1、17 应力腐蚀与腐蚀疲劳应力腐蚀与腐蚀疲劳 现代设计与分析研究所现代设计与分析研究所何雪浤何雪浤27 应力腐蚀与腐蚀疲劳应力腐蚀与腐蚀疲劳机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而失机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而失效的现象叫做效的现象叫做应力腐蚀破坏应力腐蚀破坏；受腐蚀介质和交变应力联合作用的失效则叫受腐蚀介质和交变应力联合作用的失效则叫做做腐蚀疲劳破坏腐蚀疲劳破坏；在应力腐蚀过程中，通常会同时产生金属吸在应力腐蚀过程中，通常会同时产生金属吸氢而引起的脆性破坏，即所谓氢而引起的脆性破坏，即所谓氢脆氢脆现象。现象。37 应力腐蚀与腐蚀疲劳应力腐蚀与腐蚀疲劳7.1 应力腐蚀应力腐蚀 7.2 氢脆氢
2、脆 7.3 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 47.1 应力腐蚀应力腐蚀7.1.1 应力腐蚀裂纹扩展的特征应力腐蚀裂纹扩展的特征 7.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法应力腐蚀开裂的测试方法 7.1.3 应力腐蚀的机理应力腐蚀的机理 7.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计 57.1.1 应力腐蚀裂纹扩展的特征应力腐蚀裂纹扩展的特征在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中产生在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中产生的应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征：的应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征：（1）拉应力拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。是产生应力腐蚀开裂的必要条件。（2）纯金属一般
3、不发生应力腐蚀。）纯金属一般不发生应力腐蚀。（3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应力腐蚀）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应力腐蚀现象。现象。（4）应力腐蚀是一种）应力腐蚀是一种延迟断裂延迟断裂。（5）破坏一般是）破坏一般是脆性脆性的。的。6产生应力腐蚀的敏感系统产生应力腐蚀的敏感系统 77.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法应力腐蚀开裂的测试方法持久加载试验持久加载试验：在一定介质中和不同应力下测定材：在一定介质中和不同应力下测定材料的滞后破坏时间来评定材料的抗应力腐蚀能力。料的滞后破坏时间来评定材料的抗应力腐蚀能力。1.采用光滑试样采用光滑试样（1）数据分散；）数据分散；（2）对某些材料
4、可能会给出错误的判断）对某些材料可能会给出错误的判断；（3）名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于工程）名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于工程应用。应用。87.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法应力腐蚀开裂的测试方法2.采用预制裂纹的试样采用预制裂纹的试样l在不同初始应力强度因子在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏时间下，记录到的破坏时间tf随随KIi的下降而大大增长。的下降而大大增长。最大应力强度因子最大应力强度因子KImax和门槛应力强度因子和门槛应力强度因子KIth（KIscc）KImax与与KIC Kith：当：当KIi Kith,可以认为不存在裂纹扩展。给定滞后时间的条件可以
