金属的应力腐蚀和氢脆断裂材料力学性能资料
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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。
工程材料力学性能
2、产生条件
（1）应力：机件所承受的应力包括工作应力和残余应力。在化学 介质诱导开裂过程起作用的是拉应力，且产生应力腐蚀的应力 不一定很大。
（2）化学介质：只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产 生应力腐蚀。
（3）金属材料：一般纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力 腐蚀均有不同程度的敏感性。在每一种合金系列中，都有对应 力腐蚀不敏感的合金成分（如镁铝合金）。
分子氢：气态H2存在于金属内部的气孔、裂缝等大缺陷处； 氢还可以与各种合金元素溶质原子、晶体缺陷、各种化合物相 发生程度不同的结合。
二、氢脆的种类及其特征
1.氢脆 （1）氢应力开裂，又叫内氢脆。它主要在碳钢、低合金钢，尤其在高
强钢中发生。当钢中含有0.1－10ppm氢并受到慢速应变（或承受一定 水平以上的拉应力）时出现裂纹而脆化、脆断。一般有一个孕育期， 发生温度范围为－100－100℃。典型如氢致延滞断裂。 （2）氢环境脆化是指钢、镍基合金、钛合金等在氢压0.01－102MPa环 境中，慢速应变时出现的脆化。发生温度范围为－100－700℃，无孕 育期。
（3）氢蚀（氢+第二相→高压气体） 发生的温度较氢鼓泡高，在205－595℃。例如碳钢在300－
500℃的高压氢气氛中工作，氢与钢中的碳结合生成CH4而鼓泡 ，在晶界处达到一定密度后，金属塑性大幅降低。
宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。 微观断口晶界明显加宽，呈沿晶断裂。
（4）白点（发裂） 通常发生于大型钢锻件中。一般认为冶炼或热加工时溶入的
4）断口微观特征：应力腐蚀一般为沿晶断裂，也有穿晶解理断裂 ，有较多的腐蚀产物，裂源处腐蚀产物最多。氢致延迟断裂多数为沿 晶断裂，也有穿晶解理断裂或准解理断裂。断口上常有大量的撕裂岭 ，个别地方有韧窝。如未在腐蚀环境中放置，一般无腐蚀产物。
第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂
应力σscc ➢ 不能客观反映SCC抗力
tf=t裂纹形成(90%tf)+t扩展
中国石油大学 China University of Petroleum
材料性能学 Property of Materials
不能反映实际SCC抗力?
实际存在裂纹 断裂力学原理，预制裂纹，引入KI的概念 →应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
材料性能学 Property of Materials
§6.1 金属腐蚀概述
一、定义
金属与腐蚀介质相互接触由于化学或电化学原 因使材料遭受破坏或性能恶化的过程。
本质： 金属（高能态） → 化合物（低能态） △G﹤0， 自发过程 不可逆过程
中国石油大学 China University of Petroleum
中国石油大学 China University of Petroleum
材料性能学 Property of Materials
SCC（Stress Corrosion Cracking）
材料类型
腐蚀介质类型
低碳(低合金)钢
苛性碱溶液 含硝酸根离子介质
奥氏体不锈钢
含氯离子介质
铜合金
氨气介质
高强铝合金
材料性能学 Property of Materials
金属在25度时的标准电极电位EO（V，SHE）
电极反应
K=K++e Na=Na++e Mg=Mg2++2e Al=Al3++3e Ti=Ti2++2e Mn=Mn2++2e Cr=Cr2++2e Zn=Zn2++2e Cr=Cr3++3e Fe=Fe2++2e Cd=Cd2++2e Mn=Mn3++3e Co=Co2++2e
tf=t裂纹形成(90%tf)+t扩展
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材料性能学 Property of Materials
不能反映实际SCC抗力?
