第六章金属的应力腐蚀与氢脆断裂
Chapter 6 Stress Corrosion and Hydrogen Embrittlement of
Metals
第一节概述(Brief introduction)
1、定义（Definition）
在应力和环境介质的共同作用下，金属构件产生破坏行为按其受力情况与破坏方式的不同可分为以下三种基本类型。
应力腐蚀——金属构件在静态或准静态拉应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的低应力脆断称为应力腐蚀（SCC）；（包括低碳钢的碱脆、低碳钢的硝脆、奥氏体不锈钢的氯脆和低合金高强度钢的氢脆等）
腐蚀疲劳——金属构件在交变应力和环境介质的共同作用下，经过一定的时间后而产生的断裂称为腐蚀疲劳；
腐蚀磨损——金属构件在环境介质作用下还受机械摩擦，或者由于腐蚀介质的直接冲刷等引起表面磨损的现象腐蚀磨损。
由于金属的应力腐蚀现象更为普遍，并且其破坏原理更为复杂，氢脆也是极为重要的一种破坏方式，因此本章重点以应力腐蚀和氢脆为主。同时由于这类腐蚀大多为低应力脆断，因此具有很多的危险性，同时随着航空、原子能、石油化工等工业的迅速发展，这类腐蚀越来越多，因此有必要进行研究。
第二节应力腐蚀（Stress corrosion）
（一）应力腐蚀现象及其产生条件(Stress corrosion phenomenon and engendering condition)
应力和环境综合作用的结果，其效果不是两者的简单迭加。绝大多数金属材料在一定介质下都有应力腐蚀倾向。
如：
1）低碳及低合金钢的碱脆与硝脆；
2）奥氏体不绣钢的氯脆；
3）铜合金的氨脆；
4）高强度铝合金在空气、蒸馏水中的脆断；
5）低合金高强度钢及不锈钢的氢脆等。
可见产生应力腐蚀的条件是：应力、介质及合金的材料（纯金属不会产生应力腐蚀）。
（二）应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征（Fracture mechanism and morphology of stress corrosion）
1、断裂机理（Fracture mechanism）
目前断裂机理有多种理论，至今尚未得到统一，但主要以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论为主。其加速破坏的大致过程为：
拉应力引起钝化膜局部区域破坏，并造成裂纹尖端应力集中，致使阳极电位降低，因而阳极溶解加速，钝化膜不能修复，断裂寿命下降。
2、断口形貌（Fracture morphology）
应力腐蚀断口的宏观形貌与疲劳断口的形貌颇为相似，也有亚稳
扩展区或最后瞬断区，并拌有腐蚀产物（呈灰黑色或黑色）断口宏观形貌一般为沿晶断裂，也有穿晶断裂(见图6-1)，表面有泥状花样的腐蚀产物及腐蚀坑（见图6-2）；微观裂纹扩展以一条主裂纹为主的分叉状，即呈枯树枝状（见图6-3）。
★图6-1 应力腐蚀裂纹的类型
a) 穿晶型；b)沿晶型
图6-2 应力腐蚀断口的微观形貌特征
a)泥状花样（TEM）；b)腐蚀坑（SEM）
★图6-3 应力腐蚀裂纹的分叉现象
（三）应力腐蚀性能指标（Property quota of stress corrosion）通常用光滑试样在一定拉应力和特定介质共同作用下，依据断裂时间来评定材料的拉应力腐蚀的性能。通常用一组试样，在不同应力水平下，测量断裂时间t f，然后作如图6-4的曲线。
图6-4 应力腐蚀的 —t f曲线
从上曲线上可以得到材料不发生应力腐蚀的临界应力σscc，但由于是光滑试样的，断裂时间的90%约为裂纹形成时间，而实际工件中一般均存在着裂纹，因此光滑试样的不能客观反映带裂纹工件的抗腐蚀性能。为此根据断裂力学原理，我们采用应力腐蚀临界应力场强度因子K1SCC和应力腐蚀裂度扩展速率da/dt来评价带裂纹工件的抗腐蚀能力。
测定K1SCC的方法有恒载荷法和恒位移法两种。
图6-5 带裂纹钛合金的K1—t f曲线
从图6-5曲线上可以得出K1SCC。
一般K1SCC< (四)防止措施（Protection measures） 1）合理选材（即针对某一介质选择耐该介质腐蚀的材料）； 2）减少材料的残拉应力； 3）改善介质（一方面设法减少有害介质浓度，另一方面添加缓冲剂）；4）采用化学保护。 6-3 氢脆（Hydrogen Embrittlement） （一）定义（Definition） 由氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象称为氢脆断裂（简称氢脆）. 我过著名学者李薰，在1936分析飞机机身断裂时首次提出这类断裂，从而出名。 （二）氢在金属中的存在形式（Forms of hydrogen existing in the metals） 1、金属中的氢可分为“内含”（加工过程中吸收的氢）和“外来”（构件在服役时环境中吸收的氢）两种。 