第7章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂
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第06章金属的应力腐蚀和氢脆断裂
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测定金属材料的K 测定金属材料的 ISCC 值可用恒载荷法或恒位 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用， 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所 用试样与测定的K 的三点弯曲试样相同， 用试样与测定的 IC 的三点弯曲试样相同 ， 装置见 图6-6。 。 裂纹尖端的ΚⅠ可用公式（6-2）计算。 裂纹尖端的 可用公式（ ）计算。
（6-2） ） 通过做出Κ 的关系图线， 通过做出 Ⅰ初 — lgtf的关系图线，便可从曲线 的水平部分所对应的Κ 值即为材料的Κ 的水平部分所对应的 Ⅰ初值即为材料的 Ⅰscc。
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2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt 、应力腐蚀裂纹扩展速率 当应力腐蚀裂纹尖端的K 当应力腐蚀裂纹尖端的 I>KISCC时，裂纹就会 不断扩展。 不断扩展。 单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 单位时间内裂纹的扩展量称为 应力腐蚀裂纹 扩展速率， 扩展速率，da/dt。 。
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2、微观特征 断口的微观形貌一般为沿晶断裂 沿晶断裂， ⑴ 断口的微观形貌一般为 沿晶断裂 ， 也可能 为穿晶断裂。 穿晶断裂。 ⑵ 其表面可见到 “ 泥状花样 ” 的 腐蚀产物 （见图6-3a）及腐蚀坑（见图 见图 ） 腐蚀坑（见图6-3b）。 ） 应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象 显微裂纹有分叉现象， ⑶ 应力腐蚀的 显微裂纹有分叉现象 ， 呈枯树 枝状，如图所示。表明应力腐蚀时， 枝状 ， 如图所示 。 表明应力腐蚀时 ， 有一主裂纹 扩展较快，其它分枝扩展较慢， 扩展较快 ，其它分枝扩展较慢， 根据这一特征可 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。
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4、 采用电化学保护 使金属远离电化学腐蚀 、 采用电化学保护使金属远离电化学腐蚀 敏感电位区域 敏感电位区域 因为金属在化学介质中只有在一定的电极电 位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此采用外加 位范围内才会产生应力腐蚀现象 ， 因此采用外加 电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应 电位的方法， 力腐蚀敏感电位区域，也是一种防止措施。 力腐蚀敏感电位区域， 也是一种防止措施 。 一般 采用阴极保护法。 采用 阴极保护法。此方法不适用于高强度钢和其 阴极保护法 它氢脆敏感材料。 它氢脆敏感材料。
测定金属材料的K 测定金属材料的 ISCC 值可用恒载荷法或恒位 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用， 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所 用试样与测定的K 的三点弯曲试样相同， 用试样与测定的 IC 的三点弯曲试样相同 ， 装置见 图6-6。 。 裂纹尖端的ΚⅠ可用公式（6-2）计算。 裂纹尖端的 可用公式（ ）计算。
（6-2） ） 通过做出Κ 的关系图线， 通过做出 Ⅰ初 — lgtf的关系图线，便可从曲线 的水平部分所对应的Κ 值即为材料的Κ 的水平部分所对应的 Ⅰ初值即为材料的 Ⅰscc。
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2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt 、应力腐蚀裂纹扩展速率 当应力腐蚀裂纹尖端的K 当应力腐蚀裂纹尖端的 I>KISCC时，裂纹就会 不断扩展。 不断扩展。 单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 单位时间内裂纹的扩展量称为 应力腐蚀裂纹 扩展速率， 扩展速率，da/dt。 。
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2、微观特征 断口的微观形貌一般为沿晶断裂 沿晶断裂， ⑴ 断口的微观形貌一般为 沿晶断裂 ， 也可能 为穿晶断裂。 穿晶断裂。 ⑵ 其表面可见到 “ 泥状花样 ” 的 腐蚀产物 （见图6-3a）及腐蚀坑（见图 见图 ） 腐蚀坑（见图6-3b）。 ） 应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象 显微裂纹有分叉现象， ⑶ 应力腐蚀的 显微裂纹有分叉现象 ， 呈枯树 枝状，如图所示。表明应力腐蚀时， 枝状 ， 如图所示 。 表明应力腐蚀时 ， 有一主裂纹 扩展较快，其它分枝扩展较慢， 扩展较快 ，其它分枝扩展较慢， 根据这一特征可 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。
