1、應(yīng)力作用下的腐蝕應(yīng)力作用下的腐蝕中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系中國石油大學(xué)材料科學(xué)與工程系孫建波孫建波20112011年年5 5月月回顧：局部腐蝕的大陰極小陽極現(xiàn)象回顧：局部腐蝕的大陰極小陽極現(xiàn)象l電偶腐蝕的引申電偶腐蝕的引申l局部腐蝕大陰極小陽極現(xiàn)局部腐蝕大陰極小陽極現(xiàn)象普遍性。象普遍性。l力場(chǎng)作用下的應(yīng)力集中對(duì)力場(chǎng)作用下的應(yīng)力集中對(duì)腐蝕的促進(jìn)。腐蝕的促進(jìn)。AcIAcBaBciBaiBcIg回顧：局部腐蝕的閉塞電池效應(yīng)回顧：局部腐蝕的閉塞電池效應(yīng)l所謂所謂“閉塞電池閉塞電池”乃是由于在腐蝕體系內(nèi)金屬鈍化膜乃是由于在腐蝕體系內(nèi)金屬鈍化膜破裂后形成的蝕坑、隙縫及裂紋等的幾何形狀或腐蝕破裂后形成的蝕

2、坑、隙縫及裂紋等的幾何形狀或腐蝕產(chǎn)物在其坑口的覆蓋而使腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散受到抑制所產(chǎn)物在其坑口的覆蓋而使腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散受到抑制所形成的腐蝕電池。形成的腐蝕電池。l誘發(fā)活性陰離子吸附誘發(fā)活性陰離子吸附l酸化過程加速陽極自催化快酸化過程加速陽極自催化快速溶解速溶解l促進(jìn)應(yīng)力存在下的耦合腐蝕促進(jìn)應(yīng)力存在下的耦合腐蝕l誘發(fā)陰極析氫形成氫損傷誘發(fā)陰極析氫形成氫損傷應(yīng)力作用下的腐蝕應(yīng)力作用下的腐蝕u內(nèi)憂外患：內(nèi)憂外患：腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)+應(yīng)力應(yīng)力u應(yīng)力來源：應(yīng)力來源：u 外部外部施加：施加：u工作應(yīng)力（工況載荷）工作應(yīng)力（工況載荷）u殘余應(yīng)力（制造加工過程內(nèi)部應(yīng)力）殘余應(yīng)力（制造加工過程內(nèi)部應(yīng)力）u熱應(yīng)力（溫差

3、引起的應(yīng)力）熱應(yīng)力（溫差引起的應(yīng)力）u腐蝕產(chǎn)物體積效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕產(chǎn)物體積效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力u結(jié)構(gòu)應(yīng)力（安裝及裝配過程引起的應(yīng)力）結(jié)構(gòu)應(yīng)力（安裝及裝配過程引起的應(yīng)力）u相對(duì)運(yùn)動(dòng)、高速流體的流動(dòng)等施加在金屬表面上相對(duì)運(yùn)動(dòng)、高速流體的流動(dòng)等施加在金屬表面上 u 來自金屬來自金屬內(nèi)部?jī)?nèi)部：如氫原子侵入金屬內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力：如氫原子侵入金屬內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力u分類：分類：u 應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂u 氫致開裂氫致開裂u 腐蝕疲勞腐蝕疲勞u 與磨損有關(guān)：與磨損有關(guān)：沖刷腐蝕、空泡腐蝕、腐蝕磨損、微動(dòng)腐蝕沖刷腐蝕、空泡腐蝕、腐蝕磨損、微動(dòng)腐蝕u材料的斷裂是由環(huán)境因素引起的，也統(tǒng)稱材料的斷裂是由環(huán)境因素引起的，也統(tǒng)稱

4、環(huán)境斷裂環(huán)境斷裂6.1.1 6.1.1 應(yīng)力腐蝕開裂（應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion CrackingSCC）l通常在某種特定的腐蝕介質(zhì)中，材料在不受應(yīng)力時(shí)腐蝕通常在某種特定的腐蝕介質(zhì)中，材料在不受應(yīng)力時(shí)腐蝕甚微甚微l而受到一定的拉伸應(yīng)力時(shí)（可遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度），而受到一定的拉伸應(yīng)力時(shí)（可遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度），經(jīng)過一段時(shí)間后，即使是延展性很好的金屬也會(huì)發(fā)生脆經(jīng)過一段時(shí)間后，即使是延展性很好的金屬也會(huì)發(fā)生脆性斷裂性斷裂l斷裂事先沒有明顯的征兆，往往造成斷裂事先沒有明顯的征兆，往往造成災(zāi)難性災(zāi)難性的后果的后果應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂受一定受一定拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在

5、某作用的金屬材料在某些些特定的介質(zhì)特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)中，由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的協(xié)同作用而發(fā)生的力的協(xié)同作用而發(fā)生的脆性斷裂脆性斷裂現(xiàn)象現(xiàn)象6.1 6.1 應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂 應(yīng)力腐蝕開裂形貌應(yīng)力腐蝕開裂形貌 1982年年9月月17日，一架日航日，一架日航DC-8客機(jī)在虹橋機(jī)場(chǎng)著陸時(shí)客機(jī)在虹橋機(jī)場(chǎng)著陸時(shí)突然沖出跑道突然沖出跑道剎車系統(tǒng)高壓氣瓶晶間剎車系統(tǒng)高壓氣瓶晶間SCC爆炸爆炸 1967年年12月月15日，美國銀橋突然坍塌，車輛行人墜入日，美國銀橋突然坍塌，車輛行人墜入河中，死河中，死46人人鋼梁因應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞聯(lián)合作鋼梁因應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞聯(lián)合作用產(chǎn)生裂縫而斷裂用產(chǎn)生裂縫

6、而斷裂 1965年年3月，美國路易斯安那州輸氣管線；月，美國路易斯安那州輸氣管線；1977年年4月，月，沙特阿卜凱克油田油管線，大火，死多人沙特阿卜凱克油田油管線，大火，死多人管道外管道外側(cè)產(chǎn)生側(cè)產(chǎn)生SCC 1968年威遠(yuǎn)至成都的輸氣管線泄漏爆炸，死亡年威遠(yuǎn)至成都的輸氣管線泄漏爆炸，死亡20余人。余人。四川某氣田因一閥門四川某氣田因一閥門SCC漏氣，火災(zāi)持續(xù)漏氣，火災(zāi)持續(xù)22天，損失天，損失近近6億元億元案例：案例：l應(yīng)力腐蝕開裂很普遍，化工行業(yè)約占四分之一。應(yīng)力腐蝕開裂很普遍，化工行業(yè)約占四分之一。SCCSCC占總腐蝕百分比占總腐蝕百分比 ( (美美) ) 杜杜 邦邦 3 3 年年 23 %

7、23 %( (日日) ) 三三 菱菱 1010年年 45.6% 45.6% ( (日日) ) 不銹鋼不銹鋼 1010年年 35.3%35.3%( (日日) ) 石油化工石油化工 1010年年 42.2%42.2%( (美美) ) 原子能原子能 1010年年 18.7%18.7%6.1.2 6.1.2 產(chǎn)生產(chǎn)生SCCSCC的基本條件的基本條件SCCSCC需要同時(shí)具備三個(gè)條件需要同時(shí)具備三個(gè)條件敏感的金屬材料敏感的金屬材料特定的腐蝕介質(zhì)特定的腐蝕介質(zhì)足夠大的拉伸應(yīng)力足夠大的拉伸應(yīng)力特定的材料：不存在應(yīng)力時(shí)，單純的腐蝕作用？特定的材料：不存在應(yīng)力時(shí)，單純的腐蝕作用？No不存在腐蝕時(shí)，單純的應(yīng)力作用？

