应力腐蚀/氢致开裂综述

      金属应力腐蚀的定义为：应力与化学介质协同作用下引起的金属开裂（或断裂）的现象，叫做金属应力腐蚀开裂（或断裂）。这个定义强调了“协同”作用，而不是简单的同时作用，应力腐蚀的破坏作用不是简单的叠加。
      而另外两种情况：如果是较严重的均匀腐蚀，则构件或试样的截面积逐渐减小，使真实应力逐渐增加，终于达到材料的断裂强度而断裂；如果有较严重的晶间腐蚀，则晶间的结合力将会降低，外加的应力只是促进这种破坏，终于使残余的晶间结合力不再能承受外力而沿晶断裂。对于这两种简单情况的“应力腐蚀”可以分别采用增加构件的尺寸（或选用更耐蚀的材料）及防止晶间腐蚀来解决。这两种情况一般不叫作应力腐蚀。
      我们这里的定义所指的（狭义的）是一种较为复杂的现象：当应力不存在时，腐蚀甚微；施加应力后，经过一段时间，金属会在腐蚀并不严重而应力又不够大的情况下发生断裂。
      已发现的应力腐蚀系统有如下三个主要特征，分别对应于应力、腐蚀及断裂：
     （1）必须有应力，特别是拉伸应力分量的存在。拉伸应力愈大，则断裂所需的时间愈短。断裂所需应力，一般都低于材料的屈服强度。
     （2）腐蚀介质是特定的，只有某些金属-介质的组合，才会发生应力腐蚀断裂；若无应力存在时，金属在发生应力腐蚀断裂的介质中，其普遍腐蚀速度是微小的。
     （3）断裂速度约在10-8~10-6m/s数量级的范围内，远大于没有应力时的腐蚀速度，又远小于单纯的力学因素引起的断裂速度。断口一般为脆断型。
      在断裂学科内，又将应力腐蚀断裂叫作“环境断裂”，主要是化学环境引起的开裂或断裂现象。
      可以采用不同的判据来划分应力腐蚀断裂。例如，按照材料的类型来分类，便于考核材料的适用性；又可按照介质的类型分为碱脆、氢脆、氨脆、氯脆、氦脆、硝脆等，便于针对化学环境而选材。又例如，按照机理可分为阳极溶解型及氢致开裂型，明确了机理，便于采取有效的控制措施。当应力是恒定的，则有拉、压、扭、弯等载荷的区别，对应于断裂力学的分类，则有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及混合型载荷；若应力不是恒定的，而是重复交变的，则有腐蚀疲劳；若应力及腐蚀介质是高温高压氢气，则这种应力腐蚀断裂是一种氢致开裂，又叫氢腐蚀。腐蚀介质还可以是其他气体，如空气、水蒸汽、二氧化碳等，而腐蚀性液体除水溶液外，还有有机溶液、熔盐、液态金属等。
      应力与化学介质的协同作用引起的金属破坏，除断裂外，还有磨损，这便是磨耗腐蚀；依据金属部件与化学介质相对运动速度自小而大，可分为微动腐蚀、冲击腐蚀及空泡腐蚀三类。这些磨耗腐蚀的微观过程也涉及到断裂，因而广义的应力腐蚀断裂包括这些磨耗腐蚀。

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图1 应力与介质协同作用引起的各种破坏

      上述的应力与化学介质协同作用下引起的各种损坏现象的关系，见图1所示。图中的氢致开裂（HIC）有时又叫做氢脆或氢损伤，它们分别是氢引起开裂、韧性下降或各种损伤的现象。这种现象有叫作“滞后破坏”，因为它需要经历一定时间后才发生。氢的来源有内含的及外来的两种：前者是指材料在冶炼及随后的机械制造（如焊接、酸洗、电镀等）过程中吸收的氢；而后者是指材料在致氢环境中使用时索吸收的氢；它们可分别简称为“内氢”及“外氢”。外氢的环境包括含有氢气的气体、能分解而生成氢原子的水溶液、碳氢化合物等。
      金属的氢脆或氢致开裂（HIC）和它们在水溶液中的应力腐蚀开裂（SCC），是两种可能有关而又不同的现象，具有如图2所示的逻辑中的交叉关系：若腐蚀的阴极反应析出的氢，对断裂起着主要或决定性作用，则这种系统的SCC机理是HIC机理，这种HIC也是一种HIC，及位于图2中的重叠区（3）；若应力协同下的阳极溶解（Anodic Dissolution,AD）对断裂起着决定性作用，则这种系统的SCC机理是AD机理，这种SCC位于图2中的（1）区；HIC中的氢来除来自腐蚀的阴极反应外，还有内氢或其他外氢来源，这些HIC位于图2中的（2）区。因此，从机理来说，HIC及AD同属于SCC，HIC与SCC不能平列，而AD不等于SCC;SCC系统中HIC机理愈多，则图2中重叠区愈大，但绝不会完全重叠。

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图2 SCC和HIC之间的关系

      本系列篇章从氢致开裂的基本行为和开裂机理出发，介绍氢在材料中的基本行为，如状态、富集、扩散、陷阱等，在此基础上，从氢致各种变化讨论氢致开裂的各种机理；再介绍应力腐蚀断裂的一般原理，从力学、电化学及金属物理分别讨论应力、腐蚀及金属结构因素影响的规律，并介绍阳极溶解及氢致开裂两种机理；最后按工程材料讨论各类典型应力腐蚀断裂问题的特征规律、机理和控制措施。