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4、 采用电化学保护 使金属远离电化学腐蚀 、 采用电化学保护使金属远离电化学腐蚀 敏感电位区域 敏感电位区域 因为金属在化学介质中只有在一定的电极电 位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此采用外加 位范围内才会产生应力腐蚀现象 ， 因此采用外加 电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应 电位的方法， 力腐蚀敏感电位区域，也是一种防止措施。 力腐蚀敏感电位区域， 也是一种防止措施 。 一般 采用阴极保护法。 采用 阴极保护法。此方法不适用于高强度钢和其 阴极保护法 它氢脆敏感材料。 它氢脆敏感材料。
第06-7章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂li22p
此外，氢还可与过渡族、稀土或碱金属元素作用，形成氢化物，或与金属的第二相作用生成气 体产物，如钢中的氢VS渗碳体作用，形成甲烷等。
8
6.2.2 氢脆类型及其特征
(1)氢蚀
，大（大氢降+金低属金中属的塑第性二。相→高压气泡（H2，CH4）沿基体金属晶界分布
宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）； 微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。 碳钢，温度低于220℃时，不产生氢蚀。 (2)白点（发裂） 当钢中含有过量的氢，IF溶解度↓，如果过量的氢未能逃逸，就会聚集在 缺陷位置，形成气泡，体积↑↑ ，将金属的局部胀裂，形成微裂纹。 断口/宏观：断面呈圆形或椭圆形，银白色，故称为白点。 Cr-Ni结构钢的大锻件中白点是一种严重缺陷。
、强化程度等。
2
6.1.2 应力腐蚀
(1)机理 滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）
a）应力作用下，滑移台阶露头 且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）
b）电化学腐蚀（钝化膜的金 属表面为阴极，新鲜金属为阳极） 阳极金属成为正离子融入进入电解液， 发生溶解，形成蚀坑。
c）应力集中，使阳极电极电位 降低，加大腐蚀；
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• 7.3.3 接触疲劳破坏方式
（1）麻点剥落 局部塑性变形，产生裂纹、 扩展（滑移带开裂）， 在连续滚滑作用下，润滑油 挤入裂纹并封闭其间，产生 高压冲击波，剥落下一块金 属而形成一凹坑。 摩擦力较大及表面质量差时， 易产生麻点剥落。
（2）浅层剥落
最大切应力处，塑性变形最剧烈,且反复进行，导 致材料局部弱化，非金属夹杂物附近萌生裂纹。
，则相邻M边界处的 %C 就越高，该处更易形成接触疲劳裂纹， 寿命较低。这显示了球化退火的重要性！ 表面硬度和心部硬度——（轴承钢）表面为62HRC时，接触疲劳寿 命最高；渗碳层心部硬度应适宜，如太低，易在过渡层形成裂纹 ，产生渗层剥落；例：渗碳齿轮心部，35～45HRC为宜。
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6.2.2 氢脆类型及其特征
(1)氢蚀
，大（大氢降+金低属金中属的塑第性二。相→高压气泡（H2，CH4）沿基体金属晶界分布
宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）； 微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。 碳钢，温度低于220℃时，不产生氢蚀。 (2)白点（发裂） 当钢中含有过量的氢，IF溶解度↓，如果过量的氢未能逃逸，就会聚集在 缺陷位置，形成气泡，体积↑↑ ，将金属的局部胀裂，形成微裂纹。 断口/宏观：断面呈圆形或椭圆形，银白色，故称为白点。 Cr-Ni结构钢的大锻件中白点是一种严重缺陷。
、强化程度等。
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6.1.2 应力腐蚀
(1)机理 滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）
a）应力作用下，滑移台阶露头 且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）
b）电化学腐蚀（钝化膜的金 属表面为阴极，新鲜金属为阳极） 阳极金属成为正离子融入进入电解液， 发生溶解，形成蚀坑。
c）应力集中，使阳极电极电位 降低，加大腐蚀；
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• 7.3.3 接触疲劳破坏方式
（1）麻点剥落 局部塑性变形，产生裂纹、 扩展（滑移带开裂）， 在连续滚滑作用下，润滑油 挤入裂纹并封闭其间，产生 高压冲击波，剥落下一块金 属而形成一凹坑。 摩擦力较大及表面质量差时， 易产生麻点剥落。
（2）浅层剥落
最大切应力处，塑性变形最剧烈,且反复进行，导 致材料局部弱化，非金属夹杂物附近萌生裂纹。
，则相邻M边界处的 %C 就越高，该处更易形成接触疲劳裂纹， 寿命较低。这显示了球化退火的重要性！ 表面硬度和心部硬度——（轴承钢）表面为62HRC时，接触疲劳寿 命最高；渗碳层心部硬度应适宜，如太低，易在过渡层形成裂纹 ，产生渗层剥落；例：渗碳齿轮心部，35～45HRC为宜。
6 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
举例
低碳钢,低合金钢— 低碳钢,低合金钢—碱脆,硝脆; 高强度钢 钛合金 不锈钢— 不锈钢—氯脆; 铜合金— 铜合金—氨脆; 高强度铝合金— 高强度铝合金—脆裂.