5、认为不存在裂纹扩展。给定滞后时间的条件门槛值。门槛值。l在在KIth和和KImax之间的区域里，滞后破坏时间之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕一般是由孕育期育期tinc和亚临界裂纹扩展期二者组成。和亚临界裂纹扩展期二者组成。l用用da/dt和和KI给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个区域组成。区域组成。97.1.2 应力腐蚀开裂的测试方法应力腐蚀开裂的测试方法3.两类不同的测试方法两类不同的测试方法（1）恒载试验）恒载试验 这是一种这是一种KI不断增大不断增大的试验方法，常用悬臂梁式弯的试验方法，常用悬臂梁式弯曲试验装置，采用类似三点弯曲试样。试样
6、一端固曲试验装置，采用类似三点弯曲试样。试样一端固定，另一端与一力臂相连，并由砝码加载。定，另一端与一力臂相连，并由砝码加载。（2）恒位移试验）恒位移试验这是一种这是一种KI不断减小不断减小的试验方法，常用一种特殊结的试验方法，常用一种特殊结构的紧凑拉伸试样，并通过螺栓自身加载。试验开构的紧凑拉伸试样，并通过螺栓自身加载。试验开始时，用螺栓产生一初始的裂纹张开位移。当裂纹始时，用螺栓产生一初始的裂纹张开位移。当裂纹扩展而位移保持恒定时，负荷将自动下降，从而也扩展而位移保持恒定时，负荷将自动下降，从而也使使K值降低，当值降低，当K值下降到值下降到KIth（KIscc）以下时，裂）以下时，裂纹就会
7、基本上停止扩展。纹就会基本上停止扩展。10一种钛合金在一种钛合金在3.5%盐水中的破坏时间与盐水中的破坏时间与初始应力强度因子的关系初始应力强度因子的关系 最大应力强度因子最大应力强度因子门槛应力强度因子门槛应力强度因子11滞后断裂的示意图滞后断裂的示意图 孕育期：孕育期：裂纹产生前的一段时间，主要裂纹产生前的一段时间，主要是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。亚临界裂纹扩展速率亚临界裂纹扩展速率da/dt表征了材料的表征了材料的另一种应力腐蚀抗力。另一种应力腐蚀抗力。12给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩展速率曲线展速率曲线 在在I区和
8、区和区，扩展速率区，扩展速率da/dt与应力与应力强度因子有很强的关系，但在强度因子有很强的关系，但在区，区，实际上几乎没有关系（但仍受温度、实际上几乎没有关系（但仍受温度、压力和环境的影响）。压力和环境的影响）。13恒载试验方法恒载试验方法 213323112.4BWMKI14恒位移试验方法恒位移试验方法 157.1.3 应力腐蚀的机理应力腐蚀的机理1钝化膜理论钝化膜理论 l在应力腐蚀破坏时，首先表现为钝化膜的破坏在应力腐蚀破坏时，首先表现为钝化膜的破坏。破坏部分成为阳极；破坏部分成为阳极；裂纹尖端应力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。裂纹尖端应力集中降低阳极电位，加速阳极溶解。l在应力作用下
9、表面钝化膜破坏是由于临近裂纹尖端处容易产生局部塑在应力作用下表面钝化膜破坏是由于临近裂纹尖端处容易产生局部塑性变形而形成滑移台阶所致。性变形而形成滑移台阶所致。2闭塞电池理论闭塞电池理论（1）在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔）在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔或裂纹源。或裂纹源。（2）微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩）微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩散，形成所谓散，形成所谓“闭塞区闭塞区”。（3）在闭塞区，氧迅速耗尽，得不到补充，最后只能进行阳极反应。）在闭塞区，氧迅速耗尽，得不到补充，最后只能进行阳
