化学或电化学因素起主要作用。 III：当KI继续增大，力学因此又起要作用。
KIC力学失稳，快速断裂。
4. 低应力的脆性断裂
断裂前没有明显的宏观塑性变形 － 脆性断口－解理、准解理或沿晶 － 腐蚀
➢ 断口表面颜色暗淡，腐蚀坑和二次裂纹 ➢穿晶型断口：河流花样、扇形花样、
羽毛状花样 ➢晶间型断口：冰糖块状
在应力作用下，位错沿 着滑移面运动至金属表面 － 表面产生滑移台阶 － 表面膜产生局部破裂
并暴露活泼的新鲜金属；
有膜和无膜的金属及缺陷 处形成钝化-活化微电池 －无膜的局部区域电化学溶解 －表面膜为腐蚀提供了阴极
－阳极溶解集中在局部区域， 形成蚀坑
－伴随着阳极溶解产生阳极极化， 使阳极周围钝化， 在蚀坑即裂纹尖端 周边重新生成钝化膜
阻止氢或有害物质的吸附等， 影响电化学反应动力学而起到缓蚀作用， 改变环境的敏感性质
5.电化学保护 • 应力腐蚀开裂发生在
活化－钝化和钝化－过钝化 两个敏感电位区间 • 可以通过控制电位进行 阴极保护或阳极保护 防止SCC的发生
7.2 氢致开裂
• 定义： – 原子氢在合金晶体结构内的渗入和扩散
所导致的脆性断裂的现象， 又称作氢脆或氢损伤 – Hydrogen Induced Cracking(HIC) – 氢脆—金属材料的韧性降低 – 氢损伤—韧性降低和开裂， 还包括材料其他物理性能或化学性能的下降。
离子种类、浓度 溶液粘度，pH 氧及其他气体 搅拌或流速 缓蚀剂 温度、压力 辐照、微生物 外加电流
电化学行为
腐蚀原电池的阴极过程 和阳极过程 腐蚀电极的极化 腐蚀电位 腐蚀产物 腐蚀金属的钝化 微观电化学不均匀性
失稳断裂
裂纹扩展
应力腐蚀 裂纹形核
应力因素
载荷类型 加载方向 载荷大小 加载速度
力学行为
A 膜局部破裂导致裂纹形核
钝化膜局部破坏：电化学作用或机械作用
1. 电化学作用 • 通过点蚀或晶间腐蚀诱发SCC裂纹：
有点蚀： 腐蚀电位比点蚀电位正→ 钝化膜局部击穿 → 点蚀形成 应力作用下从点蚀坑底部诱发SCC裂纹；
无点蚀：
2. 机械作用： →膜的延展性或强度比基体金属差 →受力变形后局部膜破裂 →诱发SCC裂纹
• 在某种特定的腐蚀介质中： → 材料在不受应力时可能腐蚀甚微； → 受到一定的拉伸应力时（即使远低于屈服强
常见的SCC
黄铜的“氨脆”（“季裂”） –弹壳在腐蚀性NH4+介质中 – 制造过程中引入的残余应力 造成晶间或穿晶断裂
锅炉钢的“碱脆” – 锅炉水因软化处理带来碱性并在锅炉缝隙里浓缩， – 外载荷引起的应力，也可以是残余应力， 接触苛性碱的碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢设备
氢致开裂
• 表现形式 – 氢压引起的微裂纹
（钢中的白点、焊接冷裂纹） – 高温高压氢腐蚀 – 氢化物相或氢致马氏体相变 – 氢致塑性损失（氢脆） – 氢致开裂或断裂
氢致开裂的原因
• 金属在溶液中， 由于腐蚀、不恰当的酸洗、阴极保护等 使表面有氢产生， 氢原子很容易复合为氢分子从表面逸出。
• 如果基体内部存在空位、缺陷， 使氢原子在缺陷内形成氢分子， 氢分子进一步聚集而产生很大的压力， 从而形成氢鼓泡，降低了金属原子之间的结 合强度，