2,产生条件
应力:静应力远低于材料的屈服强度,且 一般为拉应力.包括工作应力和残余应力. 化学介质:一定材料对应一定的化学介质; 如黄铜—氨气氛,不锈钢— 如黄铜—氨气氛,不锈钢—氯离子的腐蚀 介质,低碳钢— 介质,低碳钢—碱脆. 金属材料:纯金属一般不会产生应力腐蚀, 合金对应力腐蚀都比较敏感,不同的合金 成分,敏感性不同.
四,防止应力腐蚀的措施
应力腐蚀是通过阳极溶解的过程进行的. 应力腐蚀机理就是滑移— 应力腐蚀机理就是滑移—溶解理论.它 可以简单地归结为四个过程,即滑移— 可以简单地归结为四个过程,即滑移— 膜破—阳极溶解— 膜破—阳极溶解—再钝化. 防止应力腐蚀的方法要视具体的材料— 防止应力腐蚀的方法要视具体的材料— 介质而定.
2,应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 应力腐蚀临界应力场强度因子K
定义:在特定介质中不发生应力腐蚀断裂 的最大应力场强度因子. 含宏观裂纹的试样,恒定载荷,特定介质, 测KI~tf曲线. KISCC值的测定:1) 恒载荷法:使KI不断增 值的测定:1) 恒载荷法:使K 大的方法,最常用的是恒载荷的悬臂梁弯 曲试验装置.2) 恒位移法:使K 曲试验装置.2) 恒位移法:使KI不断减少, 用紧凑拉伸试样和螺栓加载.
防止应力腐蚀的措施
1,合理选择金属材料:正确选材,选用 KISCC较高的合金. 2,减少或消除机件中的残余拉应力:主要是 应力集中,注意工艺措施. 3,改善化学介质. 4,采用电化学保护:使金属远离电化学腐蚀 区域.一般采用阴极保护法,但高强度钢 或其它氢脆敏感的材料不宜采用.
安徽工业大学材料力学性能复习题
第一章金属在单向静拉伸载荷下的力学性能—1、名词解释强度、塑性、韧性、包申格效应2、说明下列力学性能指标的意义E、σ0.2、σs、n、δ、ψ3、今有45、40Cr、35CrMo钢和灰铸铁几种材料，你选择哪些材料作机床床身？为什么？4、试述并画出退火低碳钢、中碳钢和高碳钢的屈服现象在拉伸-伸长曲线图上的区别。
*5、试述韧性断裂和脆性断裂的区别？（P21-22）6、剪切断裂与解理断裂都是穿晶断裂，为什么断裂性质完全不同？7、何谓拉伸断口三要素？8、试述弥散强化与沉淀强化的异同？9、格雷菲斯判据是断裂的充分条件、必要条件还是充分必要条件？*10、试述构件的刚度与材料的刚度的异同。
(P4)第二章金属在其它静载荷下的力学性能—1、名词解释缺口效应、缺口敏感度、应力状态软性系数2、说明下列力学性能指标及表达的意义σbc、NSR、600HBW1/30/203、缺口试样拉伸时应力分布有何特点？4、根据扭转试样的宏观断口特征，可以了解金属材料的最终断裂方式，比如切断、正断和木纹状断口。
试画出这三种断口特征的宏观特征。
第三章金属在冲击载荷下的力学性能—1、名词解释低温脆性、韧脆转变温度2、说明下列力学性能指标的意义A K、FATT503、现需检验以下材料的冲击韧性，问哪种材料要开缺口？哪些材料不要开缺口？为什么？W18Cr4V、Cr12MoV、3Cr2W8V、40CrNiMo、30CrMnSi、20CrMnTi、铸铁第四章金属的断裂韧度—1、名词解释应力场强度因子K I、小范围屈服2、说明断裂韧度指标K IC和K C的意义及其相互关系。
3、试述K I与K IC的相同点和不同点。
4、试述K IC和A KV的异同及其相互关系。
*5、合金钢调质后的性能σ0.2＝1400MPa, K IC=110MPa▪m1/2，设此种材料厚板中存在垂直于外界应力的裂纹，所受应力σ＝900MPa，问此时的临界裂纹长度是多少？*6、有一大型薄板构件，承受工作应力为400MN/m2，板的中心有一长为3mm的裂纹，裂纹面垂直于工作应力，钢材的σs＝500 MN/m2，试确定：裂纹尖端的应力场强度因子K I及裂纹尖端的塑性区尺寸R 。
应力腐蚀断裂和氢脆
海川流浪人应力腐蚀断裂和氢脆金属材料的两种经常有关而又有别的被破坏（或断裂）的现象。
应力腐蚀断裂(SCC) 是应力与腐蚀介质协同作用下引起的金属断裂现象（见金属腐蚀）。
它有三个主要特征:①应力腐蚀断裂是时间的函数。
拉伸应力越大,则断裂所需时间越短；断裂所需应力一般都低于材料的屈服强度。
这种应力包括外加载荷产生的应力、残余应力、腐蚀产物的楔形应力等。
②腐蚀介质是特定的，只有某些金属-介质的组合（见表发生应力腐蚀断裂的典型体系──金属与腐蚀介质的组合）情况下，才会发生应力腐蚀断裂。
若无应力，金属在其特定腐蚀介质中的腐蚀速度是微小的。
③断裂速度在纯腐蚀及纯力学破坏之间，断口一般为脆断型。
氢脆(HE) 又称氢致开裂或氢损伤，是一种由于金属材料中氢引起的材料塑性下降、开裂或损伤的现象。
所谓“损伤”，是指材料的力学性能下降。
在氢脆情况下会发生“滞后破坏”，因为这种破坏需要经历一定时间才发生。
氢的来源有“内含”的及“外来”的两种：前者指材料在冶炼及随后的机械制造（如焊接、酸洗、电镀等）过程中所吸收的氢；而后者是指材料在致氢环境的使用过程中所吸收的氢（见金属中氢）。
致氢环境既包括含有氢的气体,如H□、H□S；也包括金属在水溶液中腐蚀时阴极过程所放出的氢。
金属的应力腐蚀断裂和氢脆是两种既经常相关而又不同的现象。
在高温高压氢气中结构件的开裂，既是HE，又是SCC；水溶液中应力腐蚀时,若阴极过程析出的氢对断裂起了决定性作用，则这种破坏既是SCC，也是HE;这两个实例便位于图1应力腐蚀断裂(SCC)和氢脆(HE)关系的示意所示的重叠区内。
试验方法和工程参量应力腐蚀试验一般采用光滑或缺口试样，固定环境条件（即腐蚀介质和温度），采用断裂为临界点、测定固定应力下的断裂时间（□□）或固定□□下的断裂应力(□□),用□□的长短或□□的高低,来衡量材料抗应力腐蚀断裂能力的大小。
70年代以来，人们广泛地运用了断裂力学研究应力腐蚀断裂；用预制裂纹的试样进行应力腐蚀试验,如图2断裂时间□□与应力场强度因子(□□)之间的关系所示。
金属的氢损伤
第七章 金属的氢损伤
氢损伤是指与氢的行为有关的金属损伤。金 属从冶炼起，经铸、轧、锻、焊、热处理、机加 工直到使用的过程中，都难免程度不同地同含氢 气氛，含氢化合物（如 H2O 、 H2S 、各种酸溶液） 乃至纯氢发生接触。于是在有些场合下就会发生 金属－氢－力三者先后或共同作用而导致金属破 坏。在航空、航天，交通运输，尤其在化工、石 油等部门都经常发生氢致损伤并都有由此导致的 事故。
