第7章 应力腐蚀和氢脆断裂
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应力腐蚀和氢脆
▪ 解放初期黄铜子弹壳开裂现象：原因是润滑用肥皂水中 含微量铵离子。
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%。
▪ 控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以下， 以抑制SCC的发生。
▪ 采用外加电流阴极保护法也可以防止SCC的发生， 而且在裂纹形成后还可使其停止发展。
采用电化学保护
▪ 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。
F/A－18舰载机
SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构的临界载荷破裂失效。 在飞机制造时，安装和装配应力也应该消除。材料选择和过程 也能预防SCC，选择较小SCC倾向的铝合金是关键。必须采用 经过长时间时效处理、延展的和消除了应力的铝合金。同样， 利用开发的用于减少应力腐蚀开裂的恰当的铝回火热处理也很 重要。
▪ 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化 的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。
▪ 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物 （泥状花样），或腐蚀坑。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。
枯枝状
泥状花状
奥氏体不锈钢应力腐 蚀断口
1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM)
a) 解理断口Βιβλιοθήκη b) 扇形状或羽毛状的痕迹
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%。
▪ 控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以下， 以抑制SCC的发生。
▪ 采用外加电流阴极保护法也可以防止SCC的发生， 而且在裂纹形成后还可使其停止发展。
采用电化学保护
▪ 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。
F/A－18舰载机
SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构的临界载荷破裂失效。 在飞机制造时，安装和装配应力也应该消除。材料选择和过程 也能预防SCC，选择较小SCC倾向的铝合金是关键。必须采用 经过长时间时效处理、延展的和消除了应力的铝合金。同样， 利用开发的用于减少应力腐蚀开裂的恰当的铝回火热处理也很 重要。
▪ 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化 的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。
▪ 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物 （泥状花样），或腐蚀坑。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。
枯枝状
泥状花状
奥氏体不锈钢应力腐 蚀断口
1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM)
a) 解理断口Βιβλιοθήκη b) 扇形状或羽毛状的痕迹
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.
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。
应力腐蚀
应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
差 异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
•氢脆：
沿晶断裂起源于皮下，呈多源断裂。 断口上撕裂棱较多，二次裂纹较少，尚可观察到平行 条纹花样，但不同于疲劳纹。 在沿晶区能发现韧窝及发纹，在某些区域可观察到氢 所引起的准解理面。
3.3 应力腐蚀和氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。 某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。 二者常常共存。
宏观分叉尺寸较大，有时达几毫米，甚至厘 米。主裂纹上长出两个或多个几乎以相同 速度扩展的分叉裂纹，分叉间常常是锐角。
2、微观特征
1）泥纹状花样，腐蚀产物覆盖断口所致。 2）微观分叉，尺寸较小，通常在一个晶粒范 围内。 3）裂纹既可穿晶，也可沿晶扩展。
三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀
一、应力腐蚀 1、宏观特征
1）断口平齐，垂直于主应力方向，无明显塑性变形 痕迹和唇口，断口一般呈颗粒状，呈现明显的脆 性特征。 2）应力腐蚀是一种局部腐蚀，但裂纹常常被腐蚀产 物覆盖，因而断口灰暗。 3）断口一般有三个区域： 断裂源区、缓慢扩展区、瞬断区
4）应力腐蚀裂纹扩展过程中常常出现分叉。
