第九章 环境介质作用下的金属力学性能
在 特定 外界条件下工作的机件,虽然所受应力 低于 材料屈服强度,但服役一定时间后,也可能发生突然脆断 。 这种与 时间 有关的低应力脆断称为 延滞断裂 。
外界条件可以是 应力,如交变应力；也可以是环境 介质,如腐蚀介质,氢气氛或热作用等 。
由交变应力引起的延滞断裂,就是 疲劳断裂 ；
而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂,叫做静载延迟断裂,或称 静疲劳 ；
如果在腐蚀介质中承受交变应力作用,则产生 腐蚀疲劳 。
(一 ) 应力腐蚀现象 Stress Corrosion Cracking
由拉伸应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为 应力腐蚀 （ 常用英文的三个字头 SCC
表示 ） 。
一,应力腐蚀现象及其特征第一节 应力腐蚀断裂应力腐蚀的介质 -----特定黄铜 ----------氨气氛不锈钢 --------氯离子的腐蚀介质
1,只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂 。
2,产生应力腐蚀的环境总是存在腐蚀介质,这种腐蚀介质一般 都很弱,如果没有拉应力的同时作用,
材料在这种介质中腐蚀速度很慢 。
应力腐蚀断裂的特定的条件：
合金 腐蚀介质碳钢 荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液,H2S水溶液，海水，海洋大气与工业大气奥氏体不锈钢 氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度 90%），热 NaCl,H2S水溶液，严重污染的工业大气马氏体不锈钢 氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金 水蒸汽，湿 H2S，氨溶液铝合金 湿空气,NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气表 10-1 合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质
3．应力腐蚀的裂纹扩展一般在 10-9-10-6m/s，象疲劳。
亚临界扩展 -------临界尺寸 ------突然断裂
（二）应力腐蚀断口特征应力腐蚀断裂也是通过 裂纹形成 和 裂纹扩展 这两个过程,
一般认为 裂纹形成约占全部时间的 90%左右,
裂纹扩展仅占 10%左右。
应力腐蚀断裂可以是 沿晶断裂,也可以是 穿晶断裂 。
取决于合金成分及腐蚀介质,
应力腐蚀的断口,其宏观形貌属于 脆性断裂,有时带有少量塑性撕裂痕迹 。 裂纹源可能有几个,但往往是位于垂直主应力面上的那个裂纹源才引起断裂 。
其裂纹源及亚稳扩展区常呈 黑色或灰黑色,
失稳扩展区的断口常有 放射花样或人字纹,光亮色
。
二 断裂力学在应力腐蚀中的应用应力腐蚀断裂 是一种与时间有关的 延滞断裂 。
用裂纹扩展速率 da/dt来描述应力腐蚀裂纹的 亚临界扩展 。
当裂纹前端的应力场强度因子 KI大于 材料的 KISCC时,材料 就可能产生应力腐蚀开裂而 导致破坏,其开裂判据为：
式中 KI 裂纹尖端应力场强度因子，公斤力 /毫米 3/2；
KISCC应力腐蚀临界应力场强度因子，公斤力 /毫米 3/2；
σ 断裂抗力，公斤力 /毫米 3/2
α 裂纹的半长度，毫米
Y 裂纹形状系数。
或
（一） KISCC的概念当 K1降低到某一定值后，材料就不会由于应力腐蚀而发生断裂（即材料有 无限寿命 ），此时的 K1就叫做 应力腐蚀临界应力场强度因子,并以 KISCC表示。
IsccKK?1 aY
K Isc c
在 lg(da/dt)- K1的坐标上，其关系如图 (p167),
曲线一般可分成三段。
（二）应力腐蚀裂纹扩展速率当裂纹前端的 KI> KISCC时，裂纹就会随时间而长大。
单位时间内裂纹的扩展量叫做 应力腐蚀裂纹扩展速率,
用 da/dt表示，实验证明,da/dt和裂纹前端的应力场强度因子有关。即
1Kfdtda?