实际存在裂纹 断裂力学原理，预制裂纹，引入KI的概念 →应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
材料性能学 Property of Materials
§6.1 金属腐蚀概述
一、定义
金属与腐蚀介质相互接触由于化学或电化学原 因使材料遭受破坏或性能恶化的过程。
本质： 金属（高能态） → 化合物（低能态） △G﹤0， 自发过程 不可逆过程
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材料性能学 Property of Materials
SCC（Stress Corrosion Cracking）
材料类型
腐蚀介质类型
低碳(低合金)钢
苛性碱溶液 含硝酸根离子介质
奥氏体不锈钢
含氯离子介质
铜合金
氨气介质
高强铝合金
材料性能学 Property of Materials
金属在25度时的标准电极电位EO（V，SHE）
电极反应
K=K++e Na=Na++e Mg=Mg2++2e Al=Al3++3e Ti=Ti2++2e Mn=Mn2++2e Cr=Cr2++2e Zn=Zn2++2e Cr=Cr3++3e Fe=Fe2++2e Cd=Cd2++2e Mn=Mn3++3e Co=Co2++2e
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，
材料力学性能 第六章-1
一、应力腐蚀现象及其产生条件
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 • 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论 钝化膜破坏理论） 理论。 理论。
金属表面形成钝化膜 →拉应力 钝化膜破裂 拉应力→钝化膜破裂 拉应力 →露出新鲜表面 露出新鲜表面 →新鲜表面为阳极，钝化膜表面为阴极 新鲜表面为阳极， 新鲜表面为阳极 →腐蚀微电池 腐蚀微电池 →阳极溶解 阳极溶解 →形成烛坑。 形成烛坑。 形成烛坑
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
§6.1
应 力 腐 Βιβλιοθήκη 氢 脆§6.2§6.1 应 力 腐 蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件 二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 三、应力腐蚀抗力指标 四、防止应力腐蚀的措施
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， 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。 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。 • 应力腐蚀断裂，是在应力和化学介质的联合作用下， 应力腐蚀断裂，是在应力和化学介质的联合作用下， 按特有机理产生的断裂。 按特有机理产生的断裂。 • 绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。 绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。 2. 产生条件 • （1）应力，主要是拉应力。 ）应力，主要是拉应力。 • （2）化学介质，特定的化学介质。 ）化学介质，特定的化学介质。 • （3）金属材料，主要是合金。 ）金属材料，主要是合金。
试样实验时必须制备一组尺寸相同的试样， 试样实验时必须制备一组尺寸相同的试样， 每个试样承受不同的恒定载荷F， 每个试样承受不同的恒定载荷 ， 使裂纹尖端产生不同大小的K 初 使裂纹尖端产生不同大小的 I初， 记录试样在各种K 初作用下的断裂时间 记录试样在各种 I初作用下的断裂时间tf， 曲线水平部分对应的KI初就是材料的 ISCC。 初就是材料的K
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。
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⑵氢在金属中可通过扩散聚集在较大缺陷 （如空洞、气泡、裂纹）处，以氢分子状态存在。 ⑶还可能与一些过渡族、稀土或碱土金属元 素作用生成氢化物。
⑷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。
20
二、氢脆类型及其特征 由于氢在金属中存在的状态不同以及氢与金 属交互作用性质的不同，氢可通过不同的机件使 金属脆化，因而氢脆的种类很多。常见的几种氢 脆及其特征： 1、氢蚀（或称气蚀） 是由于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。这 种氢脆现象的断裂源产生在与高温、高压氢气相 接触的部位。碳钢在低于220℃时，不产生氢脆。 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状（沿晶）。 微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂。
21
2、白点（发裂、发纹）