差 异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
•氢脆：
沿晶断裂起源于皮下，呈多源断裂。 断口上撕裂棱较多，二次裂纹较少，尚可观察到平行 条纹花样，但不同于疲劳纹。 在沿晶区能发现韧窝及发纹，在某些区域可观察到氢 所引起的准解理面。
3.3 应力腐蚀和氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。 某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。 二者常常共存。
宏观分叉尺寸较大，有时达几毫米，甚至厘 米。主裂纹上长出两个或多个几乎以相同 速度扩展的分叉裂纹，分叉间常常是锐角。
2、微观特征
1）泥纹状花样，腐蚀产物覆盖断口所致。 2）微观分叉，尺寸较小，通常在一个晶粒范 围内。 3）裂纹既可穿晶，也可沿晶扩展。
三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀
一、应力腐蚀 1、宏观特征
1）断口平齐，垂直于主应力方向，无明显塑性变形 痕迹和唇口，断口一般呈颗粒状，呈现明显的脆 性特征。 2）应力腐蚀是一种局部腐蚀，但裂纹常常被腐蚀产 物覆盖，因而断口灰暗。 3）断口一般有三个区域： 断裂源区、缓慢扩展区、瞬断区
4）应力腐蚀裂纹扩展过程中常常出现分叉。
氢脆与应力腐蚀断裂的比较
三、氢脆与应力腐蚀断裂的比较
应力腐蚀与氢脆往往同时发生。
因此，要从机理上把应力腐蚀与氢脆清晰区分开来是困难的。
但是从预防的角度来看，区分他们又十分必要，因此，可以作如下的分析（表5-2）。
表5-2 氢脆与应力腐蚀断裂异同
应力腐蚀开裂氢脆
产生条件
1 临界值以上的拉应力或低速度应力
临界值以上的拉应力（三
轴应力）
2 合金发生。
而纯金属不发生
合金与某些纯金属都能发
生
3
一种合金只对少数特定化学介质是敏感
的。
其数量和浓度不一定大
只要含氢或能产生氢（酸
洗、电镀）的情况都能发
生
4 发生温度从室温到300℃从-100～100℃
5 无应力时合金对环境是惰性的
无应力时合金对环境是惰
性的
6 阳极反应阴极反应
7 采用阴极防护能明显改善阴极极化反而促进氢脆
8 受应力作用时间支配不明显
9 对金属组织敏感对金属组织敏感
10 不同的σs有不同的门槛值不同的σs有不同的含氢量
外观形貌特征1 裂纹从表面开始。
断口不平整
裂纹从次表面或内部开
始。
断口较平整
2 裂纹分叉，有二次裂纹几乎不分叉，有二次裂纹
3
裂纹张开度小
裂纹不张开
4
裂纹萌生处可能有腐蚀产物，但不一定有
点蚀
裂纹萌生点在内部与点蚀
无关
5 裂纹萌生点可能是一个或多个
裂纹萌生点可能是一个或
多个
6 裂纹不一定在应力集中处萌生裂纹多在三轴应力区萌生
7 多数为沿晶、奥氏体不锈钢为穿晶断口多数为沿晶
8 沿晶断口上有腐蚀产物断口上没有腐蚀。
[机械电子]金属的应力腐蚀和氢脆断裂
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2. 白点（发裂）
当钢中含有过量的氢肘，随着温度降低， 氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未 能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢 分子。此时。氢的体积发生急剧膨胀，内压 力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。 这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为 银白色。故称为白点。
图6-9为10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上 的白点形貌
（二）. 应力腐蚀断口特征
应力腐蚀的显微裂纹如 图6-2所示，常有分叉现象， 呈枯树枝状。这表明，在应 力腐蚀时，有一主裂纹扩展 较快，其它分支裂纹扩展较 慢。根据这一特征可以将应 力腐蚀与腐蚀疲劳、晶间腐 蚀以及其它形式的断裂区分 开来。
断口的微观形貌丁般为沿晶断裂，也可 能为穿晶解理断裂。其表面可见到“泥状花 样”的腐蚀产物(图6-4a)及腐蚀坑(图6-4b)。
，特别适于单件、成批生产企业使用 。马鞍 车床在 马鞍槽 内可加 工较大 直径工 件。机 床导轨 经淬硬 并精磨 ，操作 方便可 靠。车 床具有 功率大 、转速 高
，刚性强、精度高、噪音低等特点。
12.仪表车床
仪表车床属于简单的卧式车床，一般来 说最大 工件加 工直径 在250mm以下 的机床 ，多属 于
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1. 应力腐蚀现象
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，称为应力腐蚀断裂(Stress Corrosion Cracking，缩写办SCC)。
2. 产生条件
应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐 蚀的条件。
⑴ 应力 在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力。 ⑵ 化学介质 只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能
HRC62-65。约为45号钢硬度的2.7倍 。具有 一定的 红热硬 度，耐 温程度 可达560－600摄氏度 。韧性 和加工 机能较 好。高 速钢刀 具制造 简朴， 刃磨利 便，
