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1,5.5 应力作用下的局部腐蚀,5.5.1 应力腐蚀断裂5.5.2 金属的氢脆和氢损伤5.5.3 腐蚀疲劳,2,5.5.1 应力腐蚀断裂 Stress Corrosion Cracking,应力与化学介质协同作用下引起的金属开裂(或断裂)的现象,叫做金属应力腐蚀开裂。 应力腐蚀断裂,简称SCC,是指金属材料在固定拉应力和某种特定腐蚀介质中发生的脆性断裂。 所谓固定拉应力是指方向一定,大小可变的拉伸应力。应力腐蚀断裂危害极大,人们称为“灾难性腐蚀”。,3,不同情况引起的应力腐蚀断裂,1、由于弯曲残余应力引起的 该裂纹多为纵向形式,4,2、从点蚀底部产生的应力腐蚀裂纹,5,3、由腐蚀产物体积膨胀应力引起的应力腐蚀裂纹,6,7,4、外在应力的存在导致应力开裂,8,1、产生应力腐蚀断裂必须同时具备三个基本条件,即敏感的金属材料,足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介质。,应力腐蚀断裂的特征,2、发生应力腐蚀断裂的主要是合金,几乎所有金属的合金在特定的环境中都有一定的应力腐蚀敏感性。例如,纯度达9999%的铜在含氨介质中不会腐蚀断裂,但含有004%磷或001%锑时,则发生开裂。,材料因素,力学因素,环境因素,SCC,9,3、特定的金属和合金只有在特定的腐蚀环境中才产生SCC。如表7-1所示这种特定的腐蚀介质在含量较少时也会造成应力腐蚀。,10,11,4、一般情况下,只有拉应力(张应力)才能引起应力腐蚀断裂。拉应力愈大,断裂时间愈短。断裂所需应力,一般都低于材料的屈服强度。压应力不发生应力腐蚀,应力腐蚀裂纹走向宏观上与拉应力方向垂直。 5、应力腐蚀断裂是一种典型的滞后破坏,这种滞后破坏过程可分三个阶段:第一阶段为裂纹孕育期,这个阶段占断裂总时间的90%;第二阶段为裂纹扩展期;第三阶段为快速断裂期。整个断裂时间与材料、应力和环境有关,短的几分钟,长的达几年。腐蚀速率介于均匀腐蚀速率和单纯断裂速度之间。 6、应力腐蚀裂纹形态有三种:晶间型、穿晶型和混合型。 晶间型是指裂纹沿晶界扩展,如软钢、铝合金、铜合金、镍合金等。,12,316L不锈钢应力腐蚀断口,氢致解理断口,穿晶脆性断裂组织图,沿晶脆性断裂组织图,13,7、应力腐蚀断裂裂纹一般为树枝状结构,裂纹走向垂直于应力方向。,14,目前关于应力腐蚀断裂机理已达十几种,帕金斯于1964年提出“应力腐蚀谱”的观点,把各种SCC类型及其机理排列起来构成一个连续的谱,如下表所示。,应力腐蚀断裂的机理,15,根据应力腐蚀断裂的现代观念比较集中的有三种理论,即阳极溶解机理(阳极溶解起控制作用)、氢脆机理(阴极过程放出氢原子进入基体,导致材料脆断)、阳极溶解和氢脆共同作用的机理。 1、阳极溶解机理:应力腐蚀断裂主要是指金属材料在静拉应力与腐蚀介质共同作用下,由于裂纹尖端区阳极溶解过程控制引起脆断(APC-SCC)。属于这类机理的有低碳钢、铝合金和铜合金的SCC。,16,溶液中的铜氨络离子Cu(NH3)n2+的存在是黄铜氨脆所必需条件,它是由于溶解在溶液中的氨气、氧气与铜反应生成的。Cu + nNH3 + 1/2 O2 + H2O Cu(NH3)n2+ + 2OH- 黄铜在成膜溶液中(含Cu2+和NH4+离子溶液,pH=6473中生成一层Cu2O膜) 主要是晶间断裂。 在成膜溶液中的沿晶界断裂机理:在铜合金表面存在Cu2O膜,韧性差;在应力作用下发生脆性破裂。 在不成膜溶液中( pH=78112 时,铜合金处于活性溶解),在应力的作用引起露头的位错优先溶解,因而裂纹沿着位错密度最高的途径扩展。