氢的溶解度 ↓，形成气泡体积↑，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。内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂 纹。 宏观特征：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白 色，故称白点。甚至有白线。如图所示
消除：一般出现在大锻件中。采用精炼除气、
锻后缓冷或等稳退火以及在钢中加入稀土或其它微
当外加 小的阳极电流 而缩短产生裂纹时间的
是应力腐蚀（图c），当外加小的阴极电流而缩短
产生裂纹时间的是氢致延滞断裂（图d）。
28
五、防止氢脆的措施
1、环境因素 减少吸氢的可能性。如采用表面涂层，使机件 表面与环境介质中的氢隔离。 2、力学因素
减小残余拉应力，采用表面处理使表面获得残
余压应力层，对防止氢致延滞断裂有良好的作用。 3、材质因素 含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感 性较低；钢的强度越高，对氢脆越敏感；降低含氢
致脆有明显影响。
23
4、氢致延滞断裂
高强度钢或 α ＋ β钛合金中，含有适量的处于固
溶状态 的氢 （ 原来存 在的或 从环境 介质中 吸收
的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过 一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉应 力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆 性断裂。
⑴定义：这种 由于氢的作用而产生的延滞断裂
裂，纯金属不会产生。在每一种合金系列中，都有
对应力腐蚀不敏感的合金成分。如：铝镁合金中当 含镁量超过 4 ％，对应力腐蚀很敏感，而镁含量小 于 4 ％时，无论热处理条件如何，它几乎都具有抗 腐蚀的能力。又如，钢中在含碳量在 0.12％左右时，
应力腐蚀敏感性最大。
7
二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征
量；细化组织。
29
作业 P137 1 ； 2； 3； 7。
思考题： P138 8
30
1937年由壳牌公司（The Company）在布鲁
塞尔举办的一次腐蚀展览会上，有如下的一块展牌：
即当你用不到5秒钟的时间来读这块牌子时， 将近1吨的铁变为废物。据统计，每年由于腐蚀 造成的金属损失在1亿吨以上，占世界金属总产 量的20％～40％。
示。
对于大多数金属材料，在特定的化学介质中的
ΚⅠscc值是一定的。
13
测定金属材料的 KISCC 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，所
用试样与测定的 KIC 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。 （6-2）
通过做出ΚⅠ初 — lgtf的关系图线，便可从曲线
用而导致金属材料产生脆性断裂的现象。
1、氢的来源
可分为 内含的 和 外来的 两种。前者是指金属
在熔炼过程中及随后的加工制造过程（如焊接、
酸洗、电镀等）中吸收的氢；后者是金属机件在 服役时环境介质中含有的氢。
19
2、氢在金属中的存在形式
⑴以间隙原子状态固溶在金属中，对大多数
工业合金，氢的溶解度随温度的降低而降低。
（一）应力腐蚀断裂机理 机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所 有的应力腐蚀断裂现象，应力腐蚀断裂最基本的机 理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆
理论。
在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐蚀开裂 理论。 1、以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论 如图所示。 （该理论只能很好地解释沿晶断裂
的应力腐蚀）
第Ⅱ阶段时间越长材料抵抗应力腐蚀性能越好。
由图6-7中第Ⅱ阶段的da/dt—KI两个数值的关系，
可以估算机件的剩余寿命。
15
四、防止应力腐蚀的措施
从导致应力腐蚀的三要素（三个条件）下手。 1、合理选择金属材料 根据机件所承受的应力和接触的化学介质，选 用耐应力腐蚀的金属材料（避开灵敏材料）。即选
用KⅠscc较高的合金。
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
金属机件（或构件）在服役过程中经常要与周 围环境中的各种介质相接触。环境介质对金属材料
力学性能的影响，称为环境效应。
由于环境效应的作用，金属所承受的应力即使
低于其屈服强度也会产生突然断裂的现象，即为环
境断裂。知识拓展
1
在静载荷作用下的环境断裂有应力腐蚀和氢脆
断裂等，因为它们是随时间延续而造成的断裂，故
如①铜对氨对的应力腐蚀敏感性高，选用材料 时避免使用铜合金。②在高浓度氯化物介质中，采 用不含镍、铜或仅含微量镍、铜的低碳高铬铁素体 不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢，也可选用镍基
和铁镍基耐蚀合金。
16
2、减少或消除机件中的残余应力
降低设计应力、消除或降低残余拉应力、采用表 面处理的方法（喷丸、表面热处理等方法）使表面 产生残余压应力。 3、改变介质条件
引入应力场强度因子的概念来研究金属材料抗
应力腐蚀性能，即应力腐蚀临界应力场强度因子
ΚⅠscc和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt。