及非裂纹型缺陷
防止SCC的措施
1.选材 • 根据材料的具体使用环境，
尽量避免使用对SCC敏感的材料。 2.消除应力 • 改进结构设计，
减小应力集中和避免腐蚀介质的积存 • 在部件的加工、制造和装配过程中
尽量避免产生较大的残余应力 • 可通过热处理、表面喷丸等方法消除残余应
3.涂层 • 使用有机涂层可将材料表面与环境分开 • 使用对环境不敏感的金属作为敏感材料的镀层 4.改善介质环境 • 控制或降低有害的成分 • 在腐蚀介质中加入缓蚀剂 • 通过改变电位、促进成膜、
残余应力：
加工、热处理、表面处理等过程引入残余应 力，
应力作用下的腐蚀
• 应力腐蚀开裂 • 氢致开裂 • 腐蚀疲劳 • 冲刷腐蚀 • 空泡腐蚀等
7.1 应力腐蚀开裂
• Stress Corrosion Cracking—SCC • 受一定拉伸应力作用的金属材料在某些特定的
介质中， 由于腐蚀介质和应力的协同作用而发生的脆性 断裂现象。
• 临界应力σSCC 临界应力强度因子KI SCC 在此临界值以下，
不发生SCC
2. 裂纹形
态SCC裂纹分为晶间型、穿晶型和混合型三种
– 裂纹的途径取决于材料与介质
– 同一材料因介质变化，裂纹途径也可能改
变
穿晶型
晶间型
• 晶间型：裂纹沿晶界扩展， 如软钢、铝合金、铜合金、镍合金
• 穿晶型：裂纹穿越晶粒扩展，如奥氏体不锈钢、 镁合金
• 裂纹扩展： 蚀坑尖端部分所受外加拉应力、残余应力 和腐蚀产物锲入蚀坑尖端造成的拉应力。 腐蚀产物体积大于它的金属的体积： 产生裂纹的侧向拉应力 304不锈钢： SCC开裂区腐蚀产物Fe3O4，约为Fe体积的2
倍， 像锲子一样锲入裂纹尖端，加大拉应力， 促进裂纹扩展。
C 断裂
• SCC裂纹扩展到临界尺寸 裂纹失稳 纯机械断裂
应力状态（平面应力、平面应变） 载荷-裂纹组态（I、II、III型） 缺陷（缺口或裂纹）的集合 应力集中系数或裂纹前端的应力 场强度因子 裂尖塑性区尺寸 应力诱发相变 力学行为 局部应力、应变集中
冶金因素
冶炼方式
加工方式（铸、锻、 轧、焊、热处理、机 加工、表面强化等）
表面膜的类型、成分、结构、厚度、完整性、强度、塑性、表面粗糙度等
Hale Waihona Puke 合金内部预存活性通道、诱导脆性而产生裂纹并扩展
裂纹前沿应变形成的活性通道 • 阳极过程仅是提供电子，
• 阴极过程对应力腐蚀裂纹扩展 对氢脆不产生直接影响
不产生直接的影响
氢致开裂和应力腐蚀断裂在产生原因和机理上有区别
• 金属处于阳极敏感的电位区 • 金属作为阴极时的敏感电位区
• 阳极过程的应力腐蚀断 裂可因阴极保护而停止
表面往往存在钝化膜 ◎只需很少量的特定介质就足以产生SCC
➢ 黄铜氨脆：空气中少量氨气就会造成 ➢奥氏体不锈钢：高纯水中百万分之几氯离子 ➢火箭推进剂钛合金储罐开裂：
液态N2O4中含有痕量的O2， 而含有NO时则不发生SCC。
3、拉伸应力 • 发生SCC必须有一定拉伸应力的作用。
◎工作状态下：承受外加载荷造成的工作应力 ◎在生产、制造、加工和安装过程中：
• 外加阳极电流 使试样阳极极化， 阳极溶解加快， 断裂加速
