第7章-应力腐蚀和氢脆断裂.pptVIP

陈康敏江苏大学材料科学与工程学院2009年01月第一章应力腐蚀和氢脆断裂第一节应力腐蚀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。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。一、应力腐蚀现象及其产生条件1.应力腐蚀现象:（StressCorrosionCracking)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。大多数金属材料：在一定介质中都有应力腐蚀倾向。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。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。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。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）。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。如Al-Mg合金：当Mg4％时，对应力腐蚀较为敏感；当Mg4％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。应力腐蚀敏感介质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。二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征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。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。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：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。（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。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。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。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