应力腐蚀和氢脆
分子态
化合态
▪ 在一般情况下，氢以间隙原子状态固溶在金属中， 对于大多数工业合金，氢的溶解度随温度降低而 降低。
▪ 氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的缺陷(如空 洞、气泡、裂纹等)处以氢分子状态存在。
▪ 氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金属元素作 用生成氢化物，或与金属中的第二相作用生成气 体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中的碳原子作 用形成甲烷等。
▪ 解放初期黄铜子弹壳开裂现象：原因是润滑用肥皂水中 含微量铵离子。
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%。
▪ 当KⅠ值降低到某一临界值（图中为38MPa.m1/2） 时，应力腐蚀开裂实际上就不发生了。这一KⅠ 值称之为应力腐蚀临界场强度因子，也称应力
腐蚀门槛值，以 KⅠSCC表示(SCC表示应力腐蚀 断裂)。
应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
✓试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的 最大应力场强度因子，也称为应力腐蚀门槛值。 ✓表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的 断裂韧度。 ✓一定的材料与介质，KISCC值恒定。是金属材料 的一个力学性能指标。
▪ 钛合金（Ti-8Al-1Mo-1V）的预制裂纹试祥在恒载荷作用下，于 3.5％Nacl水溶液中进行应力腐蚀试验的结果。
Ti-8Al-1Mo-1V预制裂纹试祥的KⅠ-tf曲线
▪ 该合金的KⅠc＝100MPa.m1/2，在3.5％盐水中， 当初始KⅠ值仅为40 MPa.m1/2时，仅几分钟试样 就破坏了。如果将KⅠ值稍微降低，则破坏时间 可大大推迟。
蠕变、应力腐蚀、氢脆
43
2氢脆分类
电镀中常出现氢脆
严格控制电镀工艺，镀后通过对电镀件长时间
烘烤，使游离状的氢得以释放，减轻对镀件产
品的影响。
44
2氢脆分类
环境氢脆
材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境 与介质中产生氢脆。这样的环境通常包括：
1）在纯氢气中（有少量水分）由分子氢造成氢 脆
2）由氢化物，如HF致脆
3）由H2S致脆
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：
19
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。
20
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
（2） 采用预制裂纹的试样 在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏 时间tf随KIi的下降而大大增长。
最大应力强度因子KImax和门槛应力强度因子KIth （KIscc ）
21
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
（2） 采用预制裂纹的试样 在KIth和KImax之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕育期tinc和亚临界裂 纹扩展期二者组成。
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
5.1应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的 最大应力场强度因子，也称为应力腐蚀门槛值。 表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的 断裂韧度。
一定的材料与介质，KISCC值恒定。是金属材料
的一个力学性能指标。
18
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
4
1应力腐蚀定义
应力腐蚀破坏：机器零件受腐蚀介质和静应力 联合作用而失效的现象。
2氢脆分类
电镀中常出现氢脆
严格控制电镀工艺，镀后通过对电镀件长时间
烘烤，使游离状的氢得以释放，减轻对镀件产
品的影响。
44
2氢脆分类
环境氢脆
材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境 与介质中产生氢脆。这样的环境通常包括：
1）在纯氢气中（有少量水分）由分子氢造成氢 脆
2）由氢化物，如HF致脆
3）由H2S致脆
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。
20
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
（2） 采用预制裂纹的试样 在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏 时间tf随KIi的下降而大大增长。
最大应力强度因子KImax和门槛应力强度因子KIth （KIscc ）
21
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
（2） 采用预制裂纹的试样 在KIth和KImax之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕育期tinc和亚临界裂 纹扩展期二者组成。
