应力腐蚀

金属的应力腐蚀SCC(stresscorrosioncracking)2013-04-01姓名：王建才专业：化工过程机械腐蚀电化学理论及测试§0应力腐蚀§1应力腐蚀特征§2应力腐蚀机理§3应力腐蚀的影响因素§4应力腐蚀的防止措施目录§1§0应力腐蚀应力腐蚀开裂是危害性最大的局部腐蚀形态破坏形式之一，在腐蚀过程中，若有微裂纹形成，其扩展速度比其它类型的局部腐蚀速度要快几个数量级，SCC是一种“灾难性的腐蚀”如桥梁坍塌，飞机失事，油罐爆炸，管道泄漏都造成了巨大的生命和财产损失。此外，如核电站，船只，锅炉，石油化工也都发生过应力腐蚀断裂的事故。§0应力腐蚀氢脆3.0%高温氧化4.9%晶间腐蚀4.9%腐蚀疲劳8.56%小孔腐蚀21.6%应力腐蚀45.6%全面腐蚀8.5%腐蚀§1金属的应力腐蚀特征§1.1材料本身对SCC的敏感性（敏感材料）一般情况纯金属不会发生SCC，含杂质的或者合金才能发生SCC；高强度合金钢腐蚀开裂抗力受化学成分和显微组织控制；§1.2引起应力腐蚀开裂的拉应力（拉应力）1.工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗力；2.加工，制造，热处理引起的内应力；3.装配，安装形成的内应力；4.温差引起的热应力；5.裂纹内因腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用也能产生裂纹扩展所需要的应力；§1金属的应力腐蚀特征§1.2.1应力大小与腐蚀时间的关系一般的有效应力（工作应力+残余应力）如果低于某一应力水平就不会发生SCC；应力值越大，到达破坏的时间越短，越容易产生腐蚀；时间应力破裂不破裂应力与破裂时间的关系§1.3特定组织环境（特定环境）特定组织环境（包括腐蚀介质性质、浓度、温度），特定材料对于特定的溶液介质，才能发生应力腐蚀。例如，奥氏体不锈钢—cl离子溶液、低合金高强度钢—潮湿大气中。§1金属的应力腐蚀特征合金腐蚀介质碳钢和低合金钢NaOH溶液，含有硝酸根，碳酸跟，硫化氢水溶液，海水，海洋大气和工业大气，硫酸—硝酸混合液，三氯化铁溶液，湿的CO—CO2,空气高强度钢蒸馏水，湿大气，氯化物溶液，硫化氢奥氏体不锈钢高温碱液，高温高压含氧纯水，氯化物水溶液，海水，浓缩锅炉水，水蒸气(260ºC)，湿润空气（湿度90%），硫化氢水溶液，二氯乙烯等铜合金NH3蒸汽，氨溶液，汞盐溶液，含SO2的大气，三氯化铁，硝酸溶液钛合金发烟硝酸，海水，盐酸，含Cl¯,Br¯,I¯水溶液，甲醇三氯乙烯，CCl4，氟利昂铝合金NaCl水溶液，海水，水蒸气，含二氧化硫的大气，含Br¯,I¯水溶液，汞§1金属的应力腐蚀特征§1.4应力腐蚀开裂速度与裂纹外貌§1.4.2应力腐蚀破裂速度§1.4.1应力腐蚀破裂历程（1）孕育期，也称潜伏期或者诱导期；此阶段为腐蚀引起裂纹或蚀坑阶段，在腐蚀部位出现应力集中；（2）裂纹扩展期，单位面积所能承受的最大载荷（极限应力状态），裂纹扩张；（3）快速断裂期或破裂期，失稳纯力学的裂纹扩展阶段；应力腐蚀断裂的速度约为0.01~3mm/h，远远大于无应力存在下的局部腐蚀，又比纯力学断裂速度小得多（纯力学断裂中通常对应力水平要求比较高）§1.4.3应力腐蚀裂纹外貌（1）晶间裂纹；（2）穿晶裂纹；（3）混合型裂纹；§2金属的应力腐蚀机理①应力腐蚀按其机理可分为阴极氢致开裂型和阳极溶解型两类。在很多体系中由于闭塞电池作用，裂尖溶液局部酸化，阴极析氢反应的氢进入材料引起氢致开裂；②高强钢在水介质中的应力腐蚀，或低强钢在H2S溶液中的应力腐蚀本质上就是一种氢致开裂；§2.1腐蚀机理：§2金属的应力腐蚀机理§2.2电化学理论§2.2.1活性通道理论该理论认为，在金属或合金中有一条易于腐蚀的基本上是连续的通道，沿着这条活性通道优先发生阳极溶解。