8、不存在腐蝕時(shí)，單純的應(yīng)力作用？Nol幾乎所有的金屬或合金在特定的介質(zhì)中都有一定幾乎所有的金屬或合金在特定的介質(zhì)中都有一定的的SCCSCC敏感性，敏感性，合金合金和和含有雜質(zhì)的金屬含有雜質(zhì)的金屬比純金屬更比純金屬更容易產(chǎn)生容易產(chǎn)生SCCSCCl純度純度99.99%99.99%的的CuCu在含氨介質(zhì)中不會(huì)發(fā)生腐蝕斷裂，在含氨介質(zhì)中不會(huì)發(fā)生腐蝕斷裂，但含有但含有0.04%0.04%的的P P和和0.01%0.01%的的SbSb時(shí)則發(fā)生開裂時(shí)則發(fā)生開裂l純度純度99.99%99.99%的的FeFe在硝酸鹽中很難開裂，但含在硝酸鹽中很難開裂，但含0.04%C0.04%C時(shí)則容易產(chǎn)生硝脆時(shí)則容易產(chǎn)生硝脆(

9、1) (1) 敏感材料敏感材料l每種合金的每種合金的SCCSCC只對(duì)某些特定的介質(zhì)敏感，并不是只對(duì)某些特定的介質(zhì)敏感，并不是任何介質(zhì)都能引起任何介質(zhì)都能引起SCCSCCl材料與環(huán)境的交互作用反映材料與環(huán)境的交互作用反映在電位上就是在電位上就是SCCSCC一般發(fā)生在一般發(fā)生在活化鈍化或鈍化過鈍化活化鈍化或鈍化過鈍化的過渡區(qū)電位范圍，即的過渡區(qū)電位范圍，即鈍化鈍化膜不完整的電位區(qū)間膜不完整的電位區(qū)間(2) (2) 特定介質(zhì)特定介質(zhì)Ei含氯離子水溶液、有機(jī)溶劑含氯離子水溶液、有機(jī)溶劑鋯合金鋯合金熔融氫氧化物、熱濃氫氧化物溶液、熔融氫氧化物、熱濃氫氧化物溶液、HF蒸汽和溶液蒸汽和溶液鎳和鎳合金鎳和鎳合

10、金濕空氣、高純水、氟化物、濕空氣、高純水、氟化物、KClK2CrO4溶液溶液鎂和鎂合金鎂和鎂合金發(fā)煙硝酸、甲醇（蒸汽）、發(fā)煙硝酸、甲醇（蒸汽）、NaCl溶液（溶液（290）、）、HCl（10，35）、）、H2SO4（6-7）、濕）、濕Cl2（288，346，427）、）、N2O4（含（含O2，不含，不含NO，24-74）鈦和鈦合金鈦和鈦合金含含NH4+的溶液、氨蒸汽、汞鹽溶液、的溶液、氨蒸汽、汞鹽溶液、SO2大氣、水蒸汽大氣、水蒸汽銅和銅合金銅和銅合金熔融熔融NaCl、濕空氣、海水、含鹵素離子的水溶液、有機(jī)溶劑、濕空氣、海水、含鹵素離子的水溶液、有機(jī)溶劑鋁合金鋁合金氯化物水溶液、高溫高壓含氧高

11、純水、連多硫酸、堿溶液氯化物水溶液、高溫高壓含氧高純水、連多硫酸、堿溶液奧氏體不銹奧氏體不銹鋼鋼各種水介質(zhì)、含痕量水的有機(jī)溶劑、各種水介質(zhì)、含痕量水的有機(jī)溶劑、HCN溶液溶液高強(qiáng)鋼高強(qiáng)鋼NaOH溶液、溶液、硝酸鹽溶液、硝酸鹽溶液、含含H2S和和HCl溶液、溶液、COCO2H2O、碳酸鹽、磷酸、碳酸鹽、磷酸鹽鹽低碳鋼低碳鋼介介 質(zhì)質(zhì)材材 料料一些金屬和合金產(chǎn)生一些金屬和合金產(chǎn)生SCC的特定介質(zhì)的特定介質(zhì)l工作狀態(tài)下材料承受外加載荷造成的工作狀態(tài)下材料承受外加載荷造成的工作應(yīng)力工作應(yīng)力l在生產(chǎn)、制造、加工和安裝過程中在材料內(nèi)部形成的在生產(chǎn)、制造、加工和安裝過程中在材料內(nèi)部形成的熱應(yīng)力、形變應(yīng)力等熱

12、應(yīng)力、形變應(yīng)力等殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力l由裂紋內(nèi)由裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物腐蝕產(chǎn)物的體積效應(yīng)造成的的體積效應(yīng)造成的楔入作用楔入作用或是陰或是陰極反應(yīng)形成的極反應(yīng)形成的氫產(chǎn)生的應(yīng)力氫產(chǎn)生的應(yīng)力(3) (3) 拉伸應(yīng)力拉伸應(yīng)力 SCC體系存在臨界應(yīng)力腐蝕門檻體系存在臨界應(yīng)力腐蝕門檻值值KISCC ， 一般應(yīng)力愈大一般應(yīng)力愈大, 開裂時(shí)開裂時(shí)間愈短；應(yīng)力愈小，開裂時(shí)間愈長(zhǎng)，間愈短；應(yīng)力愈小，開裂時(shí)間愈長(zhǎng)，應(yīng)力小到一定值時(shí)，不發(fā)生應(yīng)力小到一定值時(shí)，不發(fā)生SCC；斷裂時(shí)間斷裂時(shí)間是評(píng)價(jià)材料是評(píng)價(jià)材料SCC敏感性的敏感性的重要指標(biāo)。重要指標(biāo)。6.1.3 SCC6.1.3 SCC的特征的特征l典型的典型的滯后滯后破壞破壞l

13、裂紋分為裂紋分為晶間型晶間型、穿晶型穿晶型和和混合型混合型l裂紋擴(kuò)展速度裂紋擴(kuò)展速度比均勻腐蝕快約比均勻腐蝕快約10106 6倍倍lSCCSCC開裂是一種開裂是一種低應(yīng)力低應(yīng)力的的脆性斷裂脆性斷裂(1)SCC(1)SCC是典型的滯后破壞是典型的滯后破壞l材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，需要經(jīng)過一材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，需要經(jīng)過一定時(shí)間使定時(shí)間使裂紋形核裂紋形核、裂紋亞臨界擴(kuò)展裂紋亞臨界擴(kuò)展，并最終達(dá)，并最終達(dá)到臨界尺寸，發(fā)生到臨界尺寸，發(fā)生失穩(wěn)斷裂失穩(wěn)斷裂 l孕育期孕育期裂紋萌生階段，即裂紋源成核所需時(shí)間，約占整個(gè)裂紋萌生階段，即裂紋源成核所需時(shí)間，約占整個(gè)時(shí)間的時(shí)間的9090左右左右