2、氢在金属中的存在形式有： 1）质子氢（间隙原子） 2）分子氢（在气泡、空洞、裂纹等处） 3）氢化物（即金属氢化物） 4）氢气体化合物（如甲烷） （三）氢脆的类型及其特征（Types and characteristic of hydrogen embrittlement） 在任何情况下，氢对金属性能的影响都是有害的，由于氢的存在形式不同，氢脆的类型也不同，下面是主要几种形式典型的氢脆类型及其特征： 1、氢蚀（氢与金属中第二相生成高压气体，如CH4,使晶界结合力 下降，从而产生金属脆化）。断口宏观形貌，沿晶断裂； 2、白点（发裂）（在某缺陷处H2压力大到使局部开裂，形成近园 状裂纹，且呈银白色，故称为白点）； 3、氢化物致脆（对于IVB或VB过度金属如Ti 、Zr、Nb等，由 于与H的结合力较大，易形成氢化物而产生氢脆）； 4、氢致延滞断裂（高强度钢或α＋β钛合金中在氢介质中及应力 （σ<σs）下，经一定孕育期后所发生的脆性断裂）。断口形貌与一般脆性断口形貌类似。 （四）钢的氢致延滞断裂机理及其与应力腐蚀的关系 高强度钢对氢致延滞断裂非常敏感，其断裂过程也可分为三个阶段，即孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶段和裂纹失稳扩展阶段等。 钢表面的原子氢只有进入α—Fe晶格并偏聚到一定的浓度后才能形成裂纹，该阶段（包括原子氢进入钢中、在钢中迁移及偏聚）即为孕育阶段。 关于氢致延滞断裂的机理，目前有多种，但氢与位错的交互作用机理为主一种。具体解释见P.156~158。 （五）钢的氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系 应力腐蚀与氢致延滞断裂都是由于应力和化学介质的共同作用而产生的氢致延滞断裂现象，两者关系十分密切。图6-6为两种断裂的电化学原理示意图。 图6-6应力腐蚀与氢致延滞断裂的电化学原理示意图 a),c) 应力腐蚀；b),d) 图6-6氢致延滞断裂 从上图可见，产生应力腐蚀时总是伴随有氢的析出，析出的氢又易于形成氢致延滞断裂，两者的区别在于应力腐蚀为阳极溶解过程，形成所谓阳极活性通道而使金属开裂；而氢致延滞断裂则为阴极吸氢过程。判别方法为极化法，即当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹的时间则为应力腐蚀，当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间则为氢致延滞断裂。 （六）防止氢脆的措施（Measures of protecting hydrogen embrittlement） １、环境因素（切断氢进入金属中的途径或降低金属中的氢含量）；２、力学因素（减少残余拉应力，增大表面残余压应力）； ３、材质因素（降低C、S、Ｐ等含量，细化晶粒以及降低钢的强度 等均有提高抗氢脆的能力）。 作业：（P159）1[（1）—（5）]；2[（1）、（2）、（4）]；5；7；8。 1．应力腐蚀的机理：阳极溶解和氢致开裂机理 阳极溶解机理应力腐蚀断裂必须首先发生选择性腐蚀，而金属的腐蚀又受图4所示的阳极极化曲线的影响。以不锈钢为例，增加介质中Cl-含量，降低介质中O2含量及pH值，都会使图4a中阳极极化曲线从左向右移动，这四根曲线分别对应于蚀坑或裂纹区(图4b)的不同位置。应力的主要作用在于使金属发生滑移或使裂纹扩展，这两种力学效应都可破坏钝化膜，从而使阳极过程得以恢复，促进局部腐蚀。钝化膜破坏以后，可以再钝化。若再钝化速度低于钝化膜破坏速度，则应力与腐蚀协同作用，便发生应力腐蚀断裂。 氢致开裂机理或称氢脆机理，是应力腐蚀断裂的第二种机理。这种机理承认SCC必须首先有腐蚀，但是，纯粹的电化学溶解，在很多情况下,既不易说明SCC速度，也难于解释SCC的脆性断口形貌。氢脆机理认为,蚀坑或裂纹内形成闭塞电池，局部平衡使裂纹根部或蚀坑底部具备低的pH值，这是满足阴极反应放氢的必要条件。这种氢进入金属所引起的氢脆,是SCC的主要原因。这种机理取决于氢能否进入金属以及金属是否有高度的氢脆敏感性。高强度钢在水溶液中的SCC以及钛合金在海水中的SCC是氢脆引起的。 2．应力腐蚀开裂的断口形貌：穿晶断口开裂图 3．氢鼓泡产生机理，文字图 通过实验和理论分析研究了氢鼓泡形核、长大和开裂的过程. 在充氢试样中发现直径小于100 nm未开裂的孔洞, 它们是正在长大的氢鼓泡, 也发现已开裂的鼓泡以及裂纹多次扩展导致破裂的鼓泡.分析表明, 氢和空位复合能降低空位形成能, 从而使空位浓度大幅度升高, 这些带氢的过饱和空位很容易聚集成空位团.H在空位团形成的空腔中复合成H2就使空位团稳定, 成为氢鼓泡核.随着H 和过饱和空位的不断进入, 鼓泡核不断长大, 内部氢压也不断升高.当氢压产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断开, 裂纹从鼓泡壁上形核. 