第 Ⅰ 阶段,当,KI>KIscc时，裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展,da/dt与 KI的关系曲线几乎与纵坐标轴平行。
第 Ⅱ 阶段,曲线出现水平段,da/dt与 KI几乎无关，因为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹扩展主要受电化学过程控制。
第 Ⅲ 阶段,裂纹长度已接近临界尺寸,da/dt又明显地依赖 KI,da/dt 随 KI而增加而增大，这是材料走向快速扩展的过渡区，当 KI达到 K1c时，便发生失稳扩展，材料断裂。
保护膜破坏机理滑移 ——膜破 ——
阳极溶解 ——再钝化三 应力腐蚀断裂机理
（二）改变介质条件
（三）选用合适的合金材料
（四）采用电化学保护四 预防机件应力腐蚀断裂的措施
（一）降低应力金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，统称为 氢脆断裂 或 氢致开裂 。
一 氢脆的类型及特征
（一）内部氢脆与环境氢脆氢脆可分成两大类：
第一类为 内部氢脆,它是由于金属材料在冶炼、锻造、
焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；
第二类氢脆称为 环境氢脆,它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。
第二节 氢 脆
（二）氢脆断口特征白点又有两种类型：
一种是在钢件中观察到纵向发裂，在其断口上则呈现白点。这类白点多呈圆形或椭圆形，而且轮廓分明，
表面光亮呈银白色，所以又叫做“雪斑”或发裂白点
，这种白点实际上就是一种内部微细裂纹。
另一种白点呈鱼眼型，它往往是某些以材料内部的宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点，其形状多数为圆形或椭圆形。
内部氢脆断口往往出现,白点,。
（三）环境氢脆的特征在氢气氛作用下，材料发生延滞断裂的时间与应力场强度因子 KI之间的关系如下图所示。随 KI值降低，断裂时间延长；当 K1降低到某一临界值 Kth时，材料便不会产生断裂，临界值 Kth就叫门槛值。
（一）氢压模型在裂纹或缺口尖端的三向应力区内，形成了很多微孔核心，氢原子在应力作用下向这些核心扩散，并且结合成氢分子，由于微孔核心很小，
只要有很少的氢气应可产生相当大的压力。这种内压力大到足以通过塑性变形或解理断裂使裂纹长大或使微孔长大、连接，最后引起材料过早断裂。
二 氢脆机理
（二）减聚力氢脆模型减聚力氢脆模型又称晶格脆化模型，是由
Troiano首先提出的，其要点是高浓度的固溶氢
，可以降低晶界上或相界上金属晶体的原子间结合力。而局部地区的张应力，又通过间隙原子间的化学势及应力状态间的热力学平衡关系促使氢原子富集。这种富集区可能是低塑性材料内部的裂纹尖端处，或是位错塞积处，滑移带交叉处和塑性形不协调处。
四 腐蚀疲劳腐蚀疲劳特点材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效叫做 腐蚀疲劳 。
腐蚀疲劳 和 应力疲劳 相比，主要有以下不同点：
三 应力腐蚀开裂和氢脆的关系应力腐蚀和氢脆的关系十分密切，除内部氢脆（白点
）外，通常应力腐蚀总是伴有氢脆，它们总是 共同存在 的。一般很难严格地区分到底是应力腐蚀，还是氢脆造成的断裂。
应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。
对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子 KISCC,这是材料固有的性能，当外加应力强度因子 KI<KISCC，材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳，即使 KI<KISCC,
疲劳裂纹仍旧会扩展。
应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上有分支小裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源有多处，裂纹没有分支。
在一定的介质中，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度是较高的，
总是高于整体环境的平均值。
腐蚀疲劳 和 应力疲劳 相比，主要有以下不同点：
本章完
在 特定 外界条件下工作的机件,虽然所受应力 低于 材料屈服强度,但服役一定时间后,也可能发生突然脆断 。 这种与 时间 有关的低应力脆断称为 延滞断裂 。
外界条件可以是 应力,如交变应力；也可以是环境 介质,如腐蚀介质,氢气氛或热作用等 。
由交变应力引起的延滞断裂,就是 疲劳断裂 ；
而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂,叫做静载延迟断裂,或称 静疲劳 ；
如果在腐蚀介质中承受交变应力作用,则产生 腐蚀疲劳 。
(一 ) 应力腐蚀现象 Stress Corrosion Cracking
由拉伸应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为 应力腐蚀 （ 常用英文的三个字头 SCC
表示 ） 。
一,应力腐蚀现象及其特征第一节 应力腐蚀断裂应力腐蚀的介质 -----特定黄铜 ----------氨气氛不锈钢 --------氯离子的腐蚀介质
1,只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂 。
2,产生应力腐蚀的环境总是存在腐蚀介质,这种腐蚀介质一般 都很弱,如果没有拉应力的同时作用,
材料在这种介质中腐蚀速度很慢 。
应力腐蚀断裂的特定的条件：
合金 腐蚀介质碳钢 荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液,H2S水溶液，海水，海洋大气与工业大气奥氏体不锈钢 氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度 90%），热 NaCl,H2S水溶液，严重污染的工业大气马氏体不锈钢 氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金 水蒸汽，湿 H2S，氨溶液铝合金 湿空气,NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气表 10-1 合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质
3．应力腐蚀的裂纹扩展一般在 10-9-10-6m/s，象疲劳。
亚临界扩展 -------临界尺寸 ------突然断裂
（二）应力腐蚀断口特征应力腐蚀断裂也是通过 裂纹形成 和 裂纹扩展 这两个过程,
一般认为 裂纹形成约占全部时间的 90%左右,
裂纹扩展仅占 10%左右。
应力腐蚀断裂可以是 沿晶断裂,也可以是 穿晶断裂 。
取决于合金成分及腐蚀介质,
应力腐蚀的断口,其宏观形貌属于 脆性断裂,有时带有少量塑性撕裂痕迹 。 裂纹源可能有几个,但往往是位于垂直主应力面上的那个裂纹源才引起断裂 。
其裂纹源及亚稳扩展区常呈 黑色或灰黑色,
失稳扩展区的断口常有 放射花样或人字纹,光亮色
。
二 断裂力学在应力腐蚀中的应用应力腐蚀断裂 是一种与时间有关的 延滞断裂 。
用裂纹扩展速率 da/dt来描述应力腐蚀裂纹的 亚临界扩展 。
当裂纹前端的应力场强度因子 KI大于 材料的 KISCC时,材料 就可能产生应力腐蚀开裂而 导致破坏,其开裂判据为：
式中 KI 裂纹尖端应力场强度因子，公斤力 /毫米 3/2；
KISCC应力腐蚀临界应力场强度因子，公斤力 /毫米 3/2；
σ 断裂抗力，公斤力 /毫米 3/2
α 裂纹的半长度，毫米
Y 裂纹形状系数。
或
（一） KISCC的概念当 K1降低到某一定值后，材料就不会由于应力腐蚀而发生断裂（即材料有 无限寿命 ），此时的 K1就叫做 应力腐蚀临界应力场强度因子,并以 KISCC表示。
IsccKK?1 aY
K Isc c
在 lg(da/dt)- K1的坐标上，其关系如图 (p167),
曲线一般可分成三段。
（二）应力腐蚀裂纹扩展速率当裂纹前端的 KI> KISCC时，裂纹就会随时间而长大。
单位时间内裂纹的扩展量叫做 应力腐蚀裂纹扩展速率,
用 da/dt表示，实验证明,da/dt和裂纹前端的应力场强度因子有关。即
1Kfdtda?