12
1、临界应力场强度因子KISCC
试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，
带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时
间与初始应力场强度因子KI初有关。如图所示 将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称为应力腐蚀临界应力场 强度因子 （或称为应力腐蚀门槛值），以 KISCC 表
将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。
11
三、应力腐蚀抗力指标 （断裂力学在应力腐
蚀开裂中的应用）
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金属材料的 抗应力腐蚀性能（见图6-4）。 用常规方法测定的 σ～ tf 曲线，得到的 σSCC不能 客观地反映材料的应力腐蚀抗力。（无裂纹）
8
2、晶界微电池溶解理论
在 γ 体护环钢的龟裂现象中发现：沉淀于晶界
的碳化物其实为类似珠光体的结构，该结构与介质
形成微电池并迅速溶解，导致脆断。断裂过程分为
亚稳扩展区和瞬时扩展区。
9
(二)应力腐蚀断口特征
1、宏观断口特征
与疲劳断口相似；
不同之处是：在裂纹源及亚稳扩展区可见到 腐蚀产物和氧化现象，常呈现黑色或灰黑色具有 脆性特征。瞬时断裂区（失稳扩展区、最后断裂
应力状况：应变速率高，不会出现氢脆。拉应力
促进H溶解。
26
三、钢的氢致延滞断裂机理
钢的表面单纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，氢 必须进行α-Fe晶格中并偏聚到一定浓度后才能形成裂 纹。 因此，由环境介质中的氢引起氢致延滞断裂的孕
育阶段必须经过需要时间的三个步骤：
氢原子进入钢中、氢在钢中的迁移和氢的偏聚。
区）一般为快速撕裂破坏，显示材料的特性。
10
2、微观特征
⑴断口的微观形貌一般为沿晶断裂，也可能
为穿晶断裂。
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6-3b）。
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，有一主裂纹
扩展较快，其它分枝扩展较慢，根据这一特征可
现象称为氢致延滞断裂 。工程上所说的氢脆多为
此类氢脆。
24
⑵特点： ◆只在一定温度范围内出现，如高强度钢多出
现在-100~150℃之间，在室温下最敏感。
◆提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低，
因此，只有在慢速加载（恒载）试验中才能显示这
类脆性。
◆可显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢
量超过一定数值后，断后伸长率不再变化。 ◆高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。
事故。
4
⑶常见的应力腐蚀断裂形式（如表所示）：
◆低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”
和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”；
◆奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯
脆”；
◆铜合金在氨气介质中的“氨脆”；
◆高强度铝合金在空气、蒸馏水介质中的脆裂
等。
5
2、产生条件
拉应力、特定化学介质和金属材料是产生应
的水平部分所对应的ΚⅠ初值即为材料的ΚⅠscc。
14
2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
当应力腐蚀裂纹尖端的 KI>KISCC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，da/dt。
da lg K dt
关系曲线分三个阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或初
始、稳定、失稳），如图6-7所示。
（1）定义
应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
金属在 拉应力 和 特定的介质共同作用 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,
SCC）。
应力腐蚀断裂没有任何明显征兆，会产生灾
难性的后果。
3
⑵特点
◆拉应力，特定介质，时间，脆断。 ◆并不是两种破坏形式的叠加，而是按照特定 机理，比叠加起来的抗力还要低的多。 ◆无论是韧性材料还是脆性材料，均没有明显 的征兆就发生低应力脆性断裂，常常造成灾难性
⑷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。
20
二、氢脆类型及其特征 由于氢在金属中存在的状态不同以及氢与金 属交互作用性质的不同，氢可通过不同的机件使 金属脆化，因而氢脆的种类很多。常见的几种氢 脆及其特征： 1、氢蚀（或称气蚀） 是由于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。这 种氢脆现象的断裂源产生在与高温、高压氢气相 接触的部位。碳钢在低于220℃时，不产生氢脆。 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状（沿晶）。 微观断口上晶界明显加宽，呈沿晶断裂。
