第四章應(yīng)力作用下的腐蝕

1、/ 321第四章 應(yīng)力作用下的腐蝕/ 322應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕u應(yīng)力腐蝕破裂概況應(yīng)力腐蝕破裂概況u應(yīng)力腐蝕破裂的影響因素應(yīng)力腐蝕破裂的影響因素u應(yīng)力腐蝕破裂機(jī)理應(yīng)力腐蝕破裂機(jī)理u腐蝕疲勞腐蝕疲勞/ 323應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和環(huán)境腐蝕的聯(lián)合應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和環(huán)境腐蝕的聯(lián)合作用造成的金屬破壞。在固定作用造成的金屬破壞。在固定( (靜止靜止) )應(yīng)應(yīng)力情況，稱為力情況，稱為應(yīng)力腐蝕破裂應(yīng)力腐蝕破裂( (或應(yīng)力腐蝕或應(yīng)力腐蝕開裂開裂) )，記為，記為SCCSCC；在循環(huán)應(yīng)力情況，稱；在循環(huán)應(yīng)力情況，稱為為腐蝕疲勞，記為腐蝕疲勞，記為CFCF。 / 324金屬或合金金屬或合金腐腐 蝕蝕 介介

2、質(zhì)質(zhì)軟鋼軟鋼碳鋼和低合金鋼碳鋼和低合金鋼奧氏體不銹鋼奧氏體不銹鋼銅和銅合金銅和銅合金鎳和鎳合金鎳和鎳合金蒙乃爾合金蒙乃爾合金鋁合金鋁合金鉛鉛鎂鎂NaOH,NaOH,硝酸鹽溶液硝酸鹽溶液,(,(硅酸納硅酸納+ +硝酸鈣硝酸鈣) )溶液溶液42% MgCl42% MgCl2 2溶液溶液,HCN,HCNNaClONaClO溶液溶液, ,海水海水, H, H2 2S S水溶液水溶液氯化物溶液氯化物溶液, ,高溫高壓蒸餾水高溫高壓蒸餾水氨蒸氣氨蒸氣, ,汞鹽溶液汞鹽溶液, ,含含SOSO2 2大氣大氣NaOHNaOH水溶液水溶液, ,HFHF酸酸, ,氟硅酸溶液氟硅酸溶液熔融熔融NaCl, NaClNa

3、Cl, NaCl水溶液水溶液, ,海水海水, ,水蒸氣水蒸氣, ,含含SOSO2 2大氣大氣Pb(AC)Pb(AC)2 2溶液溶液海洋大氣海洋大氣, ,蒸餾水蒸餾水,KCl-KCrO,KCl-KCrO4 4溶液溶液產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的材料- -介質(zhì)組合介質(zhì)組合 ( (局部腐蝕局部腐蝕) )/ 325n特征特征 (1)(1)主要是主要是合金合金發(fā)生發(fā)生SCCSCC，純金屬極少發(fā)生。，純金屬極少發(fā)生。 (2)(2)對對環(huán)境的選擇性環(huán)境的選擇性形成了所謂形成了所謂“SCCSCC的材料的材料環(huán)境組合環(huán)境組合”。 (3) (3) 只有只有拉應(yīng)力拉應(yīng)力才引起才引起SCCSCC，壓應(yīng)力反

4、而會阻止，壓應(yīng)力反而會阻止或延緩或延緩SCCSCC的發(fā)生。的發(fā)生。 / 326(4)(4) 裂縫方向裂縫方向宏觀上和拉引力垂直，其形態(tài)宏觀上和拉引力垂直，其形態(tài) 有晶間型，穿晶型，混合型。有晶間型，穿晶型，混合型。 (5)(5) SCC有有孕育期孕育期，因此，因此SCC的破斷時間的破斷時間tf 可分為孕育期，發(fā)展期和快斷期三部分?？煞譃樵杏冢l(fā)展期和快斷期三部分。 (6)(6)發(fā)生發(fā)生SCC的合金表面往往存在鈍化膜或的合金表面往往存在鈍化膜或 其他保護(hù)膜，在大多數(shù)情況下合金發(fā)生其他保護(hù)膜，在大多數(shù)情況下合金發(fā)生 SCC時均勻腐蝕速度很小，因此時均勻腐蝕速度很小，因此金屬失金屬失 重甚微重甚微

