Transcript chapter6-应力腐蚀与氢脆

材料力学性能
Mechanical Property of Materials
Prof： Li Min
Tel： 86057927 ( 2#333 )
13863933539
E-Mail：[email protected]
Department of Material Science and Engineering
Mechanical Property of Materials
Chapter Ⅵ
Stress Corrosion Cracking
and Hydrogen Embrittlement
 应力腐蚀 ( SCC )
 氢脆 ( HE )
Chapter
Ⅵ
1967年，美国连接西弗吉尼亚州和俄亥俄州的俄亥俄桥
倒塌，造成过桥的31辆车落入河中，46人死亡。
1985年，日本一架波音747客机由于发生应力腐蚀破裂而
坠毁，一次死亡500多人。
英国内普罗石油化工公司环己烷氧化装置的旁通管发生硝
酸盐应力腐蚀破裂，引起环己烷蒸汽管爆炸，死28人，损
失达1亿美元。
Chapter
Ⅵ
 应力腐蚀
一、应力腐蚀及其产生条件
1、定义与特点
（1）定义
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。
（2）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。
Chapter
Ⅵ
2、产生条件
应力：外应力、残余应力
化学介质：一定材料对应一定的化学介质
金属材料：化学成分
金属或合金
腐
蚀
介
质
软钢
NaOH,硝酸盐溶液,(硅酸纳+硝酸钙)溶液
碳钢和低合金钢
42%Mgcl2溶液,HCN
奥氏体不锈钢
氯化物溶液,高温高压蒸馏水
铜和铜合金
氨蒸气,汞盐溶液,含SO2大气
镍和镍合金
NaOH水溶液
蒙乃尔合金
HF酸,氟硅酸溶液
铝合金
熔融Nacl,Nacl水溶液,海水,水蒸气,含SO2大气
铅
Pb(AC)2溶液
镁
海洋大气,蒸馏水,Kcl-K2CrO4溶液
Chapter
Ⅵ
二、应力腐蚀开裂机理及断口形貌特征
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（有钝化膜的金
属为阴极，新鲜金属为阳极）；
c）应力集中，使阳极电极电位
降低，加大腐蚀；
d）若应力集中始终存在，则微
电池反应不断进行，钝化膜不能恢
复。则裂纹逐步向纵深扩展。
Chapter
Ⅵ
• 应力腐蚀破裂可以看成是电化学腐蚀和应力的
机械破坏互相促进的结果。
静态金属阳极区
（稳定阳极）
阴极C
A
A*
迅速
屈服
溶液
屈服金属阳
极区
（动力阳极）
A
阴极C
A区（裂纹两侧）:
A*区（裂纹尖端）:
电流密度 ~ 10-5A/cm2
电流密度 ~ 0.5A/cm2
奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂模型图
1/2O2+H2O+2e
2OH-
2、断口特征
宏观：有亚稳扩展
区，最后瞬断区（与疲
劳裂纹相似）；断口呈
黑色或灰色。
微观：显微裂纹呈枯
树枝状；腐蚀坑；沿晶
断裂和穿晶断裂。
Chapter
Ⅵ
Chapter
Ⅵ
三、力学性能指标
通常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。
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。
Chapter
Ⅵ
1、临界应力场强度因子KISCC
恒定载荷，特定介质，测KI-tf曲线。
将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。
当裂纹前端的应力场强度因子KI大于材料的
KISCC时，材料就可能产生应力腐蚀开裂而导致破
坏，其开裂判据为：
K 1  K Iscc
Chapter
Ⅵ
Chapter
Ⅵ
• 2、裂纹扩展速度da/dt
当裂纹尖端的KI> KISCC时，裂纹就会随时间而长
大。单位时间内裂纹的扩展量叫做应力腐蚀裂纹扩展
速率，用da/dt表示，实验证明，da/dt和裂纹前端的
应力场强度因子有关。即
da
dt
 f K 1 
Chapter
Ⅵ
lg（da/dt）~ KI 曲线上的三个阶段
（初始、稳定、失稳），可以估
算机件的剩余寿命。
第Ⅰ阶段，当: KI>KIscc时，裂纹经过一段孕
育期后突然加速扩展， da/dt与KI的关系曲
线几乎与纵坐标轴平行。
第Ⅱ阶段，曲线出现水平段， da/dt与KI几
乎无关，因为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹
扩展主要受电化学过程控制。
第Ⅲ阶段，裂纹长度已接近临界尺寸，
da/dt又明显地依赖KI， da/dt 随KI而增加
而增大，这是材料走向快速扩展的过渡区，
当KI达到K1c时，便发生失稳扩展，材料断裂。
Chapter
Ⅵ
四、防止应力腐蚀的措施
1、合理选材:避免构成应力腐蚀体系，减轻应力腐蚀的
敏感性。
2、减少拉应力:合理设计、改进制造工艺，尽量减小应
力集中效应。
3、改善化学介质:消除或减少介质中促进应力腐蚀的有
害物质，加入适当的缓蚀剂。
4、采用电化学保护:外加电流极化，使金属的电位远离
应力腐蚀敏感区。
Chapter
Ⅵ
列
管
列
管
[原结构]
[环形结构]
通蒸汽温度升高后，列
管受热膨胀，使列管与
塔壁焊接处，管与法兰
焊接处发生腐蚀裂纹。
[U型结构]
列管改为环形，受热后
可以膨胀，减少了腐蚀
破裂，但加工困难。
列管增加U型膨胀节，
受热后可以膨胀。
消除热膨胀产生的应力
（触媒干燥塔结构改进）
尖角
圆角
避免应力集中
Chapter
Ⅵ
 氢脆
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，称为氢脆断裂（简称氢脆）。
一、氢在金属中存在的形式
内含的（冶炼和加工中带入的氢）；
外来的（工作中，吸H）。
间隙原子状 固溶在金属中；
分子状
气泡中；
化合物（氢化物）。
Chapter
Ⅵ
二、氢脆类型及其特征
1、氢蚀（或称气蚀）
高压气泡（H2，CH4）
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。
2、白点（发裂）
氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。
宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。甚至有白
线。
Chapter
Ⅵ
3、氢化物
形成氢化物（凝固、热加工时形成；或应力作用下，
元素扩散而形成）。
氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。
裂纹沿界面扩展。
4、氢致延滞断裂
由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。
条件：一定温度范围；慢速加载（恒载）
Chapter
Ⅵ
三、钢的氢致延滞断裂机理
三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。
1）孕育期
氢原子数量↑；扩散，偏聚。
氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受
阻，产生应力集中，萌生裂纹。
2）温度的影响
t<tH 氢扩散率很慢，不形成氢脆；t=tH 最敏感；
t>tH 氢气团扩散，无氢脆。
3）应力状况
应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进H溶解。
高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。
Chapter
Ⅵ
四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系
“相互促进”；
阳极溶解、金属开裂；
阴极吸氢，延滞断裂。
五、防止氢脆的措施
1）材料
降低含碳量，细化组织；
2）环境
减少吸氢的可能性；
3）力学因素 减小残余应力。
Chapter
Ⅵ
Thank you !
Chapter
Ⅵ