21
2、白点（发裂、发纹）
氢的溶解度 ↓，形成气泡体积↑，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。内压力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂 纹。 宏观特征：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白 色，故称白点。甚至有白线。如图所示
消除：一般出现在大锻件中。采用精炼除气、
锻后缓冷或等稳退火以及在钢中加入稀土或其它微
当外加 小的阳极电流 而缩短产生裂纹时间的
是应力腐蚀（图c），当外加小的阴极电流而缩短
产生裂纹时间的是氢致延滞断裂（图d）。
28
五、防止氢脆的措施
1、环境因素 减少吸氢的可能性。如采用表面涂层，使机件 表面与环境介质中的氢隔离。 2、力学因素
减小残余拉应力，采用表面处理使表面获得残
余压应力层，对防止氢致延滞断裂有良好的作用。 3、材质因素 含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感 性较低；钢的强度越高，对氢脆越敏感；降低含氢
致脆有明显影响。
23
4、氢致延滞断裂
高强度钢或 α ＋ β钛合金中，含有适量的处于固
溶状态 的氢 （ 原来存 在的或 从环境 介质中 吸收
的），在低于屈服强度的应力持续作用下，经过 一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉应 力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆 性断裂。
⑴定义：这种 由于氢的作用而产生的延滞断裂
裂，纯金属不会产生。在每一种合金系列中，都有
对应力腐蚀不敏感的合金成分。如：铝镁合金中当 含镁量超过 4 ％，对应力腐蚀很敏感，而镁含量小 于 4 ％时，无论热处理条件如何，它几乎都具有抗 腐蚀的能力。又如，钢中在含碳量在 0.12％左右时，
应力腐蚀敏感性最大。
7
二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征
量；细化组织。
29
作业 P137 1 ； 2； 3； 7。
思考题： P138 8
30
1937年由壳牌公司（The Company）在布鲁
塞尔举办的一次腐蚀展览会上，有如下的一块展牌：
即当你用不到5秒钟的时间来读这块牌子时， 将近1吨的铁变为废物。据统计，每年由于腐蚀 造成的金属损失在1亿吨以上，占世界金属总产 量的20％～40％。
示。
对于大多数金属材料，在特定的化学介质中的
ΚⅠscc值是一定的。
13
测定金属材料的 KISCC 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，所
用试样与测定的 KIC 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。 （6-2）
通过做出ΚⅠ初 — lgtf的关系图线，便可从曲线
用而导致金属材料产生脆性断裂的现象。
1、氢的来源
可分为 内含的 和 外来的 两种。前者是指金属
在熔炼过程中及随后的加工制造过程（如焊接、
酸洗、电镀等）中吸收的氢；后者是金属机件在 服役时环境介质中含有的氢。
19
2、氢在金属中的存在形式
⑴以间隙原子状态固溶在金属中，对大多数
工业合金，氢的溶解度随温度的降低而降低。
（一）应力腐蚀断裂机理 机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所 有的应力腐蚀断裂现象，应力腐蚀断裂最基本的机 理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆
理论。
在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐蚀开裂 理论。 1、以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论 如图所示。 （该理论只能很好地解释沿晶断裂
的应力腐蚀）
第Ⅱ阶段时间越长材料抵抗应力腐蚀性能越好。
由图6-7中第Ⅱ阶段的da/dt—KI两个数值的关系，
可以估算机件的剩余寿命。
15
四、防止应力腐蚀的措施
从导致应力腐蚀的三要素（三个条件）下手。 1、合理选择金属材料 根据机件所承受的应力和接触的化学介质，选 用耐应力腐蚀的金属材料（避开灵敏材料）。即选
用KⅠscc较高的合金。
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
金属机件（或构件）在服役过程中经常要与周 围环境中的各种介质相接触。环境介质对金属材料
力学性能的影响，称为环境效应。
由于环境效应的作用，金属所承受的应力即使
低于其屈服强度也会产生突然断裂的现象，即为环
境断裂。知识拓展
1
在静载荷作用下的环境断裂有应力腐蚀和氢脆
断裂等，因为它们是随时间延续而造成的断裂，故
如①铜对氨对的应力腐蚀敏感性高，选用材料 时避免使用铜合金。②在高浓度氯化物介质中，采 用不含镍、铜或仅含微量镍、铜的低碳高铬铁素体 不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢，也可选用镍基
和铁镍基耐蚀合金。
16
2、减少或消除机件中的残余应力
降低设计应力、消除或降低残余拉应力、采用表 面处理的方法（喷丸、表面热处理等方法）使表面 产生残余压应力。 3、改变介质条件