10、极反应。（4）缝内金属离子水解产生）缝内金属离子水解产生H离子，使离子，使pH值下降，为了维持电中性，值下降，为了维持电中性，缝外的缝外的Cl-阴离子可移至缝内，形成腐蚀性极强的盐酸，使缝内腐蚀以阴离子可移至缝内，形成腐蚀性极强的盐酸，使缝内腐蚀以自催化方式加速进行。自催化方式加速进行。16裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型裂纹尖端塑性变形引起钝化膜破坏的模型 177.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计 1防止措施防止措施（1）合理选择材料：合理选择材料：针对零件所受的应力和使用条件针对零件所受的应力和使用条件选用耐应力腐蚀的金属材料。选用耐应力腐蚀的金属材料。
11、铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的零件应避免铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的零件应避免使用铜合金；使用铜合金；在高浓度氯化物介质中，一般可选用不含镍、铜或仅含微量在高浓度氯化物介质中，一般可选用不含镍、铜或仅含微量镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢，镍、铜的低碳高铬铁素体不锈钢，或含硅较高的铬镍不锈钢，也可选用镍基和铁也可选用镍基和铁镍基耐蚀合金。镍基耐蚀合金。187.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计1防止措施防止措施（2）减少或消除零件中的残余拉应力减少或消除零件中的残余拉应力。设计上应尽量减小零件上的应力集中；设计上应尽量
12、减小零件上的应力集中；工艺上加热和冷却要均匀，必要时采用退火工艺以工艺上加热和冷却要均匀，必要时采用退火工艺以消除应力；消除应力；如能采用喷丸或其他表面热处理方法，使零件表层如能采用喷丸或其他表面热处理方法，使零件表层产生一定的残余压应力对防止应力腐蚀是有效的。产生一定的残余压应力对防止应力腐蚀是有效的。197.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计1防止措施防止措施（3）改善介质条件改善介质条件。减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体化处理，降低冷却
13、水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体不锈钢的氯脆十分有效；不锈钢的氯脆十分有效；可以在腐蚀介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入可以在腐蚀介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入30010-6的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。高。207.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计1防止措施防止措施（4）采用电化学保护采用电化学保护。采用外加电位的方法，使金属在介质中的电位远离采用外加电位的方法，使金属在介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种措施，一
14、般采用阴极保护法。措施，一般采用阴极保护法。不过，对高强度钢和其他氢脆敏感的材料不能采用不过，对高强度钢和其他氢脆敏感的材料不能采用这种保护法。这种保护法。217.1.4 防止应力腐蚀的措施和安全设计防止应力腐蚀的措施和安全设计2构件的安全设计构件的安全设计长期在介质中工作的零件存在裂纹时，可用断裂力长期在介质中工作的零件存在裂纹时，可用断裂力学方法进行安全分析。学方法进行安全分析。以给定材料的表面裂纹体为例，可由查阅资料得到以给定材料的表面裂纹体为例，可由查阅资料得到的应力强度因子的应力强度因子KI表达式，分别令表达式，分别令KI=KIscc和和KI=KIc给出两种临界状态的给出两种临界状态