14、l裂紋擴(kuò)展期裂紋擴(kuò)展期裂紋成核后直至發(fā)展到臨界尺寸所經(jīng)歷的時(shí)間裂紋成核后直至發(fā)展到臨界尺寸所經(jīng)歷的時(shí)間l快速斷裂期快速斷裂期裂紋達(dá)到臨界尺寸后，由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)裂紋達(dá)到臨界尺寸后，由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂瞬間斷裂 l整個(gè)斷裂時(shí)間，與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)，整個(gè)斷裂時(shí)間，與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)，短則幾分鐘，長(zhǎng)可短則幾分鐘，長(zhǎng)可達(dá)若干年達(dá)若干年。對(duì)于一定的材料和介質(zhì)，應(yīng)力降低，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。對(duì)于一定的材料和介質(zhì)，應(yīng)力降低，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)l對(duì)大多數(shù)的腐蝕體系來說，存在一個(gè)臨界應(yīng)力對(duì)大多數(shù)的腐蝕體系來說，存在一個(gè)臨界應(yīng)力thth（臨界應(yīng)力強(qiáng)臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子度因子K KISCCISCC），在此臨界值

15、以下，不發(fā)生），在此臨界值以下，不發(fā)生SCCSCC（2 2）裂紋形態(tài)）裂紋形態(tài)l宏觀上應(yīng)力腐蝕破裂屬于脆性斷裂，即使高塑性金屬宏觀上應(yīng)力腐蝕破裂屬于脆性斷裂，即使高塑性金屬亦如此，微觀斷裂面仍有塑性流變痕跡。亦如此，微觀斷裂面仍有塑性流變痕跡。lSCCSCC裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型三種裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型三種l裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì)，同一材料因介質(zhì)變化裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì)，同一材料因介質(zhì)變化，裂紋途徑也可能改變，裂紋途徑也可能改變應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特點(diǎn)：應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特點(diǎn)：l裂紋起源于表面裂紋起源于表面l裂紋的長(zhǎng)寬不成比例，相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)裂紋的長(zhǎng)寬不成比例，相差幾

16、個(gè)數(shù)量級(jí)l裂紋擴(kuò)展方向一般裂紋擴(kuò)展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向垂直于主拉伸應(yīng)力的方向l裂紋一般呈裂紋一般呈樹枝狀樹枝狀l晶間型晶間型裂紋沿晶界擴(kuò)展，如軟鋼、裂紋沿晶界擴(kuò)展，如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金等鋁合金、銅合金、鎳合金等l穿晶型穿晶型裂紋穿越晶粒而擴(kuò)展，如奧裂紋穿越晶粒而擴(kuò)展，如奧氏體不銹鋼、鎂合金等氏體不銹鋼、鎂合金等l混合型混合型鈦合金鈦合金晶間型晶間型穿晶型穿晶型（3 3）SCCSCC裂紋擴(kuò)展速度裂紋擴(kuò)展速度uSCC裂紋擴(kuò)展速度一般為裂紋擴(kuò)展速度一般為10-6-10-3mm/min，u比均勻腐蝕快約比均勻腐蝕快約106倍，倍，u僅為純機(jī)械斷裂速度的僅為純機(jī)械斷裂速度的10-10

17、。l 斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形，大多數(shù)條件下是斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形，大多數(shù)條件下是脆性脆性斷口斷口解理、準(zhǔn)解理或沿晶解理、準(zhǔn)解理或沿晶l 由于腐蝕的作用，斷口表面顏色暗淡，可見腐蝕坑和二由于腐蝕的作用，斷口表面顏色暗淡，可見腐蝕坑和二次裂紋次裂紋l穿晶型：穿晶型：微觀斷口往往具有微觀斷口往往具有河流花樣河流花樣、扇形花樣、扇形花樣、羽毛狀花樣等形貌特征、羽毛狀花樣等形貌特征l晶間型：晶間型：顯微斷口呈顯微斷口呈冰糖塊狀冰糖塊狀（4 4）低應(yīng)力的脆性斷裂）低應(yīng)力的脆性斷裂沿晶應(yīng)力腐蝕開裂沿晶應(yīng)力腐蝕開裂- -IGSCCIGSCC穿晶應(yīng)力腐蝕開裂穿晶應(yīng)力腐蝕開裂- -TGSCCTGSC

18、C6.1.4 SCC6.1.4 SCC機(jī)理機(jī)理 (1) (1) 應(yīng)力腐蝕譜應(yīng)力腐蝕譜晶晶間間腐腐蝕蝕腐蝕為主腐蝕為主 應(yīng)力為主應(yīng)力為主脆脆性性斷斷裂裂碳鋼碳鋼Al-Zn-Mg低合金鋼低合金鋼黃銅黃銅奧氏體奧氏體不銹鋼不銹鋼Mg-Al鈦合金鈦合金高強(qiáng)度鋼高強(qiáng)度鋼NO3-Cl-Cl-NH4+Cl-CrO42-Cl甲醇甲醇H2O介質(zhì)介質(zhì)和濕和濕H2S硝脆硝脆氯脆氯脆氯脆氯脆氨脆氨脆氯脆氯脆氯脆氯脆甲醇脆甲醇脆氫脆氫脆已存在活化途徑已存在活化途徑（沿晶界選擇溶（沿晶界選擇溶解機(jī)理）解機(jī)理）應(yīng)變產(chǎn)生的活化途徑（膜破應(yīng)變產(chǎn)生的活化途徑（膜破裂機(jī)理、滑移裂機(jī)理、滑移-溶解溶解-斷裂機(jī)斷裂機(jī)理）理）三向應(yīng)力區(qū)

19、的特殊吸附（應(yīng)三向應(yīng)力區(qū)的特殊吸附（應(yīng)力吸附機(jī)理、氫脆機(jī)理）力吸附機(jī)理、氫脆機(jī)理）陽極溶解機(jī)理陽極溶解機(jī)理氫致開裂氫致開裂SCC的氫致開裂機(jī)理(2)SCC(2)SCC機(jī)理可以分為兩大類機(jī)理可以分為兩大類陽極溶解型機(jī)理陽極溶解型機(jī)理氫致開裂型機(jī)理氫致開裂型機(jī)理(a)(a)陽極溶解型機(jī)理陽極溶解型機(jī)理l在發(fā)生在發(fā)生SCCSCC的環(huán)境中，金屬表面通常被鈍化膜覆蓋的環(huán)境中，金屬表面通常被鈍化膜覆蓋，金屬不與腐蝕介質(zhì)直接接觸，金屬不與腐蝕介質(zhì)直接接觸l當(dāng)鈍化膜遭受局部破壞后，當(dāng)鈍化膜遭受局部破壞后，裂紋形核裂紋形核，并在應(yīng)力，并在應(yīng)力作用下裂紋尖端沿某一擇優(yōu)路徑作用下裂紋尖端沿某一擇優(yōu)路徑定向活化溶解定