引入应力场强度因子的概念来研究金属材料抗
应力腐蚀性能，即应力腐蚀临界应力场强度因子
ΚⅠscc和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt。
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1、临界应力场强度因子KISCC
试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，
带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时
间与初始应力场强度因子KI初有关。如图所示 将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称为应力腐蚀临界应力场 强度因子 （或称为应力腐蚀门槛值），以 KISCC 表
将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。
11
三、应力腐蚀抗力指标 （断裂力学在应力腐
蚀开裂中的应用）
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金属材料的 抗应力腐蚀性能（见图6-4）。 用常规方法测定的 σ～ tf 曲线，得到的 σSCC不能 客观地反映材料的应力腐蚀抗力。（无裂纹）
8
2、晶界微电池溶解理论
在 γ 体护环钢的龟裂现象中发现：沉淀于晶界
的碳化物其实为类似珠光体的结构，该结构与介质
形成微电池并迅速溶解，导致脆断。断裂过程分为
亚稳扩展区和瞬时扩展区。
9
(二)应力腐蚀断口特征
1、宏观断口特征
与疲劳断口相似；
不同之处是：在裂纹源及亚稳扩展区可见到 腐蚀产物和氧化现象，常呈现黑色或灰黑色具有 脆性特征。瞬时断裂区（失稳扩展区、最后断裂
应力状况：应变速率高，不会出现氢脆。拉应力
促进H溶解。
26
三、钢的氢致延滞断裂机理
钢的表面单纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，氢 必须进行α-Fe晶格中并偏聚到一定浓度后才能形成裂 纹。 因此，由环境介质中的氢引起氢致延滞断裂的孕
育阶段必须经过需要时间的三个步骤：
氢原子进入钢中、氢在钢中的迁移和氢的偏聚。
区）一般为快速撕裂破坏，显示材料的特性。
10
2、微观特征
⑴断口的微观形貌一般为沿晶断裂，也可能
为穿晶断裂。
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6-3b）。
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，有一主裂纹
扩展较快，其它分枝扩展较慢，根据这一特征可
现象称为氢致延滞断裂 。工程上所说的氢脆多为
此类氢脆。
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⑵特点： ◆只在一定温度范围内出现，如高强度钢多出
现在-100~150℃之间，在室温下最敏感。
◆提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低，
因此，只有在慢速加载（恒载）试验中才能显示这
类脆性。
◆可显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢
量超过一定数值后，断后伸长率不再变化。 ◆高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。
事故。
4
⑶常见的应力腐蚀断裂形式（如表所示）：
◆低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”
和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”；
◆奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯
脆”；
◆铜合金在氨气介质中的“氨脆”；
◆高强度铝合金在空气、蒸馏水介质中的脆裂
等。
5
2、产生条件
拉应力、特定化学介质和金属材料是产生应
的水平部分所对应的ΚⅠ初值即为材料的ΚⅠscc。
14
2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
当应力腐蚀裂纹尖端的 KI>KISCC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，da/dt。
da lg K dt
关系曲线分三个阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或初
始、稳定、失稳），如图6-7所示。
（1）定义
应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
金属在 拉应力 和 特定的介质共同作用 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,
SCC）。
应力腐蚀断裂没有任何明显征兆，会产生灾
难性的后果。
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⑵特点
◆拉应力，特定介质，时间，脆断。 ◆并不是两种破坏形式的叠加，而是按照特定 机理，比叠加起来的抗力还要低的多。 ◆无论是韧性材料还是脆性材料，均没有明显 的征兆就发生低应力脆性断裂，常常造成灾难性