材料与环境03.ppt

第二章 金属在腐蚀介质作用下的破坏 * * 2.2 应力腐蚀开裂 (Stress Corrosion Cracking, SCC) σ σ σ σ 腐蚀液 σ＜σs 材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的开裂称为应力腐蚀开裂。这是应力与腐蚀联合作用的结果。如果只有一个方面，应力或者介质的作用，破坏不会发生，但当二者联合作用时，却能很快发生开裂。因此，发生应力腐蚀开裂时，应力是很低的，介质的腐蚀性也是很弱的，也正由于此，应力腐蚀经常受到忽视，导致“意外”事故不断发生。如桥梁坍塌、飞机失事、油罐爆炸、管道泄漏等等，带来巨大的经济损失和人员伤亡。 随着工业的发展，材料面临的环境更苛刻、更复杂，应力腐蚀已成为腐蚀科学最重要的研究课题之一。 2.2.1 应力腐蚀开裂的现象 2.2.2应力腐蚀开裂的特征 (1)造成应力腐蚀破坏的是静应力(外加应力、残余应力、腐蚀产物的楔入作用而引起的扩张应力等)，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力。 (2)应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，断裂前没有明显的塑性变形。 (3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。 应力腐蚀开裂主要有以下特点： 海洋大气、蒸馏水、KCI-K2Cr04溶液 镁 熔融NaCl、NaCl水溶液、海水、水蒸气、含SO2大气 铝合金 氨蒸气、汞盐溶液、含氨气体、含氨离子水溶液 铜和铜合金 氯化物水溶液、熔融氯化物、海水 奥氏体不锈钢 NaCl溶液、海水、H2S水溶液 高铬钢 氢氧化钠溶液、硝酸盐溶液、(硅酸钠+硝酸钠)溶液、海水等 碳钢和低碳钢 化 学 介 质 金属或合金 主要合金产生应力腐蚀的特定介质 发生应力腐蚀开裂需具备三个基本条件： 敏感材料 特定环境 拉伸应力 ?褚武扬等的试验证明，在某些情况下压应力也能产生应力腐蚀开裂，但与拉应力相比，危险性要小的多。 (4)应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9~10-6m/s，是渐进的和缓慢的，裂纹的亚临界扩展一直达到某一临界尺寸，使剩余下的截面不足以承受外载时，就突然发生断裂。 (5)应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。 (6)应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物。 (7)应力腐蚀裂纹扩展时常有分枝。 (8)应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。 304不锈钢的应力腐蚀裂纹 左图：在沸腾45%MgCl2溶液中的穿晶裂纹 右图：敏化不锈钢在室温连续多硫酸溶液中的晶间裂纹 2.2.3 应力腐蚀开裂的力学性能指标 当拉伸应变速率小于临界值(它由应力腐蚀体系决定，一般为10-4/s~10-6/s)后应力腐蚀过程就能充分发展，断裂后的塑性指标将会明显下降，断口形貌也会有明显变化。 1) 塑性损失 用惰性介质和腐蚀介质中延伸率δ、断面收缩率ψ(或断裂真应变εf)的相对差值作为应力腐蚀敏感性的度量，即 Iδ = (δa - δc)/δa 或 Iψ = (ψa - ψc)/ψa 其中下标a表示惰性介质，c表示腐蚀介质。Iδ或Iψ越大，应力腐蚀就越敏感。 (1)慢应变速率拉伸试验 2) 断裂应力 在腐蚀介质中的断裂应力和惰性介质中断裂应力的比值愈小，应力腐蚀敏感性就愈大．对脆性材料，往往用这个指标来衡量，特别是当应力还在弹性范围内试样就已滞后断裂时，用断裂应力作判据就更为合适。 3) 断口形貌和二次裂纹 对大多数材料，在惰性介质中拉断后将获得韧窝断口，但在应力腐蚀介质中拉断后往往获得脆性断口。脆性断口比例愈高，则应力腐蚀愈敏感。如介质中拉断的试样主断面侧边存在二次裂纹，则表明此材料对应力腐蚀是敏感的。 4) 吸收能量 应力—应变曲线下的面积代表试样断裂前所吸收的能量，惰性介质和腐蚀介质中吸收能差别愈大，则应力腐蚀敏感性也就愈大。 5) 断裂时间 应变速率相同时，在腐蚀介质和惰性介质中断裂时间tf的比值愈小，应力腐蚀敏感性就愈大。 金属材料的抗应力腐蚀开裂指标，通常用光滑试样在应力和介质共同作用下，由发生断裂的时间来评定。用这种方法可获得一组试样在不同应力作用下的断裂时间tf, 作出σ-tf曲线，从而求出该种材料在不发生应力腐蚀断裂时的临界应力σSCC，据此来研究合金元素、组织结构及介质对材料应力腐蚀敏感性的影响。 (2) 门槛引力σscc (3) 门槛应力强度因子KIscc 可用断裂力学来计算预裂纹(或尖缺口)试样加载后裂纹前端的应力强度因子KI。能产生应力腐蚀的最小KI称为应力腐蚀门槛应力强度因子，用KIscc表示，它可用恒载荷试样或恒位移试样来测量． 应力场强度因子K： 试样先开缺口，并预制疲劳裂纹。载荷户是用加码来达到。悬臂梁试样的应力强度因子表达式为下： 恒载荷法 式中B、H分