20、向活化溶解，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，最終發(fā)生斷裂斷裂A 膜局部破裂膜局部破裂導(dǎo)致裂紋形核導(dǎo)致裂紋形核B 裂尖定向溶解裂尖定向溶解導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展C 斷裂斷裂 A 膜局部破裂導(dǎo)致裂紋形核膜局部破裂導(dǎo)致裂紋形核合金表面鈍化膜可因合金表面鈍化膜可因電化學(xué)作用電化學(xué)作用或或機(jī)械作用機(jī)械作用發(fā)生局部發(fā)生局部破壞，使裂紋形核。破壞，使裂紋形核。電化學(xué)作用電化學(xué)作用通過點(diǎn)蝕或晶間腐蝕等局部腐蝕來誘發(fā)通過點(diǎn)蝕或晶間腐蝕等局部腐蝕來誘發(fā)SCC裂紋裂紋機(jī)械作用機(jī)械作用由于膜的延展性或強(qiáng)度較基體金屬差，受由于膜的延展性或強(qiáng)度較基體金屬差，受力變形后局部膜破裂，誘發(fā)力變形后局部膜破裂，誘發(fā)SCC裂

21、紋裂紋B 裂紋尖端定向溶解導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展裂紋尖端定向溶解導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展l裂紋內(nèi)部形成了裂紋內(nèi)部形成了“閉塞電池閉塞電池”，進(jìn)而在裂紋尖端和，進(jìn)而在裂紋尖端和裂紋壁之間形成了裂紋壁之間形成了“活化鈍化腐蝕電池活化鈍化腐蝕電池”，創(chuàng)造，創(chuàng)造了裂紋尖端快速溶解了裂紋尖端快速溶解+ +自催化的電化學(xué)條件自催化的電化學(xué)條件l應(yīng)力和材料的不均勻性（預(yù)存活性途徑）為快速溶應(yīng)力和材料的不均勻性（預(yù)存活性途徑）為快速溶解提供了擇優(yōu)腐蝕的途徑解提供了擇優(yōu)腐蝕的途徑l預(yù)存活性途徑和應(yīng)變產(chǎn)生的活性途徑分別導(dǎo)致沿晶預(yù)存活性途徑和應(yīng)變產(chǎn)生的活性途徑分別導(dǎo)致沿晶和穿晶和穿晶SCCSCC裂紋擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展C 斷裂斷裂l在在SCCS

22、CC裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，裂紋失穩(wěn)而導(dǎo)致純機(jī)械斷裂裂紋擴(kuò)展到臨界尺寸時(shí)，裂紋失穩(wěn)而導(dǎo)致純機(jī)械斷裂 有點(diǎn)蝕坑形成時(shí)，應(yīng)力的作用下從點(diǎn)蝕有點(diǎn)蝕坑形成時(shí)，應(yīng)力的作用下從點(diǎn)蝕坑底部可誘發(fā)坑底部可誘發(fā)SCC裂紋裂紋 SCC微觀觀察微觀觀察 SCC裂紋尖端高分辨像裂紋尖端高分辨像 Ei電化學(xué)作用下的裂紋形核電化學(xué)作用下的裂紋形核SCC與電極電位奧氏體不銹鋼的奧氏體不銹鋼的SCC機(jī)理機(jī)理 Cr-Ni奧氏體不銹鋼在熱濃的奧氏體不銹鋼在熱濃的MgCl2溶液中產(chǎn)生應(yīng)力溶液中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂，即從裂紋尖端產(chǎn)生陽極溶解而引起的斷裂腐蝕斷裂，即從裂紋尖端產(chǎn)生陽極溶解而引起的斷裂滑移滑移-溶解溶解-斷裂機(jī)理斷裂機(jī)理。l奧

23、氏體不銹鋼表面有一層奧氏體不銹鋼表面有一層CrCr、NiNi氧化物構(gòu)成的鈍化膜，在氧化物構(gòu)成的鈍化膜，在MgClMgCl2 2溶液中穩(wěn)定性較差溶液中穩(wěn)定性較差l在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)塞積在應(yīng)力作用下，位錯(cuò)塞積l位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)至金屬位錯(cuò)沿著滑移面運(yùn)動(dòng)至金屬表面，在表面產(chǎn)生滑移臺(tái)階，表面，在表面產(chǎn)生滑移臺(tái)階，使表面膜產(chǎn)生局部破裂并暴使表面膜產(chǎn)生局部破裂并暴露活潑的新鮮金屬露活潑的新鮮金屬l基體金屬發(fā)生陽極快速溶解基體金屬發(fā)生陽極快速溶解l隨后在拉應(yīng)力繼續(xù)作用下，隨后在拉應(yīng)力繼續(xù)作用下， 蝕坑底部應(yīng)力集中，鈍化膜再蝕坑底部應(yīng)力集中，鈍化膜再次破裂，形成新的活性陽極區(qū)，次破裂，形成新的活性陽極區(qū)，繼續(xù)

24、深入地進(jìn)行陽極溶解繼續(xù)深入地進(jìn)行陽極溶解l伴隨著陽極溶解產(chǎn)生陽極極化，伴隨著陽極溶解產(chǎn)生陽極極化，使陽極周圍鈍化，在蝕坑即裂使陽極周圍鈍化，在蝕坑即裂紋尖端周邊重新生成鈍化膜紋尖端周邊重新生成鈍化膜位錯(cuò)停止沿滑移面滑移，重位錯(cuò)停止沿滑移面滑移，重新開始塞集新開始塞集l如此反復(fù)作用，應(yīng)力腐蝕破裂的如此反復(fù)作用，應(yīng)力腐蝕破裂的裂紋不斷向開裂的前沿發(fā)展，造裂紋不斷向開裂的前沿發(fā)展，造成縱深穿晶的裂紋，直至斷裂成縱深穿晶的裂紋，直至斷裂l抑制橫向溶解的主要因素是再鈍化抑制橫向溶解的主要因素是再鈍化滑移滑移-溶解溶解-斷裂理論斷裂理論:表面膜的形成表面膜的形成應(yīng)力作用下金屬產(chǎn)生滑應(yīng)力作用下金屬產(chǎn)生滑移引

25、起表面膜的破裂移引起表面膜的破裂裸露金屬的裸露金屬的陽極溶解陽極溶解裸露金屬的裸露金屬的再鈍化再鈍化346.1.5 SCC6.1.5 SCC的影響因素的影響因素 6.1.6 6.1.6 防止防止SCCSCC的措施的措施l改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積存改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積存l在部件的加工、制造和裝配過程中盡量避免產(chǎn)生較大的殘余在部件的加工、制造和裝配過程中盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力應(yīng)力l可通過熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應(yīng)力可通過熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應(yīng)力（）選材（）選材l根據(jù)材料的具體使用環(huán)境，盡量避免使用對(duì)根據(jù)材料的具體使用環(huán)境，盡量避免使用

26、對(duì)SCCSCC敏感的材料敏感的材料（）消除應(yīng)力（）消除應(yīng)力l使用有機(jī)涂層可將材料表面與環(huán)境分開使用有機(jī)涂層可將材料表面與環(huán)境分開l使用對(duì)環(huán)境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層，都可減少材料使用對(duì)環(huán)境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層，都可減少材料SCCSCC敏感性敏感性（）涂層（）涂層l控制或降低有害的成分控制或降低有害的成分l在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑l通過改變電位、促進(jìn)成膜、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等，影響通過改變電位、促進(jìn)成膜、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等，影響電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而起到緩蝕作用，改變環(huán)境的敏感性質(zhì)電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而起到緩蝕作用，改變環(huán)境的敏感性質(zhì)（）改善介質(zhì)環(huán)境（）改善