5、。 / 327合金耐合金耐SCCSCC性能的評定性能的評定 恒應(yīng)變試驗恒應(yīng)變試驗 恒載荷試驗恒載荷試驗/ 328破裂速度破裂速度試樣延伸比率試樣延伸比率裂紋深度裂紋深度暴露時間暴露時間拉伸載荷拉伸載荷下應(yīng)力腐蝕破裂擴(kuò)展速度與裂下應(yīng)力腐蝕破裂擴(kuò)展速度與裂紋深度的關(guān)系紋深度的關(guān)系恒載荷恒載荷應(yīng)力腐蝕破裂試驗中試樣延伸應(yīng)力腐蝕破裂試驗中試樣延伸率與時間的關(guān)系率與時間的關(guān)系破裂破裂破裂破裂/ 329 施加應(yīng)力施加應(yīng)力（2厘米厘米/ /磅磅1000） 80 70 60 50 40 30 20 10 00.1 1 10 100 1000 型號型號 310 314型號型號 305 309 316 347 3

6、47-2 型號型號 304 3041 斷裂時間（小時）斷裂時間（小時） 工業(yè)不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕破裂性能的比工業(yè)不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕破裂性能的比根據(jù)（Denhard）/ 3210 40 30 20 101 3 5 10 30 50 100 300 500 1000 外應(yīng)加力（外應(yīng)加力（2 2米毫米毫/ /斤公）斤公） 破裂時間（小時）各種各種Cr-Ni奧氏體不銹鋼在沸騰的奧氏體不銹鋼在沸騰的45%MgCl2溶液中溶液中的的應(yīng)力應(yīng)力- -斷裂時間曲線斷裂時間曲線O O O O18-831616Cr/12Ni 310Mo18Cr/20Ni/Mo/Cu31020Cr/30Ni/Mo/Cu31420Cr/34

7、NiO O18-12-2Cu-3Si返回返回/ 3211SCCSCC的影響因素的影響因素 力學(xué)因素力學(xué)因素 （1）應(yīng)力使材料發(fā)生形變應(yīng)力使材料發(fā)生形變，而形變使表面膜，而形變使表面膜破裂。破裂。應(yīng)力與環(huán)境腐蝕的相互促進(jìn)應(yīng)力與環(huán)境腐蝕的相互促進(jìn)，才使得材料，才使得材料在很弱的腐蝕性介質(zhì)中發(fā)生破壞。在很弱的腐蝕性介質(zhì)中發(fā)生破壞。 （2）臨界應(yīng)力和臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子）臨界應(yīng)力和臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子 低于某低于某 個個臨界值臨界值 thth時，材料不發(fā)生破裂，時，材料不發(fā)生破裂， th稱為稱為SCC臨臨界應(yīng)力。界應(yīng)力。/ 3212 腐蝕因素腐蝕因素（1 1）SCCSCC對對環(huán)境環(huán)境有有選擇性選擇性（2 2）

8、氧化劑氧化劑的存在有決定性作用的存在有決定性作用（3 3）溫度溫度有著重要的影響。一般來說，溫有著重要的影響。一般來說，溫度升高，材料發(fā)生度升高，材料發(fā)生SCCSCC的傾向增大。的傾向增大。 （4 4）干濕交替環(huán)境干濕交替環(huán)境使有害離子濃縮，使有害離子濃縮，SCCSCC更更容易發(fā)生。容易發(fā)生。 / 3213氧氧PPMPPM1000 100 10 1 0。10。010。1 1 10 100 1000氯化物氯化物PPMPPM 破裂破裂 不破裂不破裂 數(shù)字為試樣數(shù)目數(shù)字為試樣數(shù)目 根據(jù)（Lee Williams）3322224222222333111125111堿堿- -磷鹽處理的鍋爐水中氯化物和氧

