展发生困难，因
此在计算K1SCC时就有一定误差。
6.1.4 影响应力腐蚀的因素
2.环境因素
奥氏体不锈钢对卤化物元素是十分敏感的；同样，一些 铜合金对含氨的环境也是很敏感的。奥氏体不锈钢固然对氯 化物产生应力腐蚀很敏感，但氯或卤素离子并不是唯一的决 定因素，产生SCC还必须有氧存在。对加铌的18-8不锈钢研 究发现，只要其中有百万分之几的氧就能和氯化物共同造成 应力腐蚀。奥氏体不锈钢在沸腾的MgCl2溶液中，只有氮浓 度超过500X10-6才产生SCC，而在氮浓度小于500X10-6时，则 不发生应力腐蚀。溶液的PH值对应力腐蚀的敏感性也有很大 的影响。
(2)K1SCC<K<K1C时，在腐蚀性环境和应力共同作用下，裂 纹呈亚临界扩展，随着裂纹不断增长，裂纹尖端K值不 断增大，达到K1C时即发生断裂。
(3)K>K1C时，加上初始载荷后立即断裂。尽管初始K值不 同，裂纹扩展速率和断裂时间也不同，但材料的最终 破坏都是在K=K1C时发生的。
应该指出，高强度钢和钛合金都有一定的门槛
一种是载荷恒定，使K1不断增大的方法，最常 用的是恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置。另一种测定
K1SCC的方法是位移恒定，使K1不断减少,用紧凑拉伸 试样和螺栓加载。
这两种方法各有其优缺点。用悬臂梁弯曲方法可
得到完整的K1初始-断裂时间曲线，能够较准确的确定 K1SCC，缺点是所需试样较多。恒位移法不需特殊试 验机，便于现场测试，原则上用一个试样即可测定
(2) 应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性变形。
(3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成 应力腐蚀。例如α黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而 β黄铜在水中就能破裂。
(4) 应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s，有点象疲 劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临 界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。
典型的应力腐蚀照片
6.1.2典型材料的应力腐蚀
2. 不锈钢在氯化物溶液中的应力腐蚀
3. 铜合在氨水溶液中的应力腐蚀
6.1.3 应力腐蚀抗力指标及测试方法
早期对应力腐蚀开裂的研究，通常采用光滑试样在拉应力 和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定材 料的抗应力腐蚀性能。
进行试验时，采用一组相同的试样，在不同 的应力水平作用下测定其断裂时间tf ,作出σ－tf 曲线。断裂时间随外加拉伸应力的降低而增加 。