27、介質(zhì)環(huán)境l應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在活化活化鈍化鈍化和和鈍化過鈍化鈍化過鈍化兩個(gè)敏兩個(gè)敏感電位區(qū)間感電位區(qū)間l可以通過控制電位進(jìn)行陰極可以通過控制電位進(jìn)行陰極保護(hù)或陽極保護(hù)防止保護(hù)或陽極保護(hù)防止SCCSCC的的發(fā)生發(fā)生（）電化學(xué)保護(hù)（）電化學(xué)保護(hù)l氫脆氫脆金屬材料的脆性降低金屬材料的脆性降低l氫損傷氫損傷除韌性降低和開裂，還包括材料其他物理性能或化除韌性降低和開裂，還包括材料其他物理性能或化學(xué)性能的下降，含義更廣學(xué)性能的下降，含義更廣氫致開裂或斷裂氫致開裂或斷裂6.2.1 6.2.1 氫致開裂（氫致開裂（Hydrogen Induced CrackingHIC）原子氫在合金晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)

28、的滲入和擴(kuò)散所原子氫在合金晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的滲入和擴(kuò)散所導(dǎo)致的脆性斷裂破壞的現(xiàn)象導(dǎo)致的脆性斷裂破壞的現(xiàn)象，又稱作又稱作氫脆氫脆或或氫損傷氫損傷。氫損傷氫損傷氫壓引起的微裂紋（鋼中的白點(diǎn)、焊接冷裂紋）氫壓引起的微裂紋（鋼中的白點(diǎn)、焊接冷裂紋）高溫高壓氫腐蝕高溫高壓氫腐蝕氫化物相或氫致馬氏體相變氫化物相或氫致馬氏體相變氫致塑性損失氫致塑性損失6.2 6.2 氫致開裂氫致開裂 6.2.2 6.2.2 氫致開裂的原因氫致開裂的原因l如果基體內(nèi)部存在空位、缺陷如果基體內(nèi)部存在空位、缺陷，使，使氫原子在缺陷內(nèi)形成氫分氫原子在缺陷內(nèi)形成氫分子子，氫分子進(jìn)一步，氫分子進(jìn)一步聚集而產(chǎn)生聚集而產(chǎn)生很大的壓力很大的壓力，

29、從而形成，從而形成氫鼓泡氫鼓泡，降低了金屬原子之間的結(jié)合，降低了金屬原子之間的結(jié)合強(qiáng)度，使材料強(qiáng)度，使材料變脆變脆l(xiāng)如果氫脆的金屬又受到超過臨如果氫脆的金屬又受到超過臨界值的拉應(yīng)力，金屬就會(huì)開裂界值的拉應(yīng)力，金屬就會(huì)開裂破壞，即破壞，即氫裂氫裂l金屬在溶液中，由于腐蝕、不恰當(dāng)?shù)乃嵯?、陰極保護(hù)金屬在溶液中，由于腐蝕、不恰當(dāng)?shù)乃嵯础㈥帢O保護(hù)等使等使表面有氫產(chǎn)生表面有氫產(chǎn)生，氫原子很容易復(fù)合為氫分子從表，氫原子很容易復(fù)合為氫分子從表面逸出面逸出6.2.3 6.2.3 氫損傷的特征氫損傷的特征u氫損傷導(dǎo)致金屬材料韌性和塑性下降，使材料開裂氫損傷導(dǎo)致金屬材料韌性和塑性下降，使材料開裂和脆斷和脆斷，根據(jù)氫

30、引起金屬破壞的條件、機(jī)理和形態(tài)：，根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機(jī)理和形態(tài)：氫鼓泡氫鼓泡氫脆氫脆脫碳脫碳?xì)涓g氫腐蝕氫進(jìn)入金屬內(nèi)部氫進(jìn)入金屬內(nèi)部-金屬局部變形金屬局部變形-破壞金屬結(jié)構(gòu)破壞金屬結(jié)構(gòu)氫進(jìn)入金屬內(nèi)部氫進(jìn)入金屬內(nèi)部-金屬韌性和抗拉強(qiáng)度下降金屬韌性和抗拉強(qiáng)度下降氫與滲碳體作用氫與滲碳體作用-脫碳脫碳-鋼的強(qiáng)度下降鋼的強(qiáng)度下降合金組分與氫反應(yīng)合金組分與氫反應(yīng)l氫的來源氫的來源內(nèi)氫和外氫；內(nèi)氫和外氫；l氫的存在形式氫的存在形式HH原子、離子、分子、氫化物、氣團(tuán)等原子、離子、分子、氫化物、氣團(tuán)等l氫的分布?xì)涞姆植紤?yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端處應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端處u氫損傷由氫與材料交互作用引起氫

31、損傷由氫與材料交互作用引起H+eH陰極陰極陽極陽極MM+eH+eHMM+e斷裂斷裂u氫損傷和應(yīng)力腐蝕斷裂在產(chǎn)生原因和機(jī)理的區(qū)別氫損傷和應(yīng)力腐蝕斷裂在產(chǎn)生原因和機(jī)理的區(qū)別裂紋擴(kuò)展是由于裂紋擴(kuò)展是由于裂紋的陽極裂紋的陽極溶解溶解，而裂紋的擴(kuò)展途徑，而裂紋的擴(kuò)展途徑，合金內(nèi)部原已存在的合金內(nèi)部原已存在的活性通活性通道道、裂紋前沿因、裂紋前沿因塑性變形塑性變形而而形成的活性區(qū)。相應(yīng)的陰極形成的活性區(qū)。相應(yīng)的陰極過程對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展不過程對(duì)應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展不產(chǎn)生直接的影響。產(chǎn)生直接的影響。 氫損傷是由于合金中吸收了氫損傷是由于合金中吸收了陰極反應(yīng)產(chǎn)物氫原子，誘導(dǎo)脆性陰極反應(yīng)產(chǎn)物氫原子，誘導(dǎo)脆性而產(chǎn)生和

32、擴(kuò)展的。而產(chǎn)生和擴(kuò)展的。 相應(yīng)的陽極過程僅是提供電相應(yīng)的陽極過程僅是提供電子，對(duì)氫脆不產(chǎn)生直接影響。子，對(duì)氫脆不產(chǎn)生直接影響。應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂氫損傷氫損傷金屬處于陽極敏感的電位區(qū)金屬處于陽極敏感的電位區(qū)金屬作為陰極時(shí)的敏感電位區(qū)金屬作為陰極時(shí)的敏感電位區(qū)陽極過程的應(yīng)力腐蝕斷裂可因陰陽極過程的應(yīng)力腐蝕斷裂可因陰極保護(hù)而停止極保護(hù)而停止陰極過程的氫損傷，可因陽極防陰極過程的氫損傷，可因陽極防護(hù)而不再進(jìn)行護(hù)而不再進(jìn)行外加陽極電流使試樣陽極極化，外加陽極電流使試樣陽極極化，陽極溶解加快，斷裂加速陽極溶解加快，斷裂加速外加陰極電流使試樣陰極極化，外加陰極電流使試樣陰極極化，陰極析氫反應(yīng)加快，斷裂