依据是工作温度、氢的来源及金属的脱碳程度。
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延迟氢脆裂纹扩展到瞬断截面时，形变速率增 大，氢的脆化作用消失，其断裂形式就同有裂纹 的无氢试样单调一次加载快速断裂相同，决定于
材料本性、零件尺寸和载荷情况。所以我们讨论
延迟氢脆断口的重点是起裂点及慢速扩展区。可
逆延迟氢脆断裂，在宏观上是很脆的，看不出塑
电解、电镀而氢活度很高，以致在内部产生的
氢气压很高，将金属膨胀起来，成为气泡。
（四）氢腐蚀 发生的温度较氢鼓泡为高，
在205℃-595℃。其本质是氢与钢中的碳结合生
成CH4而鼓泡。由于其受损的外形与氢鼓泡相似
，故早期常将这两者混为一谈。
3
（五）发纹或白点
指通常发生于大型钢锻
件中的一种缺陷。一般认为炼钢或其它工艺加
。溶解态的氢（即屏蔽的质子）能在金属中较
快地扩散。陷井中的氢要获得足以克服势陷井
的能量后，才能与其它H同样地参予扩散过程。
10
第三节 钢中氢损伤的机理
氢对钢的损伤机理，大体说来不外乎三种方式： 一是氢作为破坏力的来源之一，主要指造成内压或 内应力；二是氢使材料弱化、脆化，这里是指固溶 氢使金属的表面能、结合能下降以及形成脆弱的氢 化物MxHy，第三个方而则是氢参与并促进钢的塑性变 形（氢致塑变）和断裂。
氢损伤是指与氢的行为有关的金属损伤。金 属从冶炼起，经铸、轧、锻、焊、热处理、机加 工直到使用的过程中，都难免程度不同地同含氢 气氛，含氢化合物（如 H2O 、 H2S 、各种酸溶液） 乃至纯氢发生接触。于是在有些场合下就会发生 金属－氢－力三者先后或共同作用而导致金属破 坏。在航空、航天，交通运输，尤其在化工、石 油等部门都经常发生氢致损伤并都有由此导致的 事故。
依据是工作温度、氢的来源及金属的脱碳程度。
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延迟氢脆裂纹扩展到瞬断截面时，形变速率增 大，氢的脆化作用消失，其断裂形式就同有裂纹 的无氢试样单调一次加载快速断裂相同，决定于
材料本性、零件尺寸和载荷情况。所以我们讨论
延迟氢脆断口的重点是起裂点及慢速扩展区。可
逆延迟氢脆断裂，在宏观上是很脆的，看不出塑
电解、电镀而氢活度很高，以致在内部产生的
氢气压很高，将金属膨胀起来，成为气泡。
（四）氢腐蚀 发生的温度较氢鼓泡为高，
在205℃-595℃。其本质是氢与钢中的碳结合生
成CH4而鼓泡。由于其受损的外形与氢鼓泡相似
，故早期常将这两者混为一谈。
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（五）发纹或白点
指通常发生于大型钢锻
件中的一种缺陷。一般认为炼钢或其它工艺加
。溶解态的氢（即屏蔽的质子）能在金属中较
快地扩散。陷井中的氢要获得足以克服势陷井
的能量后，才能与其它H同样地参予扩散过程。
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第三节 钢中氢损伤的机理
氢对钢的损伤机理，大体说来不外乎三种方式： 一是氢作为破坏力的来源之一，主要指造成内压或 内应力；二是氢使材料弱化、脆化，这里是指固溶 氢使金属的表面能、结合能下降以及形成脆弱的氢 化物MxHy，第三个方而则是氢参与并促进钢的塑性变 形（氢致塑变）和断裂。
材料力学性能课件(金属的应力腐蚀和氢脆断裂)PPT课件
九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
5
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理
九江学院材料科学与工程学院
杜大明
材料力学性能�来自第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
6
�
�
�
（1）当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在 金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即 所谓“钝化”。 （2）由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部 地区的保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露在腐蚀 介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。 （3）阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定 程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能 重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成 反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加深，最 后形成孔洞。 （4）孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面 附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介 质共同作用形成应力腐蚀裂纹。
九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能 2.白点
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
20