第 Ⅰ 阶段,当,KI>KIscc时，裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展,da/dt与 KI的关系曲线几乎与纵坐标轴平行。
第 Ⅱ 阶段,曲线出现水平段,da/dt与 KI几乎无关，因为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹扩展主要受电化学过程控制。
第 Ⅲ 阶段,裂纹长度已接近临界尺寸,da/dt又明显地依赖 KI,da/dt 随 KI而增加而增大，这是材料走向快速扩展的过渡区，当 KI达到 K1c时，便发生失稳扩展，材料断裂。
保护膜破坏机理滑移 ——膜破 ——
阳极溶解 ——再钝化三 应力腐蚀断裂机理
（二）改变介质条件
（三）选用合适的合金材料
（四）采用电化学保护四 预防机件应力腐蚀断裂的措施
（一）降低应力金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，统称为 氢脆断裂 或 氢致开裂 。
一 氢脆的类型及特征
（一）内部氢脆与环境氢脆氢脆可分成两大类：
第一类为 内部氢脆,它是由于金属材料在冶炼、锻造、
焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；
第二类氢脆称为 环境氢脆,它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。
第二节 氢 脆
（二）氢脆断口特征白点又有两种类型：
一种是在钢件中观察到纵向发裂，在其断口上则呈现白点。这类白点多呈圆形或椭圆形，而且轮廓分明，
表面光亮呈银白色，所以又叫做“雪斑”或发裂白点
，这种白点实际上就是一种内部微细裂纹。
另一种白点呈鱼眼型，它往往是某些以材料内部的宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点，其形状多数为圆形或椭圆形。
内部氢脆断口往往出现,白点,。
（三）环境氢脆的特征在氢气氛作用下，材料发生延滞断裂的时间与应力场强度因子 KI之间的关系如下图所示。随 KI值降低，断裂时间延长；当 K1降低到某一临界值 Kth时，材料便不会产生断裂，临界值 Kth就叫门槛值。
（一）氢压模型在裂纹或缺口尖端的三向应力区内，形成了很多微孔核心，氢原子在应力作用下向这些核心扩散，并且结合成氢分子，由于微孔核心很小，
只要有很少的氢气应可产生相当大的压力。这种内压力大到足以通过塑性变形或解理断裂使裂纹长大或使微孔长大、连接，最后引起材料过早断裂。
二 氢脆机理
（二）减聚力氢脆模型减聚力氢脆模型又称晶格脆化模型，是由
Troiano首先提出的，其要点是高浓度的固溶氢
，可以降低晶界上或相界上金属晶体的原子间结合力。而局部地区的张应力，又通过间隙原子间的化学势及应力状态间的热力学平衡关系促使氢原子富集。这种富集区可能是低塑性材料内部的裂纹尖端处，或是位错塞积处，滑移带交叉处和塑性形不协调处。
四 腐蚀疲劳腐蚀疲劳特点材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效叫做 腐蚀疲劳 。
腐蚀疲劳 和 应力疲劳 相比，主要有以下不同点：
三 应力腐蚀开裂和氢脆的关系应力腐蚀和氢脆的关系十分密切，除内部氢脆（白点
）外，通常应力腐蚀总是伴有氢脆，它们总是 共同存在 的。一般很难严格地区分到底是应力腐蚀，还是氢脆造成的断裂。
应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。
对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子 KISCC,这是材料固有的性能，当外加应力强度因子 KI<KISCC，材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳，即使 KI<KISCC,
疲劳裂纹仍旧会扩展。
应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上有分支小裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源有多处，裂纹没有分支。
在一定的介质中，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度是较高的，
总是高于整体环境的平均值。
腐蚀疲劳 和 应力疲劳 相比，主要有以下不同点：
本章完