33、加速陰極析氫反應(yīng)加快，斷裂加速6.2.4 6.2.4 金屬中氫的行為金屬中氫的行為氫的來源氫的來源氫的傳輸氫的傳輸氫的去處氫的去處造成結(jié)果造成結(jié)果氫損傷的過程涉及氫損傷的過程涉及(1) (1) 氫的來源氫的來源（a a）內(nèi)氫）內(nèi)氫材料在使用前內(nèi)部就已經(jīng)存在的氫材料在使用前內(nèi)部就已經(jīng)存在的氫l冶煉過程：爐中水分分解成氫進(jìn)入液態(tài)金屬，在凝固過冶煉過程：爐中水分分解成氫進(jìn)入液態(tài)金屬，在凝固過程中來不及擴(kuò)散出去程中來不及擴(kuò)散出去 鋼中的鋼中的白點(diǎn)白點(diǎn)和鋁合金中的和鋁合金中的亮點(diǎn)亮點(diǎn)l加工過程：熱處理、酸洗、電鍍、焊接加工過程：熱處理、酸洗、電鍍、焊接l焊接：局部冶煉焊條中的水分分解焊接冷裂紋焊接：局部

34、冶煉焊條中的水分分解焊接冷裂紋l酸洗：部分表層金屬酸洗：部分表層金屬+酸氫進(jìn)入金屬氫致裂紋或氫酸氫進(jìn)入金屬氫致裂紋或氫鼓泡鼓泡l電鍍：工件為陰極，表面析氫電鍍：工件為陰極，表面析氫（b）外氫（環(huán)境氫）外氫（環(huán)境氫） 金屬表面產(chǎn)生金屬表面產(chǎn)生活性氫原子活性氫原子進(jìn)入金進(jìn)入金屬中屬中l(wèi)材料在使用過程中與含氫介質(zhì)接觸或進(jìn)行陰極析氫反應(yīng)材料在使用過程中與含氫介質(zhì)接觸或進(jìn)行陰極析氫反應(yīng)吸收的氫；吸收的氫；lH2或或H2S氣體氣體l石化工業(yè)中的反應(yīng)塔、水煤發(fā)生器、油氣管道等石化工業(yè)中的反應(yīng)塔、水煤發(fā)生器、油氣管道等l物理吸附分解成原子氫化學(xué)吸附溶解在金屬中物理吸附分解成原子氫化學(xué)吸附溶解在金屬中l(wèi)水溶液水

35、溶液l析氫反應(yīng)析氫反應(yīng) l濕空氣濕空氣l很多金屬間化合物中的吸水活潑元素與水反應(yīng)生成很多金屬間化合物中的吸水活潑元素與水反應(yīng)生成H(2)(2)氫的存在形式氫的存在形式 氫在金屬中的分布是不均勻的，主要富集在應(yīng)力集中的氫在金屬中的分布是不均勻的，主要富集在應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端等缺陷處，并向拉伸應(yīng)力集中處擴(kuò)散和富集位錯(cuò)、裂紋尖端等缺陷處，并向拉伸應(yīng)力集中處擴(kuò)散和富集l H、H、H氫可以氫可以H、H、H的形式固溶在金屬中的形式固溶在金屬中l(wèi) 氫分子氫分子H2當(dāng)金屬中的氫含量超過溶解度時(shí)，氫原子往當(dāng)金屬中的氫含量超過溶解度時(shí)，氫原子往往在金屬的缺陷（孔洞、裂紋、晶間等）聚集形成氫分子往在金屬的缺陷

36、（孔洞、裂紋、晶間等）聚集形成氫分子l 氫化物氫化物氫在氫在V、Ti、Zr等等IVB或或VB族金屬中的溶解度族金屬中的溶解度較大；但超過溶解度后會(huì)形成較大；但超過溶解度后會(huì)形成TiHx，Ni也可以形成氫化也可以形成氫化物物l CH4氣體氣體l 氣團(tuán)氣團(tuán)氫與位錯(cuò)結(jié)合形成氣團(tuán)，可看作一種相氫與位錯(cuò)結(jié)合形成氣團(tuán)，可看作一種相（）氫在金屬中的溶解度（）氫在金屬中的溶解度RTHpCSHHexp22HHpkCRTHkCSHexp當(dāng)當(dāng)T 恒定時(shí)，恒定時(shí)，當(dāng)當(dāng) p 恒定時(shí)，恒定時(shí)， 對(duì)對(duì)Fe而言，氫的溶解是吸熱過程，隨溫度升高，氫的溶而言，氫的溶解是吸熱過程，隨溫度升高，氫的溶解度增大解度增大 氫在金屬中的溶

37、解度取決于氫在金屬中的溶解度取決于溫度和壓力溫度和壓力，在氣體氫和溶解，在氣體氫和溶解在金屬中的氫達(dá)到平衡時(shí)：在金屬中的氫達(dá)到平衡時(shí)： 21()H2H氣（金屬中）（）氫陷阱（）氫陷阱固溶在金屬中的氫原子占據(jù)固溶在金屬中的氫原子占據(jù)晶體點(diǎn)陣的最大間隙位置晶體點(diǎn)陣的最大間隙位置，如如bcc金屬的四面體間隙和金屬的四面體間隙和fcc金屬的八面體間隙。金屬的八面體間隙。實(shí)測(cè)氫濃度實(shí)測(cè)氫濃度點(diǎn)陣中的溶解度點(diǎn)陣中的溶解度 少量氫處于晶格間隙外，絕大部分氫處于少量氫處于晶格間隙外，絕大部分氫處于各種缺陷位置，各種缺陷位置，如晶界、位錯(cuò)、空位、孔隙等如晶界、位錯(cuò)、空位、孔隙等氫陷阱氫陷阱處于晶格間隙位置的氫原

38、子（濃度為處于晶格間隙位置的氫原子（濃度為CL）可以被陷阱捕獲，）可以被陷阱捕獲，而陷阱中的氫原子（濃度為而陷阱中的氫原子（濃度為CT）也可能跑出陷阱進(jìn)入晶格間）也可能跑出陷阱進(jìn)入晶格間隙位置。隙位置。 在平衡時(shí)：在平衡時(shí)：)()(K陷阱中的氫溶解的氫TLHHRTEBCCKbLTexp平衡常數(shù)：平衡常數(shù)： Eb陷阱結(jié)合能陷阱結(jié)合能 氫在陷阱中的富集可能導(dǎo)致氫致開裂：氫在陷阱中的富集可能導(dǎo)致氫致開裂：過飽和的氫原子過飽和的氫原子在孔隙中結(jié)合成分子氫，在孔隙中結(jié)合成分子氫， 產(chǎn)生非常大的壓力。如：若鋼產(chǎn)生非常大的壓力。如：若鋼中氫濃度為中氫濃度為410-6，相應(yīng)氫壓高達(dá)，相應(yīng)氫壓高達(dá)104MPa以

39、上以上l Eb較?。ㄝ^?。?.6eV），則平衡常數(shù)），則平衡常數(shù)K就小。在室溫下氫也能就小。在室溫下氫也能從陷阱中跑出來，這種陷阱為從陷阱中跑出來，這種陷阱為可逆陷阱可逆陷阱。處于可逆陷阱中。處于可逆陷阱中的氫在室溫就能參與氫的擴(kuò)散及氫致開裂過程的氫在室溫就能參與氫的擴(kuò)散及氫致開裂過程l Eb較大（較大（0.6eV），室溫下捕獲在陷阱中的氫難以跑出，），室溫下捕獲在陷阱中的氫難以跑出，這類陷阱為這類陷阱為不可逆陷阱不可逆陷阱?？赡嫦葳搴筒豢赡嫦葳逶谕獠織l。可逆陷阱和不可逆陷阱在外部條件（如溫度）變化時(shí)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變件（如溫度）變化時(shí)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變（5 5）氫的傳輸）氫的傳輸引起氫致開裂的引起氫致開