15、的a图。图。l当零件所承受的名义应力为当零件所承受的名义应力为时，可在图中作相应水时，可在图中作相应水平虚线，分别得到在介质中应力腐蚀开裂和在空气中平虚线，分别得到在介质中应力腐蚀开裂和在空气中应力腐蚀开裂的临界裂纹尺寸。应力腐蚀开裂的临界裂纹尺寸。22由由4340钢的钢的KIscc和和KIc作出的作出的a曲线图曲线图 237.2 氢脆氢脆 氢脆的定义氢脆的定义l由氢和应力的联合作用而产生脆性断裂的现象谓之氢由氢和应力的联合作用而产生脆性断裂的现象谓之氢脆断裂，简称脆断裂，简称氢脆氢脆。氢脆发生的机理氢脆发生的机理l原子氢在结合成氢分子的过程受阻，部分原子氢在结合成氢分子的过程受阻，部分氢原子
16、会溶氢原子会溶解到金属内部，解到金属内部，而当金属同时受应力作用时，就可能而当金属同时受应力作用时，就可能通过某种机制导致裂纹产生和脆性扩展。通过某种机制导致裂纹产生和脆性扩展。影响氢脆发生的因素影响氢脆发生的因素l氢原子溶入金属的数量、它的扩散能力以及基体受力氢原子溶入金属的数量、它的扩散能力以及基体受力的状态的状态。247.2 氢脆氢脆 原子氢进入金属基体的途径原子氢进入金属基体的途径l应力腐蚀中的阴极过程。应力腐蚀中的阴极过程。l冶炼、焊接、电镀、酸洗等其他过程中引入。冶炼、焊接、电镀、酸洗等其他过程中引入。氢脆的分类氢脆的分类l内部氢脆内部氢脆 内部氢脆只涉及把晶格中过饱和的氢原子通过
17、扩散输送到裂纹内部氢脆只涉及把晶格中过饱和的氢原子通过扩散输送到裂纹前端，使金属脆化；前端，使金属脆化；l环境氢脆环境氢脆 环境氢脆需要把环境介质中的氢通过物理吸附、化学吸附、氢环境氢脆需要把环境介质中的氢通过物理吸附、化学吸附、氢分子分解、氢原子溶解以及氢在晶格中的扩散等全过程，才能分子分解、氢原子溶解以及氢在晶格中的扩散等全过程，才能达到裂纹尖端。达到裂纹尖端。环境氢脆随材料强度的提高而愈加敏感。环境氢脆随材料强度的提高而愈加敏感。所以，高强度钢，特所以，高强度钢，特别是超高强度钢尤其要注意它对氢脆的敏感性。别是超高强度钢尤其要注意它对氢脆的敏感性。257.3 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 腐蚀疲劳是
18、材料腐蚀疲劳是材料在腐蚀介质中在腐蚀介质中承受交变荷载承受交变荷载所产生的疲所产生的疲劳破坏现象。劳破坏现象。从失效的意义上说，腐蚀疲劳和常规疲劳相仿，同样有从失效的意义上说，腐蚀疲劳和常规疲劳相仿，同样有工程裂纹萌生和裂纹扩展两类失效问题。所以，其疲劳工程裂纹萌生和裂纹扩展两类失效问题。所以，其疲劳特性也有所谓腐蚀疲劳和腐蚀疲劳裂纹扩展两大类。特性也有所谓腐蚀疲劳和腐蚀疲劳裂纹扩展两大类。在交变应力和腐蚀介质的共同作用下，裂纹萌生要比在在交变应力和腐蚀介质的共同作用下，裂纹萌生要比在惰性介质中容易得多，所以材料腐蚀疲劳裂纹扩展特性惰性介质中容易得多，所以材料腐蚀疲劳裂纹扩展特性在整个腐蚀疲劳
19、特性中占有更重要的地位。在整个腐蚀疲劳特性中占有更重要的地位。267.3.1 腐蚀疲劳中的腐蚀疲劳中的S N曲线曲线 和常规疲劳类似，腐蚀疲劳特性通常也是用和常规疲劳类似，腐蚀疲劳特性通常也是用SN曲曲线表征的。线表征的。l真空中真空中疲劳强度最高，这是因为真空中排除了水蒸汽疲劳强度最高，这是因为真空中排除了水蒸汽和氧气的影响；和氧气的影响；l预浸腐蚀介质是在试验表面形成蚀坑，起应力集中的预浸腐蚀介质是在试验表面形成蚀坑，起应力集中的作用。所以，作用。所以，预浸使疲劳特性同缺口试样的疲劳特性预浸使疲劳特性同缺口试样的疲劳特性类似类似；l腐蚀疲劳的腐蚀疲劳的SN曲线最低曲线最低，这是因为单纯腐蚀
20、在蚀，这是因为单纯腐蚀在蚀坑和裂纹尖端处形成的保护性氧化膜，在交变应力作坑和裂纹尖端处形成的保护性氧化膜，在交变应力作用下不断破裂，致使新裸表面不断受到腐蚀介质的作用下不断破裂，致使新裸表面不断受到腐蚀介质的作用。用。277.3.1 腐蚀疲劳中的腐蚀疲劳中的S N曲线曲线材料的腐蚀疲劳特性除和介质有关外，还和材料的腐蚀疲劳特性除和介质有关外，还和材料成分、常规力学性能、试验频率以及抗材料成分、常规力学性能、试验频率以及抗腐蚀能力有关。腐蚀能力有关。l钢的强度愈高，其腐蚀疲劳的敏感性相对愈钢的强度愈高，其腐蚀疲劳的敏感性相对愈大。大。l当频率下降时，腐蚀过程会更充分地进行，当频率下降时，腐蚀过程