�白点：以氢分子的形式存在于缺陷处，多呈圆形或椭 圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，故称白点 。 � 原因：由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因 氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶 解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷 处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无 法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除 这类白点。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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四、防止应力腐蚀的措施
�（1）降低应力 �如能将构件所承受的应力降低到临界应力以下，则 可以避免应力腐蚀开裂。 � （2）改变介质条件 �改变介质条件可以减小或消除材料的应力腐蚀开裂 敏感性。 �（3）选用合适的合金材料 �一定的合金只在相应的介质中才显示应力腐蚀开裂 敏感性。 �（四）采用电化学保护 �由于金属在介质中只在一定的电极电位范围内才会 产生应力腐蚀开裂。采用外加电位的方法，使金属在 介质中的电位远离应力腐蚀开裂敏感电位区域。
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理
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杜大明
材料力学性能�来自第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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（1）当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在 金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即 所谓“钝化”。 （2）由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部 地区的保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露在腐蚀 介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。 （3）阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定 程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能 重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成 反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加深，最 后形成孔洞。 （4）孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面 附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介 质共同作用形成应力腐蚀裂纹。
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材料力学性能 2.白点
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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�白点：以氢分子的形式存在于缺陷处，多呈圆形或椭 圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，故称白点 。 � 原因：由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因 氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶 解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷 处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无 法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除 这类白点。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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四、防止应力腐蚀的措施
�（1）降低应力 �如能将构件所承受的应力降低到临界应力以下，则 可以避免应力腐蚀开裂。 � （2）改变介质条件 �改变介质条件可以减小或消除材料的应力腐蚀开裂 敏感性。 �（3）选用合适的合金材料 �一定的合金只在相应的介质中才显示应力腐蚀开裂 敏感性。 �（四）采用电化学保护 �由于金属在介质中只在一定的电极电位范围内才会 产生应力腐蚀开裂。采用外加电位的方法，使金属在 介质中的电位远离应力腐蚀开裂敏感电位区域。
蠕变、应力腐蚀、氢脆ppt课件
应力腐蚀 腐蚀 腐蚀疲劳
氢脆 蠕变
ppt课件
1
应力腐蚀
0应力腐蚀现象 1应力腐蚀定义 2应力腐蚀特征 3应力腐蚀的影响因素 4应力腐蚀的防止措施 5应力腐蚀抗力指标及测试方法
ppt课件
2
0应力腐蚀现象
第一次世界大战期间，用H70经过深冲成型的
黄铜弹壳，在战场上出现大量破裂现象。经研
应力腐蚀开裂是危害性最大的局部腐蚀之一，
在腐蚀过程中，若有微裂纹形成，其扩展速度
比其他类型的局部腐蚀要快几个数量级。
ppt课件
5
1应力腐蚀定义
ppt课件
6
1应力腐蚀定义
危害：缓和的介质+较小的应力
1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微腐 蚀。
2.导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力
发生应力腐蚀的温度一般在50-300℃
的一个力学性能指标。ppt课件
18
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