9、含量磷鹽處理的鍋爐水中氯化物和氧含量對奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的影響對奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂的影響/ 3214 溫度溫度 OF 400 300 200 1000 20 40 60 80 100 120產(chǎn)生破裂所需要的時間（小時）產(chǎn)生破裂所需要的時間（小時）溫度對破裂誘發(fā)時間的影響，溫度對破裂誘發(fā)時間的影響，316316及及347347型不銹鋼型不銹鋼在含在含875ppm NaCl875ppm NaCl的水中的水中347型型316型型/ 3215冶金因素冶金因素 合金的化學(xué)合金的化學(xué)成分、熱處理、組織結(jié)構(gòu)、加成分、熱處理、組織結(jié)構(gòu)、加工工狀態(tài)對其狀態(tài)對其SCCSCC敏感性都有影響。敏感性都有影

10、響。 對于奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的對于奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的SCCSCC來來說，說，提高提高NiNi含量，加入硅、銅含量，加入硅、銅，有利于提高抗，有利于提高抗SCCSCC性能。性能。 增加碳含量增加碳含量也有利于提高耐也有利于提高耐SCCSCC性能，但含性能，但含碳量大則容易產(chǎn)生晶間性碳量大則容易產(chǎn)生晶間性SCCSCC。 / 3216鐵素體含量鐵素體含量對幾種鑄態(tài)不銹合金發(fā)生應(yīng)力對幾種鑄態(tài)不銹合金發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂所需應(yīng)力的影響腐蝕破裂所需應(yīng)力的影響拉應(yīng)力（厘米拉應(yīng)力（厘米2 2/ /磅磅00010001） 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 鐵

11、素體（體積鐵素體（體積% %）304型型316型型CF-3CF-8CF-8M/ 3217破裂時間（小時）破裂時間（小時）1000100101020406080oo oo oo o o o ooo破裂破裂不破裂不破裂商品系商品系O30天內(nèi)破裂天內(nèi)破裂鎳（鎳（% %）碳含量（碳含量（% %）0.200.160.120.080.04 0 20 40 60 80 120最短最短破裂破裂時間時間碳在鐵素體中溶解度范圍碳在鐵素體中溶解度范圍500小時內(nèi)不破裂小時內(nèi)不破裂含碳量含碳量對碳鋼在沸騰硝酸鈣銨溶液中對碳鋼在沸騰硝酸鈣銨溶液中應(yīng)力腐蝕破裂的影響應(yīng)力腐蝕破裂的影響鎳含量鎳含量對鐵鉻鎳絲在沸騰對鐵鉻鎳絲

12、在沸騰42%MgCl42%MgCl2 2中中應(yīng)力腐蝕破裂的影響應(yīng)力腐蝕破裂的影響/ 3218破裂時間（小時）破裂時間（小時） 100 50 10 5 1 0.50 20 40 60 80 100鐵素體量（鐵素體量（% %面積）面積）Cr 2123%Cr 2123%，Ni Ni 110%110%復(fù)相不銹復(fù)相不銹鋼耐應(yīng)力與鋼鋼耐應(yīng)力與鋼中鐵素體含量中鐵素體含量的關(guān)系的關(guān)系應(yīng)力：應(yīng)力：25kg/mn2沸騰：沸騰：42%MgCl2返回返回/ 3219 應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理 SCCSCC的機(jī)理有兩種：的機(jī)理有兩種： （1 1）陽極溶解）陽極溶解(AD)(AD)機(jī)理機(jī)理 （2 2）氫致開裂

13、）氫致開裂(HIC)(HIC)機(jī)理。機(jī)理。 / 3220陰極陰極C C陰極陰極C C溶液溶液靜態(tài)金屬陽極區(qū)靜態(tài)金屬陽極區(qū)（穩(wěn)定陽極）（穩(wěn)定陽極）AAA A* *迅速迅速屈服屈服屈服金屬陽屈服金屬陽極區(qū)極區(qū)（動力陽極）（動力陽極）A A區(qū)（裂紋兩側(cè)）區(qū)（裂紋兩側(cè)）: : 電流密度電流密度 10-5A/cm2A A* *區(qū)（裂紋尖端）區(qū)（裂紋尖端）: : 電流密度電流密度 0.5A/cm21/2O2+H2O+2e 2OH-奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂模型圖奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂模型圖/ 3221氧化物腐蝕氧化物腐蝕產(chǎn)物產(chǎn)物隨隨H+陰極還原氫進(jìn)入陰極還原氫進(jìn)入合金中合金中H+e H（Fe）H2H氫引起

