第06章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂

材料力学

第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂

第六章

材料力学

引言 §6.1 应力腐蚀 §6.2 氢脆

第六章

材料力学

残余应力与环境共同作用下的低应力脆断

起落架断裂，导致尾翼着 地起火爆炸

发动机的主轴断裂，1938

第六章

材料力学

§6.1 应力腐蚀 一、应力腐蚀及其产生条件1、定义与特点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。 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。第六章

材料力学

2、产生条件 拉应力：外应力、残余应力； 化学介质：一定材料对应一定的化学介质(表) 金属材料：合金成分、位错等。

第六章

材料力学

二、应力腐蚀1、机理闭塞电池理论，氢致开裂理论 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； 第六章

材料力学

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。 (该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀)腐蚀介质 拉应力 合金 表面钝化膜 钝化膜 新表面成为表面 破裂，出现新鲜表面 形成腐蚀 微电池 阳极金属溶解变成正离 子, 进入电解液 拉应力 腐蚀坑(裂纹) 裂纹向内扩展

第六章

材料力学

断裂过程：与疲劳断裂相似，包含 裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展

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。应力腐蚀裂纹的分叉现象

微观：显微裂纹呈树枝状；“泥 状花样”的腐蚀产物和腐蚀坑； 沿晶断裂或穿晶断裂。 第六章

2024铝合金SCC断口上的泥纹花样8

材料力学

光滑试样

三、力学性能指标1、临界应力场强度因子KI SCC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KI SCC。应力腐蚀的断裂判据:

第六章

材料力学

2、裂纹扩展速度da/dt

KI >KI SCC,裂纹扩展，速 率da/dt~ KI 曲线上的三个 阶段(初始、稳定、失稳), 由图6-7(P152)可以估算 机件的剩余寿命。

第六章

材料力学

四、防止应力腐蚀的措施1、合理选材；2、减少拉应力；

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。

第六章

材料力学

§6.2 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； 化学物(氢化物)。第六章高强钢电镀充氢后的氢脆沿晶断口12

材料力学

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。第六章13

材料力学

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。 原因：氢显著降低金属材料的断后伸长率。 条件：一定温度范围；慢速加载(恒载)第六章14

材料力学

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 氢扩散率很低，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。拉应力促进氢溶解。 第六章15

材料力学

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、环境因素 切断氢进入金属的途径，如表面涂层。 2、力学因素 降低残余拉应力，引入压应力。第六章

材料力学

3、材质因素 (1)含S、C、P较少的钢，氢脆的敏感性较低；

(2)钢强度越高，对氢越敏感；(3)球状珠光体对氢的敏感性较低；

(4)细化晶粒度有助于提高抗氢脆能力；(5)冷变形使氢脆敏感性增大。

第六章

材料力学

氢脆与应力腐蚀的区别1、应力腐蚀是阳极溶解过程，阳极电流加速开裂；氢脆是 阴极吸氢过程，阴极电流加速开裂。 2、裂纹位臵，应力腐蚀裂纹在表面(尖角、刻痕、腐蚀 坑);氢脆裂纹在表面以下。 3、应力腐蚀裂纹分叉；氢脆裂纹没有分叉。

4、氢脆断口没有腐蚀产物，而应力腐蚀断口有明显腐蚀产 物。5、氢脆对温度和形变速率很敏感，只在一定温度范围内出 现，温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。 第六章18

材料力学

第六章