21、会更充分地进行，则材料的腐蚀疲劳强度还要有所下降。则材料的腐蚀疲劳强度还要有所下降。一般说来，任何改善材料抗腐蚀能力的措施一般说来，任何改善材料抗腐蚀能力的措施都对提高腐蚀疲劳强度有利。都对提高腐蚀疲劳强度有利。28在四种不同环境条件下的在四种不同环境条件下的S-N曲线曲线 29不同材料的抗拉强度对淡水中的腐蚀疲劳强不同材料的抗拉强度对淡水中的腐蚀疲劳强度的影响度的影响淡水喷射、旋弯试验、淡水喷射、旋弯试验、24Hz 307.3.2 腐蚀疲劳裂纹扩展腐蚀疲劳裂纹扩展 1腐蚀疲劳纹裂扩展的类型腐蚀疲劳纹裂扩展的类型 在各种高强度材料和介质系统的腐蚀疲劳裂纹扩展在各种高强度材料和介质系统的腐蚀疲劳
22、裂纹扩展中，可以把裂纹扩展速率中，可以把裂纹扩展速率da/dN对应力强度因子幅对应力强度因子幅K的关系归纳为以下三类：的关系归纳为以下三类：lA型：具有交变载荷与腐蚀环境相乘的效果。型：具有交变载荷与腐蚀环境相乘的效果。lB型：具有交变载荷与腐蚀环境叠加的效果。当型：具有交变载荷与腐蚀环境叠加的效果。当KIKIscc时，腐蚀环境的影响很大，时，腐蚀环境的影响很大，（da/dN）CF急剧上升并出现水平台阶。急剧上升并出现水平台阶。l工程上的大部分合金材料与环境的组合，一般认为是工程上的大部分合金材料与环境的组合，一般认为是A，B两型之间的两型之间的C型。型。317.3.2 腐蚀疲劳裂纹扩展腐蚀疲
23、劳裂纹扩展2影响腐蚀疲劳裂纹扩展的主要因素影响腐蚀疲劳裂纹扩展的主要因素（1）加载频率：加载频率越低，）加载频率：加载频率越低，da/dN越大，而越大，而且其影响随频率降低而加剧。且其影响随频率降低而加剧。（2）平均应力：无论是在惰性介质（干氩）中）平均应力：无论是在惰性介质（干氩）中还是在水介质中，平均应力对腐蚀疲劳裂纹扩还是在水介质中，平均应力对腐蚀疲劳裂纹扩展有加速作用。展有加速作用。（3）材料强度）材料强度：材料的：材料的s越高，（越高，（da/dN）CF也越高。但在腐蚀作用不明显的介质中，影响也越高。但在腐蚀作用不明显的介质中，影响也不明显。也不明显。32腐蚀疲劳裂纹扩展曲线腐蚀疲劳
24、裂纹扩展曲线 A型代表：铝合金和水溶液环境的组合B型代表：高强度钢与氢的组合C型：工程上大部分材料与环境的组合33加载频率对加载频率对12Ni5Cr3Mo钢钢在空气中在空气中和和3NaCl介质中介质中的的da/dN的影响的影响 34平均应力平均应力对对4340钢钢在干氩和水中在干氩和水中da/dN的影响的影响 354340钢钢在在3盐水中盐水中的的da/dN 367.3.3 防止腐蚀疲劳的措施防止腐蚀疲劳的措施 减少腐蚀疲劳的主要方法是减少腐蚀疲劳的主要方法是选择能在预定的环境中选择能在预定的环境中抗腐蚀的材料抗腐蚀的材料。也可以通过也可以通过各种表面处理各种表面处理如喷丸、氮化等工艺使表如喷
25、丸、氮化等工艺使表面残留压应力。面残留压应力。一般认为，一般认为，阳极镀层有益，阴极镀层有害。阳极镀层有益，阴极镀层有害。如镀锌、如镀锌、镉对钢的表面是阳极镀层，可改善腐蚀疲劳抗力；镉对钢的表面是阳极镀层，可改善腐蚀疲劳抗力；但镀铬、镍对钢的表面是阴极镀层，使表面产生不但镀铬、镍对钢的表面是阴极镀层，使表面产生不利的拉应力，出现发状裂纹和氢脆。利的拉应力，出现发状裂纹和氢脆。其他的表面保护其他的表面保护，如涂漆、涂油或用塑料、陶瓷形，如涂漆、涂油或用塑料、陶瓷形成保护层，只要它在使用中不破坏，则对减少腐蚀成保护层，只要它在使用中不破坏，则对减少腐蚀疲劳都是有利的。疲劳都是有利的。37复习思考题复习思考题应力腐蚀破坏通常是一种脆性破坏，为什么。应力腐蚀破坏通常是一种脆性破坏，为什么。应力腐蚀裂纹扩展曲线（应力腐蚀裂纹扩展曲线（da/dtK）中的三）中的三个阶段，各有何特点。个阶段，各有何特点。何谓氢脆，氢脆与应力腐蚀有何关系。何谓氢脆，氢脆与应力腐蚀有何关系。相对于常规疲劳，腐蚀疲劳有何特点。相对于常规疲劳，腐蚀疲劳有何特点。
