焊接结构的应力腐蚀课件.pptx

1、第六章第六章 应力腐蚀撕裂应力腐蚀撕裂(SCC)(SCC) 一、应力腐蚀简介一、应力腐蚀简介 Stress Corrosion Cracking应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹：金属材料在某些特定介质和拉应力共同作用下所产生的延迟破裂现象称应力腐蚀裂纹。 应力腐蚀裂纹已成为工业中尤其是石油工业中最突出的问题，日本19651975十年间化工设备破坏事故统计有50%属于应力腐蚀开裂，应力腐蚀裂纹造成危害极大。焊接结构用的许多材料对应力腐蚀都很敏感，如锅炉钢的碱脆、低碳钢的硝脆、奥氏体不锈钢的氯脆等。这种破坏涉及到国防、石油、化工、电力、运输、海洋开发和原子能等工业部门的腐蚀失效问题一、腐蚀概述 1.腐蚀及

2、其分类 材料（含保护层）与所处环境中的介质之间因发生化学或电化学作用而引起的破坏和失效现象称腐蚀。金属或非金属材料都会发生腐蚀，但金属的腐蚀最为突出。 腐蚀一般是按腐蚀机理、环境状态或破坏形式分类。按腐蚀机理分有化学腐蚀和电化学腐蚀；按腐蚀环境分有自然环境（如在大气、海水或土壤中）腐蚀和工业环境（ 如在酸、碱、盐、工业水中）腐蚀；按产生破坏形式分有全面腐蚀和局部腐蚀。 2.腐蚀机理 （1）化学腐蚀 金属的化学腐蚀是指金属与周围介质单纯因化学作用而引起的腐蚀。如钢铁在高温下与空气中的氧气作用而生成氧化层。在150-570摄氏度 之间生成四氧化三铁为主，大于570摄氏度时以生成一氧化铁为主。 （2

3、）电化学腐蚀 金属的电化学腐蚀是指金属与电解质溶液接触时，由电化学作用而引起的腐蚀，它是因形成了腐蚀原电池而引起的。不同金属在与电解质溶液相接触中，由于它们的电极电位不同，便构成了腐蚀原电池。电极电位较低的金属首先失去电子，以正离子溶解进入溶液，成为腐蚀电池的阳极。阳极上过剩的电子经两种金属的界面流入电位较正的金属（阴极），并和溶液中能吸收电子的物质（去极化剂）结合，发生还原反应。所以在腐蚀电池中，阳极进行氧化过程而被溶解，而阴极进行还原过程。 腐蚀电池有宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池，宏观腐蚀电池主要是两种或两种以上金属构成的腐蚀电池称异种金属电池，如铜与铁在潮湿空气中就构成了这种电池。铜电位较

4、正是电池的阴极，铁电位较负是电池的阳极而不断地被溶解。此外，同一金属的不同部位与含氧量不同的溶液接触，产生了电位的高低，也会构成宏观腐蚀电池，又称氧浓差电池。例如，盛水金属容器，水线下氧浓度相对较低，上部电位较正，成阴极；下部电位较负，成阳极。故水线下部位容易锈蚀。 微观腐蚀电池主要发生在含有杂质的金属，这些杂质造成电化学不均匀性，与电解质溶液接触时就会形成许多微小的原电池。一般说杂质比基体金属的电位高，是阴极。 此外，金属表面化学成分不均匀，金相组织的差异，内应力大小等，都有可能产生电位不等而形成微电池。奥氏体不锈钢在400-850摄氏度加热后出现晶间腐蚀，就是微观腐蚀电池作用的结果。因加热

5、过程中晶界上大量析出，使靠近晶界的区域含铬量大幅度下降，两者电位的差异构成了无数微电池，使晶界区发生选择性溶解，形成晶间腐蚀。当金属表面上有氧化膜保护或镀层时，若氧化膜或镀层有孔隙或小破损，在电解介质中同样构成微观电池而发生腐蚀。二、断裂及腐蚀的几个概念v 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延滞断裂。v 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。v 由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂疲劳断裂；v 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