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
5.1应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的 最大应力场强度因子，也称为应力腐蚀门槛值。 表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的 断裂韧度。
一定的材料与介质，KISCC值恒定。是金属材料
的一个力学性能指标。
18
5应力腐蚀抗力指标及测试方法
4
1应力腐蚀定义
应力腐蚀破坏：机器零件受腐蚀介质和静应力 联合作用而失效的现象。
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在工业上最常见的有： “碱脆”－低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中； “硝脆”－低碳钢和低合金钢在有硝酸根离子介质中； “氯脆”－奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中； “氨脆”－铜合金在氨气介质中； 高强度铝合金－在空气、蒸馏水介质中的脆裂。
产生应力腐蚀断裂：无明显预兆下发生的脆断，常造成灾难 性事故。
7
应力腐蚀产生条件
2. 应力腐蚀断裂产生条件： 应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐蚀的条件。
① 应力条件： 应力可为外加工作应力或残余应力，只有在拉应力作用下，
才能产生。如：焊接应力、热处理应力、装配应力等。 一般来说，应力并不一定很大，若无腐蚀介质作用，构件可
长期工作，不发生断裂。
若裂纹尖端应力集中始终存在， 则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。
15
应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀过程，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I 可表示为：
1 I (VC Va)
R
R－微电池中的电阻； Vc、Va－电池两极的电位
可见，应力腐蚀是由金属与化学介质相互间性质的配合作用 决定的。
随着航空航天、海洋、原子能发电、石油、化工等工业的迅 速发展，对金属材料强度的要求越来越高，接触的化学介质 的条件越加苛刻，致使上述各种断裂形式逐年增多。
因此，金属材料的应力腐蚀和氢脆现象日益受到工程设计人 员及材料科学工作者的重视。
5
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1.应力腐蚀现象 :（Stress Corrosion Cracking) 金属构件在静载拉应力和特定化学介质共同作用下，经过一
材料的变形与断裂
陈康敏
江苏大学材料科学与工程学院 2009年01月
1
2
第一章 应力腐蚀和氢脆断裂
3
第一节 应力腐蚀
4
金属机件在加工过程中常会产生残余应力，在服役过程中 又承受外加载荷，同时又与周围环境中各种化学介质或氢相 接触，便会产个特殊的断裂现象，这就有应力腐蚀断裂和氢 脆断裂等。
这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。
一般说来，当材料所受应力超过某一应力值时，才发生 SCC ，该值称为应力腐蚀断裂临界应力σSCC 。
不同金属或合金，其临界应力值不同，但小于屈服强度σs 。
8
② 介质条件： 只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生。 即一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或络
合物才能导致SCC。 化学介质一般都不是腐蚀性的，或只是弱酸性。若无拉应力
作用，金属在此介质中是耐蚀的或腐蚀速度很慢。
特定化学介质：即每种材料只对某些介质敏感，其浓度也不 一定很高。
如：水中含ppm级浓度的Cl－就能引起奥氏体不锈钢的应力 腐蚀开裂（易发生介质局部增浓作用）。
9
③ 材料条件： 一般认为：纯金属材料不发生SCC，所有合金对应力腐蚀都
有不同程度的敏感性。 但每一种合金，都有对SCC不敏感的合金成分。
（1）若在介质中极化过程相当强烈，则（Vc-Va）很小， 腐蚀将受抑制。
极端情况：阳极金属表面形成了完整的钝化膜，金属呈钝化 态、腐蚀停止。
16
应力腐蚀断裂机理
（2）若在介质中去极化过程很强，则（Vc-Va）很大，腐蚀 电流增大，致使金属表面受到强烈而全面腐蚀，表面不能形 成钝化膜。
此时，即使金属承受拉应力也不产生应力腐蚀，而主要产生 腐蚀损伤。
② 应力腐蚀：属局部腐蚀，裂纹常被腐蚀产物所覆盖，故 断口较灰暗、无金属光泽，可见腐蚀的痕迹。
18
应力腐蚀断口特征
③ 断口宏观也可分为三个区，与疲劳断口相似 A. 断裂源区： 常在材料表面的缺口、刀痕、腐蚀坑、焊接裂纹等处， 裂纹源：常有多个（多源），在不断扩展中合并。 裂纹源的放射中心均有一个腐蚀坑点。
B. 裂纹慢速扩展区： 断口呈脆性、粗糙不平，有腐蚀产物、呈暗褐色。
C. 最后瞬时断裂区： 由过载引起，断口较明亮、具金属光泽，常有放射状花样或
人字纹等特征，腐蚀较轻或无腐蚀。
19
（二）应力腐蚀断口特征
4. 应力腐蚀断口的微观特征： 1）裂纹的扩展途径： 分析表明：SCC裂纹一般由材料表面向内扩展；微观途径：