对含有裂纹的金属材料，应力腐蚀条件下的断 裂判据： 当作用于裂纹尖端的初始应力强度因子：
ppt课件
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5应力腐蚀抗力指标及测试方法
5.2KISCC的测定方法 （1） 采用光滑试样
数据分散；
对某些材料可能会给出错误的判断 ；
名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于 工程应用。
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15
1.4应力腐蚀的防治措施
4.4合理选材等其他方法
1.采用高镍的奥氏体钢，可提高SCC的性能
2.采用阴极保护可减缓或者阻止SCC
ppt课件
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4应力腐蚀的防治措施
SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构临界载 荷破裂失效。
在飞机制造中，安装和装配应力应该消除。材
氢脆 蠕变
ppt课件
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应力腐蚀
0应力腐蚀现象 1应力腐蚀定义 2应力腐蚀特征 3应力腐蚀的影响因素 4应力腐蚀的防止措施 5应力腐蚀抗力指标及测试方法
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0应力腐蚀现象
第一次世界大战期间，用H70经过深冲成型的
黄铜弹壳，在战场上出现大量破裂现象。经研
应力腐蚀开裂是危害性最大的局部腐蚀之一，
在腐蚀过程中，若有微裂纹形成，其扩展速度
比其他类型的局部腐蚀要快几个数量级。
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1应力腐蚀定义
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1应力腐蚀定义
危害：缓和的介质+较小的应力
1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微腐 蚀。
2.导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力
发生应力腐蚀的温度一般在50-300℃
的一个力学性能指标。ppt课件
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5应力腐蚀抗力指标及测试方法
对含有裂纹的金属材料，应力腐蚀条件下的断 裂判据： 当作用于裂纹尖端的初始应力强度因子：
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5应力腐蚀抗力指标及测试方法
5.2KISCC的测定方法 （1） 采用光滑试样
数据分散；
对某些材料可能会给出错误的判断 ；
名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于 工程应用。
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1.4应力腐蚀的防治措施
4.4合理选材等其他方法
1.采用高镍的奥氏体钢，可提高SCC的性能
2.采用阴极保护可减缓或者阻止SCC
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4应力腐蚀的防治措施
SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构临界载 荷破裂失效。
在飞机制造中，安装和装配应力应该消除。材
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I
1 R
(Vc
Va )
R－微电池中的电阻；Vc,Va-电池两极的电位。
如果在介质中的极化过程不是非常强烈，则VcVa变得很小，腐蚀过程就大受抑制；
如果介质中去极化过程很强，Vc-Va很大，腐蚀 电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面 不能形成钝化膜。
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2、应力腐蚀断口特征
1）应力腐蚀断裂断口宏观特征 （1）即使是塑韧性非常好的材料，其应力腐蚀断裂的宏观形
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三、应力腐蚀抗力指标
1、应力腐蚀曲线 • 采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，测定
不同应力水平作用下的断裂时间曲线，从而求出该种 材料不发生应力腐蚀的临界应力。 • 实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的 缺陷。因此，用应力腐蚀破裂的临界应力指标σscc不能 客观地反映裂纹机件对应力腐蚀的抗力。 • 发展了两个重要的应力腐蚀抗力指标： 应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc 应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
阳极金属变成正离子进入电解质中产生阳极溶解，于是在金属表面形成 蚀坑。拉应力在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低， 加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池 反应便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。
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在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I表