14、馬氏體小片形成氫引起馬氏體小片形成成為裂紋擴(kuò)展的敏感途徑成為裂紋擴(kuò)展的敏感途徑在擴(kuò)展的裂紋中的陽極反應(yīng)在擴(kuò)展的裂紋中的陽極反應(yīng)當(dāng)（當(dāng)（H+）建立（可能是慢的一步）從孔蝕形）建立（可能是慢的一步）從孔蝕形成顯微裂紋成顯微裂紋在裂紋中陽極反應(yīng)得到高濃度（在裂紋中陽極反應(yīng)得到高濃度（H+）如：）如：2Cr+3H2O Cr2O3+6H+6eH2出口出口Cl-離子使鈍化膜破壞產(chǎn)生離子使鈍化膜破壞產(chǎn)生的孔蝕的孔蝕H鈍化表面上的陰極反應(yīng)：鈍化表面上的陰極反應(yīng)：2H2O+2e H2+2OH-+H2O+2e 2OH-在氯化物介質(zhì)中奧氏體不銹鋼裂紋形成和擴(kuò)展模型在氯化物介質(zhì)中奧氏體不銹鋼裂紋形成和擴(kuò)展模型返回返回

15、/ 3222腐蝕疲勞腐蝕疲勞 在在循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力( (交變應(yīng)力交變應(yīng)力) )和腐蝕環(huán)境的聯(lián)合作用和腐蝕環(huán)境的聯(lián)合作用下金屬材料發(fā)生的嚴(yán)重腐蝕破壞叫做下金屬材料發(fā)生的嚴(yán)重腐蝕破壞叫做腐蝕疲勞腐蝕疲勞( (簡簡記為記為CF)CF)。 S SN N曲線和疲勞極限曲線和疲勞極限 在腐蝕環(huán)境中疲勞極限不存在，即在低應(yīng)力下在腐蝕環(huán)境中疲勞極限不存在，即在低應(yīng)力下造成斷裂的循環(huán)數(shù)仍與應(yīng)力有關(guān)。為了便于對各種造成斷裂的循環(huán)數(shù)仍與應(yīng)力有關(guān)。為了便于對各種金屬材料耐腐蝕疲勞性能進(jìn)行比較，金屬材料耐腐蝕疲勞性能進(jìn)行比較，一般是規(guī)定一一般是規(guī)定一個循環(huán)次數(shù)個循環(huán)次數(shù)( (如如10107 7) )，從而得出名義的腐蝕

16、疲勞極，從而得出名義的腐蝕疲勞極限，記為限，記為 -1c-1c。 / 3223 腐蝕疲勞的特征腐蝕疲勞的特征 （1 1）任何金屬在任何介質(zhì)中）任何金屬在任何介質(zhì)中都能發(fā)生腐蝕疲勞，都能發(fā)生腐蝕疲勞， 即不要求特定的材料環(huán)境組合。即不要求特定的材料環(huán)境組合。 （2 2）環(huán)境條件）環(huán)境條件對材料的腐蝕疲勞行為都有顯著影響。對材料的腐蝕疲勞行為都有顯著影響。 （3 3）純疲勞性能與循環(huán)頻率無關(guān)，純疲勞性能與循環(huán)頻率無關(guān)，腐蝕疲勞性能與腐蝕疲勞性能與 頻率有關(guān)頻率有關(guān)。 （4 4）腐蝕疲勞裂紋主要為腐蝕疲勞裂紋主要為穿晶型穿晶型。 （5 5）對金屬材料進(jìn)行對金屬材料進(jìn)行陰極極化陰極極化, ,可使裂紋擴(kuò)

17、展速度明可使裂紋擴(kuò)展速度明 顯降低。顯降低。 / 3224腐蝕疲勞機(jī)理腐蝕疲勞機(jī)理 n 一般是用金屬材料的疲勞機(jī)理和電化學(xué)腐蝕作用一般是用金屬材料的疲勞機(jī)理和電化學(xué)腐蝕作用結(jié)合來說明腐蝕疲勞的機(jī)理。結(jié)合來說明腐蝕疲勞的機(jī)理。 n 孔蝕或其他局部腐蝕造成缺口，縫隙，引起應(yīng)力孔蝕或其他局部腐蝕造成缺口，縫隙，引起應(yīng)力集集 中，造成滑移?；婆_階的腐蝕溶解使逆向加載中，造成滑移?；婆_階的腐蝕溶解使逆向加載時表面不能復(fù)原，成為裂紋源。反復(fù)加載使裂紋不時表面不能復(fù)原，成為裂紋源。反復(fù)加載使裂紋不斷擴(kuò)展，腐蝕作用使裂紋擴(kuò)展速度加快。在交變應(yīng)斷擴(kuò)展，腐蝕作用使裂紋擴(kuò)展速度加快。在交變應(yīng)力作用下，滑移具有累