6、静载延迟断裂，或称静疲劳静疲劳；v 如果在腐蚀介质中承受交变应力作用，则产生腐蚀疲劳腐蚀疲劳。三、应力腐蚀裂纹特征三、应力腐蚀裂纹特征 1 1、形貌：、形貌：外观：无明显的均匀腐蚀痕迹，呈龟裂形式断断续续。从横断面来看：犹如枯干的树木的根须，由表面向纵深方向往里发展，裂口深宽比大，细长而带有分支是其典型的特点。从断口来看：仍保持金属光泽为典型脆性断口应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹 2、断口特征 宏观：有亚稳扩展 区，最后瞬断区（与疲 劳裂纹相似）；断口呈 黑色或灰色。 微观：显微裂纹呈枯 树枝状；腐蚀坑；沿晶 断裂和穿晶断裂。 应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点： (1)造成应力腐蚀破坏的是静应力，远

7、低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力(近年来，也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。这个应力可以是外加应力，也可以是焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力。最早发现的冷加工黄铜子弹壳在含有潮湿的氨气介质中的腐蚀破坏，就是由于冷加工造成的残留拉应力的结果。假如经过去应力退火，这种事故就可以避免。 (2)应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，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。例如黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而黄铜在水中就能破裂。 (4)应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界

8、尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，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，而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 (7)应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。 (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。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。 应力腐蚀裂纹产生的三个基本条件: 敏感材料、 特定环境、拉伸应力 . (1)从金到钛、锆，几乎所有金属的合金在特定环境中都有某种应力腐蚀敏

9、感性。 (2)每种合金的应力腐蚀断裂只是对某些特定的介质敏感 (3)发生应力腐蚀必须有拉伸应力作用。 (4)应力腐蚀断裂是一种典型的滞后破坏2、材质与介质的匹配、材质与介质的匹配 纯金属不产生应力腐蚀裂纹，凡是合金即使含有微量元素的合金，在特定的腐蚀环境中都有一定的应力腐蚀开裂倾向。但并不是说，任何合金在任何介质中都产生应力腐蚀开裂，一定的材料只在某一定的腐蚀环境中才产生应力腐蚀裂纹。 应力腐蚀开裂温度:易产生在100300之间四、焊接结构的应力腐蚀破坏条件 1）有拉应力存在。拉应力可以是外加载荷引起的，也可以是残余应力，如焊接残余应力，装配应力，热应力等。在一般情况下，发生应力腐蚀的拉应力比

10、较低，如果没有腐蚀介质的共同作用，构件在该应力水平下可长期工作而不发生断裂。 2）有腐蚀介质存在。每种材料只对某些介质敏感，如表7-13： 各种材料腐蚀环境 .低碳钢: NO3-水溶液，NaOH水溶液，HCN水溶液 .低合金钢: NO3-水溶液，HCN水溶液，H2S水溶液，Na2PO4水溶液,醋酸水溶液，NH4CNS水溶液,(NH4)2CO3水溶液,NaOH水溶液,氨（水 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应力腐蚀裂纹扩展速率裂纹扩展速率，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第第阶段阶段，当: KIKIscc

11、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。 第第阶段阶段，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。 第第阶段阶段，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 熔焊接头是由母材、焊缝和热影响区组成的一个成分、组织和性能的不均匀体。对接头各区分别进行腐蚀试验结果表明，各区的应力腐蚀抗力差别很大；焊接材料对接头应力腐蚀的影响显著。表1-12

12、为20g钢焊条电弧焊接头各区在两种腐蚀介质中应力腐蚀试验的结果，表1-13 为不同焊接方法20g钢接头热影响各部位在沸腾硝盐溶液和碱溶液中的临界值比较。从这两表可得出中低强度钢接头在硝盐和碱溶液中应力腐蚀的一般特点是：八、八、焊接接头应力腐蚀的一般特点1、焊缝的应力腐蚀以用焊条E4303焊接的为最低，用E4315的也不高，只有用E5015的焊缝才能与裂纹面垂直于轧制方向的母材相匹配；2、多层焊时，热影响区各部位的应力腐蚀抗力以细晶区为最高，熔合区其次，混晶区最低；单层焊时细晶区仍然最高，但熔合区最低；3、Q235A 钢的应力腐蚀抗力低于20g 钢，沿轧制方向的抗力比垂直方向低得多：4、接头在硝