,(1)黄铜的SCC机理,17,18,(2)滑移-溶解-断裂机理奥氏体不锈钢,该理论至少包括四个过程:表面膜的形成、应力作用下金属产生滑移引起表面膜的破裂、裸露金属的阳极溶解、裸露金属再钝化。 在应力作用下,位错沿着滑移面运动,在表面产生滑移台阶,表面膜产生局部破裂,露出活泼的“新鲜”金属。有膜和无膜金属及缺陷处形成钝化-活化微电池。 伴随阳极溶解产生阳极极化,使阳极周围钝化,在蚀坑即裂纹尖端周边重新生成钝化膜,随后在拉应力继续作用下,蚀坑底部即裂纹尖端处造成应力集中,而使钝化膜再次破裂,造成新的活性阳极区,如此反复,造成纵深穿晶的裂纹。,19,20,2、氢脆机理,认为:金属材料在拉应力 和腐蚀介质共同作用下,由于阴极还原反应产生的氢原子扩散到裂纹尖端的金属内部引起并控制脆断。这种应力腐蚀称为氢脆型SCC(HE-SCC)。也称氢的滞后开裂。,21,应力来源:(1)工作应力:设备和部件在工作条件下所承受的外加载荷;(2)残余应力:金属材料在生产过程和加工过程中,在材料内部产生的应力。如冷轧、冷拔、冷弯、冷作、机械加工、焊接、热处理过程中产生的残余应力;(3)热应力:由于温度变化而引起的残余应力;(4)结构应力:由于设备、部件的安装与装配而引起的应力。外加应力愈大,材料断裂时间愈短。如图所示。,影响应力腐蚀断裂的因素1、应力,22,23,应力作用:(1)破坏钝化膜,24,应力作用:(2)加速Cl-和OH-的吸附溶解,25,(1)特殊离子及其浓度的影响:氧浓度、氯化物浓度影响如图所示。,2、介质环境因素,26,(2)温度: 一般来说,温度升高,SCC容易发生,但温度过高,由于产生全面腐蚀,而抑制了应力腐蚀。,27,(3)溶液中pH值的影响:对不锈钢而言,pH值增加减缓了应力腐蚀。,28,(4)界面电位电位状况的影响:大量实验研究证明,SCC只有在一定的电位范围内才能发生。现发现合金的阳极极化曲线有三个易产生SCC的区域。这些区域都是过渡区。如图所示。,29,在不锈钢中加入Si、Co有利于提高抗SCC性能。但含有周期表第V类元素N、P、As、Sb、Bi有有害的。Mo 4%能提高抗SCC性能。 对钛合金,降低它的含氧量和Al量,同时加入适量的Nb、Ta、V有利于提高抗SCC性能。 对黄铜,少量Fe、Sn、Mn、Si、Al、Cd、Pb可促进应力腐蚀。,3、合金成分的影响,30,1、降低和消除应力: 结构设计:降低设计应力,尽量避免或减少局部应力集中; 加工和装配:应尽量避免产生残余应力; 机械方法消除内应力,在受应力的合金表面进行喷丸、喷砂、锤敲等处理,使表面层处于压应力状态,以提高抗SCC性能。 2、控制环境 改善使用条件,除去危害性大的介质成分。如水中的氧和氯化物。 减少内外温差; 升高pH值; 采用添加适当的缓蚀剂或采用涂、镀层的办法控制环境; 采用阴、阳极电化学保护方法,避免进入三个SCC敏感的电位区。 3、改善材质较抗SCC性能的不锈钢:高镍奥氏体、高纯奥氏体钢、双相不锈钢;较抗SCC性能的铝合金:包铝LD10、包铝的LY12、LF21、ZL101;较抗SCC性能的钛合金:Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-2Al-4Mo-4Zr。,应力腐蚀断裂的控制措施,31,应力腐蚀试验及其评定,1模拟试验方法及设备,32,2、实验室常用的应力腐蚀试验介质,33,3、结果的评定,采用20倍的放大镜检查:裂纹引发所需时间、裂纹生长速度、断裂时间。 金相检验穿晶、沿晶和混合型应力腐蚀破裂。,
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