示为：
• K>KIC时，加上初始载荷后试样立即断裂。 • KISCC也可以测量裂纹扩展速率da/dt。
17Leabharlann 3、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
• 定义：单位时间内裂纹的扩展量。da/dt=f(KI) • da/dt—KI曲线上的三个阶段： 存在一个门槛值KISCC。当KI＜KISCC时，da/dt =0 或微
貌也是完全脆性的。 （2）断口往往是粗糙的。 （3）在亚稳扩展区可见腐蚀产物带来的颜色变化（黑色或灰
黑色），但深裂纹的裂夹区颜色可能很浅，不易为肉 眼辨认。 （4）由于断裂总是从与介质接触的表面开始，故启裂区表面 附近的断口颜色最深，有时由于腐蚀进展的变化会在 断口上留下海滩花样。 （5）与介质接触表面往往有点蚀或蚀斑。 （6）应注意，有腐蚀产物不是判定应力腐蚀的充分条件。因 为也有可能由于别的机制导致断裂后，断口受到随后 的腐蚀。
另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂。
4、采用电化学保护
采用阴极保护法使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏
感电位区域。
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§7-2 氢 脆
• 定义：由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产 生脆性断裂的现象。
一、氢在金属中的存在形式 • 内含的氢(冶炼和加工中带入的氢)； • 外来的氢(工作中，吸H)； • 以间隙原子状态固溶在金属中； • 以分子状态存在于孔洞、气泡裂纹等处； • 在金属(如V、Nb、Ti、Zr、Hf)中形成氢化物。
在应力腐蚀条件下的剩余寿命。
第Ⅲ阶段裂纹长度接近临界尺寸，da/dt依赖于KI，
材料进入失稳扩展的过渡区。当KI增大到KIC时便
失稳扩展断裂。
四、防止应力腐蚀的措施
应力腐蚀是通过阳极溶解的过程进行的。应力腐蚀机理就是滑
移—溶解理论。它可以简单地归结为四个过程，即滑移—膜
破—阳极溶解—再钝化。
辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口相区别的重要依据。
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3）应力腐蚀断裂途径
(1)根据金属和合金的种类及介 质不同，SCC可以是沿晶的 或穿晶的： 碳钢和铬不锈钢多系沿晶 奥氏体不锈钢多为穿晶 铝、钛、镍也多为沿晶 但也有例外的。
(2)裂纹扩展的宏观方向与应力 有关，大体垂直于主应力， 但裂纹常有分叉现象，呈枯 树枝状。
防止应力腐蚀的方法要视具体的材料— 介质而定。
主要措施：
1、合理选择金属材料
针对机件所受应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的
金属材料。选材时还应尽可能选取KIscc较高的合金。 2、减少或消除机件中的残余拉应力
必要时采用退火工艺以消除应力或采用喷丸等表面处理方法。
3、改善化学介质
一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子；
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2）应力腐蚀断口微观特征
（1）若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数百倍）倍率 下，沿晶断口的形貌是颗粒状。
（2）穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的类似解理形貌。 （3）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。 （4）腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是“泥状花样”
的腐蚀产物。 （5）清洗过的SCC断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿晶型，更易
2、力学因素：减小残余拉应力，尽可能增加残余压 应力。
3、材质因素：降低含氢量，细化组织。合理选择制 备和热处理工艺
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不足道。 第Ⅰ阶段：当KI超过KIscc时裂纹突然加速扩展，
da/dt－KI曲线几乎与纵坐标轴平行。da/dt 值小， 但受K之影响较大。
第II段出现水平线段，da/dt 决定于环境而受应力强
度的影响较小,第II阶段时间越长，材料抗应力腐蚀
性能越好。若通过实验测出某种材料在第II阶段的
da/dt值及第二阶段结束时的KI值，就可估算出机件
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2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
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2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
• K<KISCC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。
• KISCC<K<KIC时，在腐蚀性环境和应力共同作用下，裂纹 呈亚临界扩展，随裂纹不断增长，裂纹尖端K值不断增 大，达到KIC断裂。
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三、钢的氢致延滞断裂机理
• 三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。
• 孕育期：α－Fe晶格中氢原子数量↑+迁移+偏聚
• 1）氢气团导致裂纹
•