13、盐溶液中的抗力比在碱溶液中差得多；后者 高于母材的屈服点。5、均为沿晶型开裂，腐蚀裂纹沿铁素体界面扩展，断口呈冰糖状形貌。 高强度钢的应力腐蚀倾向很大，由于它对焊接热循环很敏感，接头各区的组织变化十分复杂，故焊态下接头各区的应力腐蚀抗力有显著差别。表1-1221是HG80钢热模拟焊接接头各区在硝盐溶液中的试验结果，除焊缝很好外，其他各区包括母材的耐蚀性能都极差，说明高强钢结构不宜在腐蚀介质中工作，即使在工业大气中也应采取适当保护措施。四. 影响应力腐蚀开裂的因素 九、应力腐蚀的预防措施九、应力腐蚀的预防措施1. 1. 降低应力、2.改变腐蚀介质、3.选用合适的合金材料、4.采用合适的电化学保护

14、（一）、结构设计（一）、结构设计 1、合理选材母材（针对特定的腐蚀环境而选择合适的金属材料。 ） 选材必须有足够的实验数据，不能只看材料牌号，不能单纯考虑强度级别，因同一强度等级，合金系统不同，抗应力腐蚀开裂的倾向很大。 2、避免高应力区 （二）、施工制造（二）、施工制造 1、 合理选择焊材 了解产品结构的的工作条件，熟悉介质的腐蚀特性，及合金元素的特性，则确定焊缝成分从而确定焊接材料。因此必须根据具体腐蚀介质，调整焊缝的合金系统，以便提高耐应力腐蚀开裂的能力。 a.注意将结构中的边，缝，孔置于低应力区和压应力区。尽量避免出现缝隙，拐角，和死角，因为这些部位容易引起介质溶液的浓缩。图7-36a

15、）结构容易引起应力腐蚀，图7-36b）经过改进后可减缓应力腐蚀破坏。 b.对槽及容器焊接宜用连续焊而忌用断续焊，避免产生缝隙。 c.设计槽及容器时，应考虑易于清洗和将渣体排放干净。 d.避免不同金属接触以防止电偶腐蚀。 2.消除和调节残余应力 a.采用合理的焊接工艺。 b.采用热处理方法减少或清除残余应力。对于一般的焊接钢结构采用消除应力退火处理即可。奥氏体不锈钢则可采用加热1050并急冷的固溶处理。对于引起回火脆性的钢，例如800MPa级的高强钢，进行消应力退火虽然会恶化焊接区的断裂韧性，但却可以减少残余应力而防止应力腐蚀裂纹的产生。 c.采用机械方法调节残余应力场。 可采用喷钢丸等机械方法

16、使构件表面造成压应力场。 3.采用电化学保护。有外加电流阴极保护法和牺牲阳极保护法两种。一不锈钢换热器，管系含有Cl-的水，在不锈钢花板上加一层较厚的碳钢板，碳钢提供了牺牲阳极的阴极保护作用，用了三年未发现不锈钢管破裂。已往未加碳钢表层时，则在使用19个月内及破裂。但应注意，对于高强钢或其他对氢脆敏感的材料，采用此法无效，有时反而会促进破坏。 外加电流阴极保护法将结构接直流电源的负极，使处于阴极极化状态而受到保护，称为外加电流阴极保护法。 牺牲阳极保护法在结构上接一电位较负的金属（如在船体上接锌合金）作为阳极，以达到阴极极化目的，称为牺牲阳极保护法。 牺牲阳极的阴极保护牺牲阳极的阴极保护:在被