应力腐蚀现象：只有金属在介质中生成略具钝化膜的条件下， 即金属和介质处于某种程度的钝化与活化过渡区域时才最易 发生。
1 I (VC Va)
R
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应力腐蚀断口特征
应力腐蚀断口：属脆性断裂，宏观上具一般脆性断口的特征。 ① 断口平齐、与主应力垂直，无明显塑变痕迹和唇口，宏
观断口形态一般呈颗粒状。
如Al-Mg合金： 当 Mg > 4％时，对应力腐蚀较为敏感； 当 Mg < 4％时，无论状态如何，几乎都具抗SCC能力。 又如：钢中C 含量在0.12％左右时， SCC敏感性最大。
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应力腐蚀敏感介质
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④ 需经一定时间，才发生SCC，也称“延迟断裂”。 ⑤ 断裂的突然性： 即断裂在无明显觉察下突然发生，属于脆性断裂。 ⑥ 塑性材料与脆性材料均可发生。
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应力腐蚀断裂机理
（3）新鲜表面在电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化 膜金属表面便成为阴极，从而形成腐蚀微电池。
阳极金属：（M→M十n＋ne），变成正离子进入电解质中而 产生溶解，则在表面形成蚀坑。
（4）更主要的是，拉应力在蚀坑或原有裂纹尖端形成应力 集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
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应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀断裂最基本机理：是滑移－溶解理论(或称钝化膜 破坏理论)和氢脆理论。
对应力腐蚀敏感的合金在特定化学介质中， （1）表面先形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，
即处于钝化态。若无应力作用，金属不会发生腐蚀破坏。
（2）若有拉应力作用，则 可使裂纹尖端产生局部塑 性变形，滑移台阶在表面 露头时钝化膜破裂，显露 出新鲜表面。
段时间后，因电化学腐蚀所导致的正常延性材料发生早期低 应力脆性延迟破坏现象－－应力腐蚀断裂（SCC）。
应力腐蚀断裂：并不是金属在应力作用下的机械性破坏与化 学介质作用下的腐蚀性破坏的迭加所致。
而是在两者联合作用下，按特有机理产生的断裂。其断裂强 度比单因素分别作用后再迭加的还要低得多。
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大多数金属材料：在一定介质中都有应力腐蚀倾向。
产生应力腐蚀断裂：无明显预兆下发生的脆断，常造成灾难 性事故。
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应力腐蚀产生条件
2. 应力腐蚀断裂产生条件： 应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐蚀的条件。
① 应力条件： 应力可为外加工作应力或残余应力，只有在拉应力作用下，
才能产生。如：焊接应力、热处理应力、装配应力等。 一般来说，应力并不一定很大，若无腐蚀介质作用，构件可
长期工作，不发生断裂。
若裂纹尖端应力集中始终存在， 则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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应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀过程，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I 可表示为：
1 I (VC Va)
R
R－微电池中的电阻； Vc、Va－电池两极的电位
可见，应力腐蚀是由金属与化学介质相互间性质的配合作用 决定的。
随着航空航天、海洋、原子能发电、石油、化工等工业的迅 速发展，对金属材料强度的要求越来越高，接触的化学介质 的条件越加苛刻，致使上述各种断裂形式逐年增多。
因此，金属材料的应力腐蚀和氢脆现象日益受到工程设计人 员及材料科学工作者的重视。
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一、应力腐蚀现象及其产生条件
1.应力腐蚀现象 :（Stress Corrosion Cracking) 金属构件在静载拉应力和特定化学介质共同作用下，经过一
材料的变形与断裂
陈康敏
江苏大学材料科学与工程学院 2009年01月
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2
第一章 应力腐蚀和氢脆断裂
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第一节 应力腐蚀
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金属机件在加工过程中常会产生残余应力，在服役过程中 又承受外加载荷，同时又与周围环境中各种化学介质或氢相 接触，便会产个特殊的断裂现象，这就有应力腐蚀断裂和氢 脆断裂等。
这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。