40、裂的平均平均氫含量氫含量一般都一般都很低很低，氫致開裂需要?dú)洌瑲渲麻_裂需要?dú)涞牡木植扛患植扛患?，而富集是通過氫在金屬中的傳輸來實(shí)現(xiàn)的。，而富集是通過氫在金屬中的傳輸來實(shí)現(xiàn)的。 氫的傳輸有氫的傳輸有擴(kuò)散擴(kuò)散和和位錯(cuò)遷移位錯(cuò)遷移兩種方式兩種方式l 擴(kuò)散擴(kuò)散 正常擴(kuò)散：從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置正常擴(kuò)散：從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置異常擴(kuò)散：沿晶界、位錯(cuò)通道擴(kuò)散及隧道效應(yīng)異常擴(kuò)散：沿晶界、位錯(cuò)通道擴(kuò)散及隧道效應(yīng)l 位錯(cuò)遷移位錯(cuò)遷移位錯(cuò)帶著氫氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)帶著氫氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)(a)(a)擴(kuò)散擴(kuò)散l金屬中存在金屬中存在氫的濃度梯度氫的濃度梯度或或應(yīng)力梯度應(yīng)力梯度時(shí)就會(huì)導(dǎo)致氫的擴(kuò)散時(shí)就會(huì)導(dǎo)致氫

41、的擴(kuò)散l存在氫的濃度梯度時(shí)，氫將從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散存在氫的濃度梯度時(shí)，氫將從濃度高的地方向濃度低的地方擴(kuò)散l常溫下，由于氫陷阱的存在，對(duì)氫在金屬中的擴(kuò)散行為影響較大；常溫下，由于氫陷阱的存在，對(duì)氫在金屬中的擴(kuò)散行為影響較大；高溫下，影響較小高溫下，影響較小(b)(b)位錯(cuò)遷移位錯(cuò)遷移l位錯(cuò)是一種特殊的氫陷阱位錯(cuò)是一種特殊的氫陷阱l位錯(cuò)能將氫原子捕獲在其周圍，形成位錯(cuò)能將氫原子捕獲在其周圍，形成科垂?fàn)枤鈭F(tuán)科垂?fàn)枤鈭F(tuán)l位錯(cuò)能夠遷移氫位錯(cuò)能夠遷移氫：氫在金屬中擴(kuò)散快：氫在金屬中擴(kuò)散快，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)氫氣團(tuán)能夠跟上位錯(cuò)，在位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)時(shí)氫氣團(tuán)能夠跟上位錯(cuò)一起運(yùn)動(dòng)一起運(yùn)動(dòng)l當(dāng)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)遇到與氫結(jié)

42、合能更大的當(dāng)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)遇到與氫結(jié)合能更大的不可逆陷阱時(shí)，氫將被不可逆陷阱時(shí)，氫將被“傾倒傾倒”在這在這些陷阱處些陷阱處6.2.5 6.2.5 氫脆的分類氫脆的分類按照氫脆敏感性與應(yīng)變速率的關(guān)系，可分為：按照氫脆敏感性與應(yīng)變速率的關(guān)系，可分為：第一類氫脆第一類氫脆第二類氫脆第二類氫脆材料材料加載前內(nèi)部已存在裂紋源加載前內(nèi)部已存在裂紋源，加載后在應(yīng)力作用下，加載后在應(yīng)力作用下加快了裂紋的形成與擴(kuò)展加快了裂紋的形成與擴(kuò)展,使材料的塑性或強(qiáng)度降低使材料的塑性或強(qiáng)度降低即使從金屬中除氫，損傷也不能消除，塑性或強(qiáng)度也即使從金屬中除氫，損傷也不能消除，塑性或強(qiáng)度也不能恢復(fù)，造成金屬的永久性損傷不能恢復(fù)，造成

43、金屬的永久性損傷(不可逆氫脆不可逆氫脆) 氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而降低氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而降低材料在材料在加載前并不存在裂紋源加載前并不存在裂紋源，加載后在應(yīng)力和氫的，加載后在應(yīng)力和氫的交互作用下逐漸形成裂紋源，最終導(dǎo)致脆性斷裂交互作用下逐漸形成裂紋源，最終導(dǎo)致脆性斷裂氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而增加氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而增加(a) (a) 第一類氫脆第一類氫脆氫腐蝕氫腐蝕由于氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物由于氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物或合金添加物）發(fā)生或合金添加物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成高壓氣體化學(xué)反應(yīng)，生成高壓氣體（如（如CH4、SiH4）引起材料脫碳、內(nèi)裂紋

44、和鼓泡的現(xiàn)象）引起材料脫碳、內(nèi)裂紋和鼓泡的現(xiàn)象氫鼓泡氫鼓泡過飽和的氫原子在缺陷位置（如夾雜）析出，過飽和的氫原子在缺陷位置（如夾雜）析出，形成形成氫分子，在局部造成很高的氫壓氫分子，在局部造成很高的氫壓，引起表面鼓泡或內(nèi)，引起表面鼓泡或內(nèi)部裂紋的現(xiàn)象部裂紋的現(xiàn)象氫化物型氫脆氫化物型氫脆氫與氫與IVB和和VB族金屬有較大的親和力，族金屬有較大的親和力，含氫量較高時(shí)容易生產(chǎn)含氫量較高時(shí)容易生產(chǎn)脆性的氫化物相脆性的氫化物相，并在隨后受力時(shí)，并在隨后受力時(shí)成為裂紋源，引起脆斷成為裂紋源，引起脆斷(b)(b)第二類氫脆第二類氫脆 可逆氫脆：可逆氫脆：l指含氫金屬在高速變形時(shí)并不顯示脆性，而在指含氫金屬在

45、高速變形時(shí)并不顯示脆性，而在緩慢變形時(shí)由緩慢變形時(shí)由于氫逐漸向應(yīng)力集中處富集于氫逐漸向應(yīng)力集中處富集，在應(yīng)力與氫交互作用下裂紋形，在應(yīng)力與氫交互作用下裂紋形核、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性的斷裂。在未形成裂紋前去除載荷，核、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性的斷裂。在未形成裂紋前去除載荷，靜置一段時(shí)間后高速變形，材料的塑性可以得到恢復(fù)，即應(yīng)靜置一段時(shí)間后高速變形，材料的塑性可以得到恢復(fù)，即應(yīng)力去除后脆性消失。力去除后脆性消失。應(yīng)力誘發(fā)氫化物型氫脆：應(yīng)力誘發(fā)氫化物型氫脆： l在應(yīng)力作用下氫向應(yīng)力集中處富集，當(dāng)在應(yīng)力作用下氫向應(yīng)力集中處富集，當(dāng)氫濃度超過臨界值氫濃度超過臨界值時(shí)沉淀出氫化物時(shí)沉淀出氫化物。這種應(yīng)力誘發(fā)的氫化