17、保护的金属设备上连接一个电位更负（相对于被保护的金属设备而言）的金属（如钢铁设备上连接锌等），使被保护金属设备发生阴极极化，这种方法称为牺牲阳极的阴极保护（也称牺牲阳极保护）。 优点是不用外加电流；施工简单，管理方便，对附近设备没有干扰，因此，适用于安装电源困难、需要局部保护的场合。 缺点是能产生的有效电位差及输出电流量都是有限的，只适于需要小保护电流的场合。且电流调节困难，阳极消耗大，需定期更换。 使用阴极保护时应考虑以下几方面的问题使用阴极保护时应考虑以下几方面的问题： a. 腐蚀介质必须是电解质溶液，能够离子导电。 b .被保护设备在其腐蚀介质中要易于阴极极化. c. 钝态金属设备不宜采

18、用阴极保护。 d. 结构、形状复杂的金属设备不宜采用阴极保护。 e. 由氢脆敏感性材料制作的金属设备不宜采用阴极保护。 4、用镀层或涂层隔离环境。 5、控制和改善环境。为了防止炼油厂中铬镍不锈钢设备受到连多硫酸（由硫化物与氧作用产生）的应力腐蚀，当设备停止时刻用碱液洗涤，然后充氮。 6、 合理制定装焊工艺1）、成形及装配工艺 引起应力腐蚀裂纹的重要原因之一就是残余应力，从部件成形加工列组装都可引起残余应，特别是强制组装，例如用千斤组装大错口，可以形成很大的残余应力，在组装质量不良的条件下（错口）焊接时，会造成较大的残余应力。组装时所造成伤痕如随意打弧的灼痕等都会成应力腐蚀裂源。 2)、焊接工艺

19、 基本点，不产生硬化组织，不发生晶粒严重粗化现象,接头硬度 粗晶区的应力腐蚀裂纹的扩展敏感性最大，主要是由于晶粒粗大，以致裂纹尖端集中的位错数量增大，并可形成大的滑移阶梯，从而利于应力腐蚀裂纹的形成和扩展。 防止应力腐蚀的办法要视具体的材料-介质而定。例如低碳钢容易产生碱脆和硝脆。在锅炉的铆接和焊接部位，少量的渗漏使溶融的盐形成局部高浓度的苛性钠，易产生碱脆。对于碱脆就要时时注意锅炉用水处理，减少PH值或加入强氧化剂使钢表面钝化，加入一些抑制剂如硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐都可减缓应力腐蚀，也可用阴极保护的办法。而对于硝脆则正相反，要增加溶液的PH值，或加入苛性钠等碱性物质延缓应力腐蚀，当然，从电化

20、学防护来说也可用阴极保护。对奥氏体不锈钢的氯脆，首先从合金的成分加以改进，如从低镍的18-8型(304、302型)改变成高镍并加钼的316型，进而采用A+F的双相钢。对奥氏体不锈钢也要特别注意冷变形或者焊接后的去除应力处理。十、消除应力处理 焊后消除应力处理是防止产生应力腐蚀裂纹的重要环节。 例氢化脱硫装置的硫化物应力腐蚀开裂试验，钢种弯曲成形加工后的热处理温度温度 350 400 450 500 550 650 850 1Cr18Ni8 x x x x x o o o1Cr18Ni9Ti X x o o o o o o 其中x裂纹，o无裂纹 1.整体消除应力处理消除应力的程度可用下式估算P=

21、T（lgt+20)*10-3P消除应力效果参数T热力学温度 t 保温时间2.局部消除应力处理RB5R-管子半径 -板厚加热宽度十一、生产管理十一、生产管理 1、 防蚀处理 介质隔离、涂层、衬里 介质处理、加缓蚀剂等 电化防蚀、阴极化或阳极化、表面技术处理 2、 定时检查及分析 定期检查、及时补修 本节结束第七章 、焊接结构的腐蚀疲劳 金属材料或构件在交变循环应力和腐蚀性介质共同作用下所引起的破坏称腐蚀疲劳。是电化学腐蚀与机械疲劳的联合作用的结果，但其破坏性远较机械疲劳和腐蚀作用的单纯叠加严重。在海洋工程中的焊接结构最容易引起腐蚀疲劳。 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