一般说来，当材料所受应力超过某一应力值时，才发生 SCC ，该值称为应力腐蚀断裂临界应力σSCC 。
不同金属或合金，其临界应力值不同，但小于屈服强度σs 。
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② 介质条件： 只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生。 即一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或络
合物才能导致SCC。 化学介质一般都不是腐蚀性的，或只是弱酸性。若无拉应力
作用，金属在此介质中是耐蚀的或腐蚀速度很慢。
特定化学介质：即每种材料只对某些介质敏感，其浓度也不 一定很高。
如：水中含ppm级浓度的Cl－就能引起奥氏体不锈钢的应力 腐蚀开裂（易发生介质局部增浓作用）。
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③ 材料条件： 一般认为：纯金属材料不发生SCC，所有合金对应力腐蚀都
有不同程度的敏感性。 但每一种合金，都有对SCC不敏感的合金成分。
（1）若在介质中极化过程相当强烈，则（Vc-Va）很小， 腐蚀将受抑制。
极端情况：阳极金属表面形成了完整的钝化膜，金属呈钝化 态、腐蚀停止。
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应力腐蚀断裂机理
（2）若在介质中去极化过程很强，则（Vc-Va）很大，腐蚀 电流增大，致使金属表面受到强烈而全面腐蚀，表面不能形 成钝化膜。
此时，即使金属承受拉应力也不产生应力腐蚀，而主要产生 腐蚀损伤。
② 应力腐蚀：属局部腐蚀，裂纹常被腐蚀产物所覆盖，故 断口较灰暗、无金属光泽，可见腐蚀的痕迹。
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应力腐蚀断口特征
③ 断口宏观也可分为三个区，与疲劳断口相似 A. 断裂源区： 常在材料表面的缺口、刀痕、腐蚀坑、焊接裂纹等处， 裂纹源：常有多个（多源），在不断扩展中合并。 裂纹源的放射中心均有一个腐蚀坑点。
B. 裂纹慢速扩展区： 断口呈脆性、粗糙不平，有腐蚀产物、呈暗褐色。
C. 最后瞬时断裂区： 由过载引起，断口较明亮、具金属光泽，常有放射状花样或
人字纹等特征，腐蚀较轻或无腐蚀。
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（二）应力腐蚀断口特征
4. 应力腐蚀断口的微观特征： 1）裂纹的扩展途径： 分析表明：SCC裂纹一般由材料表面向内扩展；微观途径：
应力腐蚀现象：只有金属在介质中生成略具钝化膜的条件下， 即金属和介质处于某种程度的钝化与活化过渡区域时才最易 发生。
1 I (VC Va)
R
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应力腐蚀断口特征
应力腐蚀断口：属脆性断裂，宏观上具一般脆性断口的特征。 ① 断口平齐、与主应力垂直，无明显塑变痕迹和唇口，宏
观断口形态一般呈颗粒状。
如Al-Mg合金： 当 Mg > 4％时，对应力腐蚀较为敏感； 当 Mg < 4％时，无论状态如何，几乎都具抗SCC能力。 又如：钢中C 含量在0.12％左右时， SCC敏感性最大。
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应力腐蚀敏感介质
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④ 需经一定时间，才发生SCC，也称“延迟断裂”。 ⑤ 断裂的突然性： 即断裂在无明显觉察下突然发生，属于脆性断裂。 ⑥ 塑性材料与脆性材料均可发生。
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应力腐蚀断裂机理
（3）新鲜表面在电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化 膜金属表面便成为阴极，从而形成腐蚀微电池。
阳极金属：（M→M十n＋ne），变成正离子进入电解质中而 产生溶解，则在表面形成蚀坑。
（4）更主要的是，拉应力在蚀坑或原有裂纹尖端形成应力 集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
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应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀断裂最基本机理：是滑移－溶解理论(或称钝化膜 破坏理论)和氢脆理论。
对应力腐蚀敏感的合金在特定化学介质中， （1）表面先形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，
即处于钝化态。若无应力作用，金属不会发生腐蚀破坏。
（2）若有拉应力作用，则 可使裂纹尖端产生局部塑 性变形，滑移台阶在表面 露头时钝化膜破裂，显露 出新鲜表面。
段时间后，因电化学腐蚀所导致的正常延性材料发生早期低 应力脆性延迟破坏现象－－应力腐蚀断裂（SCC）。
应力腐蚀断裂：并不是金属在应力作用下的机械性破坏与化 学介质作用下的腐蚀性破坏的迭加所致。
而是在两者联合作用下，按特有机理产生的断裂。其断裂强 度比单因素分别作用后再迭加的还要低得多。
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大多数金属材料：在一定介质中都有应力腐蚀倾向。