18、積效應(yīng)，表面膜更容易遭到力作用下，滑移具有累積效應(yīng)，表面膜更容易遭到破壞。破壞。 返回返回/ 3225磨損腐蝕磨損腐蝕u定義和影響因素定義和影響因素u磨損腐蝕的兩種重要形式磨損腐蝕的兩種重要形式/ 3226 磨損腐蝕磨損腐蝕 n定義定義 高速流動的腐蝕介質(zhì)高速流動的腐蝕介質(zhì)( (氣體或液體氣體或液體) )對金屬材料造成的腐蝕破壞叫做對金屬材料造成的腐蝕破壞叫做磨損腐磨損腐蝕（蝕（erosion Corrosion)erosion Corrosion)，簡稱磨蝕，簡稱磨蝕，也叫做沖刷腐蝕。也叫做沖刷腐蝕。 / 3227n影響因素影響因素 (1)(1)耐磨損腐蝕性能與它的耐磨損腐蝕性能與它的耐蝕性

19、和耐磨性耐蝕性和耐磨性都有關(guān)系。都有關(guān)系。(2)(2)表面膜的保護(hù)性能和損壞后的表面膜的保護(hù)性能和損壞后的修復(fù)能力修復(fù)能力，對材料耐，對材料耐磨損腐蝕性能有決定性的作用。磨損腐蝕性能有決定性的作用。 (3)(3)流速流速對金屬材料腐蝕的影響是復(fù)雜的。只有當(dāng)流速對金屬材料腐蝕的影響是復(fù)雜的。只有當(dāng)流速和流動狀態(tài)影響到金屬表面膜的形成、破壞和修復(fù)和流動狀態(tài)影響到金屬表面膜的形成、破壞和修復(fù)時，才會發(fā)生磨損腐蝕。時，才會發(fā)生磨損腐蝕。 (4)(4)液體中含有液體中含有懸浮固體顆粒懸浮固體顆粒( (如泥漿、料漿如泥漿、料漿) )或氣泡或氣泡，氣體中含有氣體中含有微液滴微液滴，都使磨損腐蝕破壞加重。，都

20、使磨損腐蝕破壞加重。 / 3228典典 型型 腐腐 蝕蝕 率率 (mdd)(mdd)1英尺英尺/每秒每秒(1)4英尺英尺/每秒每秒(2)27英尺英尺/每秒每秒(3)材材 料料碳鋼碳鋼鑄鐵鑄鐵硅青銅硅青銅海革黃銅海革黃銅Hydraulic青銅青銅G青銅青銅鋁青銅鋁青銅(10%Al)鋁黃銅鋁黃銅GO-10CuNi(0.8%Fe)TO-30CuNi(0.05%Fe)Monel(Ni70Cu30)316型不銹鋼型不銹鋼Hastelloy C鈦鈦 34 45 1 2 4 7 5 2 5 211110 72-22012-110-25427034317033923610599199394130 (1)浸入海潮中浸入海潮中 (2)浸入人工海水溝中浸入人工海水溝中 (3)掛在浸沒的轉(zhuǎn)盤上掛在浸沒的轉(zhuǎn)盤上不不 同同 流流 速速 的的 海海 水水 對對 金金 屬屬 的的 腐腐 蝕蝕返回返回/ 3229磨損腐蝕的兩種重要形式磨損腐蝕的兩種重要形式 湍流腐蝕和沖擊腐蝕湍流腐蝕和沖擊腐蝕 高速流體或流動截面突然變化形成了湍高速流體或流動截面突然變化形成了湍流或沖擊，流或沖擊，對金屬材料表面施加對金屬材料表面施加切應(yīng)力切應(yīng)力，使，使表面膜