氢固溶于α－Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用，
迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。 气团随位错运动，当其遇到障
碍时产生位错塞积，同时氢原子在塞积区聚集。若应力足够大，则在位错塞积
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3、氢化物致脆 与氢有较大亲和力的ⅣB、ⅤB族金属，极易生成脆性氢化
物，氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。使金属脆化。 晶粒粗大，氢化物呈薄片状→较大应力集中→危害大 晶粒细小，氢化物块状不连续分布→危害小 4、氢导致延滞断裂 定义：由于适量以固溶形式存在的氢，金属在低于屈服强
度应力下持续作用经过一段孕育期后，在金属内部形成裂 纹且扩展，最后突然发生的脆性断裂。 特点： 1) 只在一定温度范围内出现； 2) 提高应变速率，可降低材料氢脆的敏感性； 3) 显著降低材料断后延伸率，但有一极限值；而断面收 缩率随含H量增加一直降低； 4) 高强度钢的这类断裂有可逆性。即低应力慢速应变后， 由于氢脆降低塑性，卸载停留一定时间后再进行高速加载 可以恢复塑性，消除氢脆
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三、应力腐蚀抗力指标
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2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
• 定义：在特定介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场 强度因子。
• 含宏观裂纹的试样，恒定载荷，特定介质，测KI~tf曲线。 • KISCC值的测定：1) 恒载荷法：使KI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。2) 恒位移法： 使KI不断减少，用紧凑拉伸试样和螺栓加载。
端部形成较大应力集中，形成裂纹。
• 2）裂纹尖端聚集导致裂纹
• 拉应力促进氢的溶解并通过问错运动向原裂纹尖端区域偏聚。当偏聚的H浓度足
够多时使该区域脆化而产生裂纹。
裂纹的步进式扩展：当新裂纹和原裂纹尖端汇合，裂纹便扩展一段距离，随后
停止。重新经过孕育，再扩展一段距离，形成步进式扩展
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三、钢的氢致延滞断裂机理
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2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
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整个试验过程中载荷恒定，随着裂纹的扩展，裂纹
尖端KI增大，可用下式计算：
KI
4.12M BW 3/ 2
1
[
3
3 ]1/ 2
其中α＝1－a/W
试验时制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不
同恒定载荷，使裂纹尖端产生不同大小的初始应力
场强度因子KI初，记录各种KI初作用下的断裂时间tf， 以KI初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的 即为材料的KIscc
第7章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
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§7-1 应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1、应力腐蚀现象 应力腐蚀断裂(SCC)：金属在拉应力和特定的化学介质
共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现 象。 特点：拉应力，特定介质，时间，脆断。
低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆 不锈钢——氯脆 铜合金——氨脆
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二、氢脆类型及其特征
1、氢蚀(气蚀) • 氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界
结合力减弱而导致金属脆化。 • 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状。 • 微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。 2、白点（发裂） • H过量时，随温度降低合金中H的溶解度降低，容易形成H2,
使H的体积增加形成很大的内压力撕裂金属局部形成裂纹。 这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形，为银白色，因此成为白 点。白点是一种严重的缺陷，降低材料的性能。 • 减弱或消除的方法：精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以 及加入一些微量元素。
路—电化学理论，膜破裂理论、氢脆理论，“化学脆 变—脆性破裂”理论，腐蚀产物楔入理论、隧洞形蚀孔 撕裂理论，应力吸附破裂理论，快速溶解理论，环境破 裂三阶段理论……等。
最基本的是： 滑移—溶解理论(或称钝化模破坏理论)和氢脆理论。
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滑移－溶解理论
在特定化学介质中首先在表面形成一 层钝化膜，在拉应力作用下裂纹尖端 地区产生局部塑性变形，滑移台阶在 表面露头时钝化膜破裂，显露出新表 面。这个新表面在电解质溶液中成为 阳极，具有钝化膜的金属表面为阴极， 从而形成腐蚀微电池。