22、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： 1)腐蚀疲劳一般没有明显的疲劳极限，即SN曲线无水平部分； 2）与应力腐蚀不同，纯金属也会发生腐蚀疲劳，对腐蚀介质没有选择性。 3）与材料静拉强度不存在比例关系，增加强度极限，不能提高腐蚀疲劳强度。 4）腐蚀疲劳裂纹多起源于表面腐蚀坑或表面缺陷，往往成群出现。疲劳裂纹主要是穿晶型，但也有沿晶或混合型。断口为脆性断裂，发生时无明显预兆，在裂纹扩展区疲劳条纹不再连续出现，常伴有网状裂纹和腐蚀痕迹。 5）腐蚀疲劳强度对应力循环有强烈的频率效应。二、耐腐蚀的结构设计 影响金属腐蚀的因素可概括为材料的内在因素和环境介质的外部因素。设计

23、在腐蚀介质中工作的焊接结构，首先应选择具有耐腐蚀性能的金属材料，以保证具有良好耐腐蚀的内在质量。有时为了满足强度、刚度或某方面要求，所用材料耐腐性能较差时，通常是采取在基体材料上施加保护层或表面合金化处理，以达到对基体材料的腐蚀保护。如起阻隔作用的，有机涂层或无机涂层等；起电保护作用的，有电镀、喷镀等。对于焊接结构来说还可以采用在基体表面堆焊耐蚀合金或覆盖耐蚀金属薄板（容器结构称衬里），或者直接利用复合（双金属）钢板。图1-212 为容器设计中常用复合钢板的焊接接头，这类接头的焊接，没有复合钢板时，可采用衬里，图1-12121 为衬里的接头形式。容器简体或管道的对接焊缝应焊透，最好两面焊vA

24、A、应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的、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，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。出现。vB B、对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子、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这是材料固有的性能，当外加应力强度因子KIKISCC，材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳，材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲劳，即使即使KIKISCC ，疲劳裂纹仍旧会扩展。，疲劳裂纹仍旧会扩展。vC C、应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上、应力腐

25、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，裂纹没有有分支小裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源有多处，裂纹没有分支。分支。vD D、在一定的介质中，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度、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。是较高的，总是高于整体环境的平均值。 E、 腐蚀疲劳没有真实的疲劳极限。 F、 腐蚀疲劳在任何腐蚀介质中都可能发生，但必须交变应力和腐蚀介质同时作用条件下，才能产生腐蚀疲劳。 G、 腐蚀疲劳性能与载荷频率、应力以及载荷波形有密切关系。 H、 腐蚀疲劳裂纹往往是多源的；与应力腐蚀相比，腐蚀疲劳裂纹的扩展很少有分叉的情况。 （四）

26、（四） 防止腐蚀疲劳措施。防止腐蚀疲劳措施。 (1)通过表面涂层和镀层改善材料的耐腐蚀性，可以改善材料的耐腐蚀疲劳性能。 (2)使用缓蚀剂进行保护也很有效。如添加重铬酸盐可以提高碳钢在盐水中的疲劳抗力。 (3)阴极保护已广泛用于海洋金属结构物的防腐蚀疲劳中。 (4)通过氮化、喷丸和高频淬火等表面硬化处理，造成材料表面压应力层，对提高材料抗腐蚀疲劳性能有益。 (5)合理选材，提高表面光洁度。 (6)设计上注意结构平衡，避免颤动、振动或共振的出现，同时减少应力集中，适当加大危险截面的尺寸。九、各种断口分析及判断九、各种断口分析及判断断裂形式穿晶断裂沿晶断裂韧性断裂韧窝断裂滑移断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳纹解理断裂准解理断裂塑性断裂脆性断裂疲劳断裂疲劳花纹等轴韧窝剪切韧窝撕裂韧窝蛇形滑移波形滑移平直滑移十、焊接裂纹的断裂形十、焊接裂纹的断裂形式及断口形态式及断口形态2、解理断裂3、准解理数裂4、沿晶断裂1、韧窝断裂等轴韧窝撕裂韧窝剪切韧窝应力腐蚀裂纹断口形貌应力腐蚀裂纹断口形貌思考题 假如某个地方的某个焊接结构的桥梁倒塌，请你根据焊接结构的相关知识，从焊接结构断裂（脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂）的角度出发，详细分析倒塌原因。（越全面越好）。本章结束本章结束谢谢观看谢谢观看