• 阴极过程的氢损伤， 可因阳极防护而不再进行；
奥氏体不锈钢、高强度铝合金的“氯脆”, 低碳钢的“硝脆”, 钛合金的“甲醇脆”
产生SCC的基本条件
SCC需要同时具备三个条件: 1. 敏感的金属材料 2. 特定的腐蚀介质 3. 足够大的拉伸应力
1、敏感材料 • 几乎所有的金属或合金在特定的介质中 都有一定的SCC敏感性 • 合金和含有杂质的金属比纯金属 更容易产生SCC
氢致开裂的特征
• 根据氢引起金属破坏的条件、机理和形态， 可分为氢鼓泡、氢脆、脱碳和氢腐蚀等。
1 氢致开裂导致金属材料韧性和塑性下降， 使材料开裂和脆断
• 氢鼓泡： 氢进入金属内部-金属局部变形-破坏金属结构；
• 氢脆： 氢进入金属内部-金属韧性和抗拉强度下降；
• 脱碳：氢与渗碳体作用-脱碳-钢的强度下降；
• 表面几何不连续：沟槽、缺陷、加工痕迹、附 着物
→应力应变集中，有害离子浓缩，诱发裂纹 • 平面滑移导致的膜破裂
→穿晶SCC裂纹形核
B 裂尖定向溶解导致裂纹扩展
• 裂纹内部形成“闭塞电池” →裂纹尖端--裂纹壁之间
形成“活化－钝化腐蚀电池” →创造了裂尖快速溶解+自催化的电化学条件；
• 应力和材料不均匀性 为快速溶解提供了择优腐蚀途径: 预存活性途径：沿晶SCC – 晶界：对腐蚀敏感，连续性通道， 相对于周围组织作为阳极 – 应力：拉断连接部位, 使裂纹张开, 避免通道堵塞, 便于物质传递 应变产生的活性途径：穿晶SCC – 裂尖应变集中：化学活性点增加、
沿晶应力腐蚀开裂
穿晶应力腐蚀开裂
SCC与电极电位
材料与环境的交互作用 反映在电位上就是SCC一般发生在活化－钝化 或钝化－过钝化的过渡区电位范围， 即钝化膜不完整的电位区间。
SCC机理
• SCC机理可以分为两大类： – 阳极溶解型机理
• 奥氏体不锈钢氯脆、黄铜的氨脆 – 氢致开裂型机理
• 高强钢在水介质中、湿硫化氢中的开裂 – 两种机理作用
奥氏体不锈钢氯化物SCC
奥氏体不锈钢：性能优良，应用广泛 耐应力腐蚀性能差 氯化物、纯水、热碱、 连多硫酸、湿硫化氢
Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢：
热浓的MgCl2溶液中的穿晶应力腐蚀断裂 从裂纹尖端产生阳极溶解而引起的断裂
——滑移—溶解—断裂机理 奥氏体不锈钢表面有一 层Cr、Ni氧化物构成的 钝化膜，在MgCl2溶液中 稳定性较差；
材料腐蚀与防护第七讲应力作用 下的腐蚀
1 2
A地
B地 3
第七章 应力作用下的腐蚀
7.1 应力腐蚀开裂 7.2 氢致开裂 7.3 腐蚀疲劳 7.4 冲刷腐蚀与空泡腐蚀 7.5 腐蚀磨损与微动腐蚀
应力的来源
外加应力：
直接作用在金属上的载荷： 拉伸、压缩、弯曲、扭转等
通过接触面的相对运动、高速流体 （含有固体颗粒的流动）等施加在金属表 面上
应力腐蚀裂纹的主要特点是：
– 裂纹起源于表面 – 裂纹的长宽不成比例，相差几个数量级 – 裂纹扩展方向一般垂直于主拉伸应力的方向 – 裂纹一般呈树枝状
3. SCC裂纹扩展速度
－ 扩展速度较快 － 10-8-10-4mm/s －比局部腐蚀快约106倍 － 比纯机械断裂速度低1010倍