46、物相變只是在。這種應(yīng)力誘發(fā)的氫化物相變只是在較低較低的應(yīng)變速率下出現(xiàn)的應(yīng)變速率下出現(xiàn)，并導(dǎo)致脆性斷裂。一旦出現(xiàn)氫化物，并導(dǎo)致脆性斷裂。一旦出現(xiàn)氫化物，即使卸載除氫，靜置一段時(shí)間后再高速變形，塑性也不能即使卸載除氫，靜置一段時(shí)間后再高速變形，塑性也不能恢復(fù)，也是恢復(fù)，也是不可逆氫脆不可逆氫脆6.2.6 6.2.6 氫損傷機(jī)理氫損傷機(jī)理可逆氫脆可逆氫脆氫鼓泡氫鼓泡氫腐蝕氫腐蝕氫化物型氫脆氫化物型氫脆(1)(1)氫脆氫脆l(xiāng)氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。材料斷裂的現(xiàn)象。l金屬內(nèi)部存在氫，使金屬的韌性和抗拉

47、強(qiáng)度下降，在靜載荷的作金屬內(nèi)部存在氫，使金屬的韌性和抗拉強(qiáng)度下降，在靜載荷的作用下過早地破壞。用下過早地破壞。l氫濃度達(dá)到氫濃度達(dá)到PPM量級(jí)，即可造成氫脆。量級(jí)，即可造成氫脆。l氫脆機(jī)理氫脆機(jī)理l氫促進(jìn)局部塑性變形理論（氫促進(jìn)局部塑性變形理論（H與位錯(cuò)交互作用機(jī)理）與位錯(cuò)交互作用機(jī)理）l吸附氫降低表面能理論吸附氫降低表面能理論l氫壓理論氫壓理論l弱鍵理論（點(diǎn)陣脆化理論）弱鍵理論（點(diǎn)陣脆化理論）（a a）氫脆的機(jī)理）氫脆的機(jī)理H2(gas)裂紋尖端裂紋尖端H2(gas)物理吸附物理吸附分離、化學(xué)吸附分離、化學(xué)吸附H2(gas)氫擴(kuò)散氫擴(kuò)散在應(yīng)力的作用下，氫原子向裂紋在應(yīng)力的作用下，氫原子向裂紋

48、前沿的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散前沿的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散氫的擴(kuò)散，阻礙了裂紋前沿的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)氫的擴(kuò)散，阻礙了裂紋前沿的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗，造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力塑性變形的能力H2(gas)xmax在外力的作用下，能量只能通過裂紋擴(kuò)在外力的作用下，能量只能通過裂紋擴(kuò)展來釋放，氫的存在加速了裂紋擴(kuò)展展來釋放，氫的存在加速了裂紋擴(kuò)展（b b）裂紋形態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)）裂紋形態(tài)與應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)顯微空顯微空穴聚結(jié)穴聚結(jié)穿晶穿晶沿晶沿晶a-a-高應(yīng)力高應(yīng)力 b-b-中應(yīng)力中應(yīng)力 c-c-低應(yīng)力低應(yīng)力(c) (c) 影響因素影響因素l對(duì)第二類氫脆，隨應(yīng)變速率的降低，氫脆敏感性升高對(duì)

49、第二類氫脆，隨應(yīng)變速率的降低，氫脆敏感性升高l溫度升高，氫脆敏感性降低。氫脆一般發(fā)生在室溫附近溫度升高，氫脆敏感性降低。氫脆一般發(fā)生在室溫附近（-30到到+30 ），溫度高于），溫度高于65，一般不產(chǎn)生氫脆，一般不產(chǎn)生氫脆l(xiāng)最易產(chǎn)生氫脆的材料是高強(qiáng)鋼最易產(chǎn)生氫脆的材料是高強(qiáng)鋼l應(yīng)變速率必須與氫的擴(kuò)散速率相適應(yīng)應(yīng)變速率必須與氫的擴(kuò)散速率相適應(yīng)l以使氫有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散以使氫有足夠的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散l并在裂紋前端富集達(dá)到臨界濃度并在裂紋前端富集達(dá)到臨界濃度(2)(2)氫鼓泡氫鼓泡l氫吸附在金屬表面后，向內(nèi)部擴(kuò)散氫吸附在金屬表面后，向內(nèi)部擴(kuò)散l過飽和的氫原子在缺陷位置（夾雜、空穴）析出后，形過飽和的氫

50、原子在缺陷位置（夾雜、空穴）析出后，形成氫分子成氫分子l在局部區(qū)域造成高氫壓，形成內(nèi)部裂紋在局部區(qū)域造成高氫壓，形成內(nèi)部裂紋l若內(nèi)部裂紋正好位于表面下方，外層金屬就會(huì)向上突出若內(nèi)部裂紋正好位于表面下方，外層金屬就會(huì)向上突出，形成表面鼓泡，使鋼材撕裂，形成表面鼓泡，使鋼材撕裂（a a）氫鼓泡機(jī)理）氫鼓泡機(jī)理H2(gas)物理吸附物理吸附H2(gas)分離、化學(xué)吸附分離、化學(xué)吸附H2(gas)氫擴(kuò)散氫擴(kuò)散H2(gas)鼓泡形成鼓泡形成1234環(huán)境環(huán)境鋼鋼H2S+H2OH2夾雜物夾雜物H鼓泡鼓泡H非金屬夾雜物非金屬夾雜物HH2H2偏析區(qū)偏析區(qū)HH2FeSFe2+HS-H+HS-H+l氫鼓泡是第一類氫

51、脆氫鼓泡是第一類氫脆l(xiāng)氫鼓泡多發(fā)生于低強(qiáng)鋼，在沒有應(yīng)力存在的情況下也氫鼓泡多發(fā)生于低強(qiáng)鋼，在沒有應(yīng)力存在的情況下也可發(fā)生，裂紋平行于軋制的板面可發(fā)生，裂紋平行于軋制的板面l對(duì)高強(qiáng)鋼，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋與主應(yīng)力方向?qū)Ω邚?qiáng)鋼，易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，裂紋與主應(yīng)力方向垂直垂直l氫鼓泡發(fā)生在金屬表面，根源氫鼓泡發(fā)生在金屬表面，根源外界氫向鋼中滲入外界氫向鋼中滲入l材料：降低材料：降低S含量、合金化、組織等含量、合金化、組織等l降低金屬表面的氫含量降低金屬表面的氫含量l使用緩蝕劑使用緩蝕劑l避免陰極保護(hù)（外加陰極電流，發(fā)生陰極極化，加避免陰極保護(hù)（外加陰極電流，發(fā)生陰極極化，加快陰極析氫反應(yīng)）快陰極析

52、氫反應(yīng)）l避免異種金屬搭接形成電偶避免異種金屬搭接形成電偶 (b)(b)氫鼓泡的特征氫鼓泡的特征（c c）抑制措施）抑制措施(3)(3)氫腐蝕氫腐蝕氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物或合金添加氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物或合金添加物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成高壓氣體（如物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成高壓氣體（如CH4、SiH4）引起材料脫碳、內(nèi)裂紋和鼓泡的現(xiàn)象引起材料脫碳、內(nèi)裂紋和鼓泡的現(xiàn)象l氫與碳反應(yīng)形成甲烷氫與碳反應(yīng)形成甲烷l在晶粒邊界形成甲烷氣泡在晶粒邊界形成甲烷氣泡l鋼內(nèi)部的氣泡最終發(fā)展成裂紋鋼內(nèi)部的氣泡最終發(fā)展成裂紋機(jī)理機(jī)理氫腐蝕機(jī)理的示意圖氫腐蝕機(jī)理的示意圖(4)(4)氫化物型氫脆氫化物型氫脆氫與氫與IVB和和VB族金屬有較大的親和力，含氫量較高時(shí)容易生產(chǎn)脆性族金屬有較