活性通道可以是晶界，亚晶界或由于塑性变形引起的阳极区等。电化学腐蚀就沿着这条通道进行，形成很窄的裂缝裂纹，而外加应力使裂纹尖端发生应力集中，引起表面膜破裂，裸露的金属成为新的阳极，而裂纹两侧仍有保护膜为阴极，电解质靠毛细管作用渗入到裂纹尖端，使其在高电流密度下加速裂尖阳极溶解。该理论强调了在拉应力作用下保护膜的破裂与电化学活化溶解的联合作用。§2金属的应力腐蚀机理§2.2.2快速溶解理论应力腐蚀破坏模型阴极氢脆开裂阳极溶解开裂该理论认为活性通道可能预先是不存在的，而是合金表面的点蚀坑，沟等缺陷，由于应力集中形成裂纹，裂纹一旦形成，其尖端的应力集中很大，足以使其尖端发生塑性变形到一个塑性，该塑性具有很大的溶解速度。这种理论适用于自纯化金属，由于裂纹两侧纯化膜存在，更显示裂纹尖端的快速溶解，随着裂纹向前发展，裂纹两侧的金属重新发生纯化（再纯化），只有当裂纹中纯化膜的破裂和再纯化过程处于某种同步条件下才能使裂纹向前发展（如果纯化太快就不会产生裂纹进一步腐蚀，若再纯化太慢，裂纹尖端将变圆，形成活性较低的蚀孔。§2.2.2快速溶解理论§2金属的应力腐蚀机理§2金属的应力腐蚀机理§2.2.3膜破裂理论该理论认为金属表面有一层保护膜（吸附膜，氧化膜，腐蚀产物膜），在应力作用下，被露头的滑移台阶撕破，使表面膜发生破裂（图b）局部暴露出活性裸金属，发生阳极溶解，形成裂纹（图c）。同时外部保护膜得到修补，对于自纯化金属裂纹两侧金属发生再纯化，这种再纯化一方面使裂纹扩展减慢，一方面阻止裂纹向横向发展，只有在应力作用下才能向前发展。§2金属的应力腐蚀机理§2.2.4闭塞电池理论该理论是在活性通道理论的基础上发展起来的。腐蚀就先沿着这些活性通道进行，应力的作用在于将裂纹拉开，以免被腐蚀产物堵塞，但是闭塞电池理论认为，由于裂纹内出现闭塞电池而使腐蚀加速（这类似于缝隙腐蚀）即在裂纹内由于裂纹内金属想要发生水解：FeCl2+2H2O→Fe(OH)2+2HCl，使Ph值下降，甚至可能产生氢，外部氢扩散到金属内部引起脆化。闭塞电池作用是一个随催化腐蚀过程，在拉应力作用下使裂纹不断扩展直至断裂。§2金属的应力腐蚀机理§2.3吸氢变脆理论§2.4应力吸附破裂该理论是从一些塑性很好的合金在发生应力腐蚀开裂时具有脆性断裂的特征提出的，该理论认为裂纹的形成与发展主要与裂纹尖端氢被引入晶格有关，如奥氏体不锈钢在裂纹尖端，Cr阳极氧化生成CrO3使其酸度增大。2Cr+3H2O→Cr2O3+6H++6e。当裂纹尖端的电位比氢的平衡电位负时，氢离子有可能在裂纹尖端被还原，变成吸附的氢原子，向金属内部扩展，从而形成氢脆。该理论认为由于环境中某些破坏性组分对金属表面内表面的吸附，削弱了金属原子间的结合力，在抗拉力作用下引起破裂。§3金属的应力腐蚀影响因素§4金属的应力腐蚀的防治措施由于应力腐蚀涉及到结构，应力，材料以及材料等方面，因此防止应力腐蚀也应从这几个方面找到防护措施：§4.1降低设计应力§4.2减少应力集中使最大有效应力或应力强度降低到临界值一下。在常规设计中名义抗拉强度或屈服强度，并未考虑材料中存在的缺陷；但在实际中必然有各种缺陷，比如原有裂纹、微裂纹以及环境因素造成的裂纹。1.结构设计中尽量降低最大有效力；比如增大曲率、关键部位增厚、焊接结构域采用对接减少应力；2.采用流线型设计，使结构的应力分布趋于均匀，避免过高的峰值；§4金属的应力腐蚀的防治措施§4.3降低材料对SCC敏感度§4.4合理选材等其他方法采用合理的热处理方法消除残余应力，或改善合金的组织结构以降低对SCC的敏感度；例如采用退火处理消除内应力，高强度铝合金的时效处理。1.采用高镍量的奥氏体钢，可提高抗SCC的性能；2.采用阴极保护可减缓或者阻止SCC；§4金属的应力腐蚀的防治措施TheEnd谢谢