图5 氢鼓泡形核、长大示意图 (a) 空位V和原子氢H聚集成为空位-原子氢集团; (b) 原子氢在空位 团中复合成分子氢H2, 使其稳定, 鼓泡核形成; (c) 空位和氢不断进 入鼓泡核使其长大; (d) 当鼓泡核内氢压产生的应力等于原子键合力时, 在鼓泡壁形成裂纹 首先, 氢(H)进入金属和空位(V)复合, 使空位形成能大大降低, 从而大幅度升高空位浓度, 这些过饱和空位容易聚集成空位团. 当4个或以上的空位或空位-氢复合体(V-H)聚集成空位四面体或空位团时, 内部形成空腔, 如图5(a). 空位所带的氢在空腔中就会复合成H2, 形成氢压. 由于室温时H2不能分解成H, 故含H2的空位团在室温是稳定的, 它就是鼓泡核, 如图5(b). 随着H和空位不断进入鼓泡核, 就导致鼓泡在充氢过程中不断长大, 同时氢压不断升高, 如图5(c). 当鼓泡中的氢压在内壁上产生的应力等于被氢降低了的原子键合力时, 原子键断裂, 裂纹沿鼓泡壁形核, 如图5(d). 随着氢的不断进入, 裂纹扩展, 直至鼓泡破裂4．氢进入金属材料的途径P129 5．氢致脆断类型：可逆和不可逆，第一类和第二类 第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂 §6.1应力腐蚀 一、应力腐蚀及其产生条件 1、定义与特点 （1）定义 （2）特点 特定介质（表6-1） 低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆 不锈钢——氯脆 铜合金——氨脆 2、产生条件 应力：外应力、残余应力； 化学介质：一定材料对应一定的化学介质； 金属材料：化学成分、显微组织、强化程度等。 二、应力腐蚀 1、机理（图6-1） 滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论） a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）； b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）； c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。则裂纹逐步向纵深扩展。（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）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。（见图6-2，和p2） 三、力学性能指标 1、临界应力场强度因子K ISCC 恒定载荷，特定介质，测K I~t f曲线。 将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子。 2、裂纹扩展速度da/dt K I>K ISCC，裂纹扩展，速率da/dt Da/dt~ K I|曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳）由（图6-7，P152）可以估算机件的剩余寿命。 四、防止应力腐蚀的措施 1、合理选材； 2、减少拉应力； 3、改善化学介 质；4、采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域。 §6-2 氢脆 由于氢和应力的共同作用，而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂（简称氢脆） 一、氢在金属中存在的形式 内含的（冶炼和加工中带入的氢）；外来的（工作中，吸H）。 间隙原子状，固溶在金属中； 分子状，气泡中； 化学物（氢化物）。 二、氢脆类型及其特征 1、氢蚀（或称气蚀） 高压气泡（对H，CH4） 宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）； 微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。 2）白点（发裂） 氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。 宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。甚至有白线。 3）氢化物 形成氢化物（凝固、热加工时形成）；或（应力作用下，元素扩散而形成）。 氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。 《液压与气动技术》随堂练习题 绪论 一、单项选择题 1. 液压与气压传动是以流体的（）的来传递动力的。 A．动能 B. 压力能 C. 势能 D. 热能 2. 液压与气压传动中的工作压力取决于（）。 A. 流量 B. 体积 C. 负载 D. 其他 二、判断题（在括弧内，正确打“○”，错误打“×”） 1. 液压与气压传动中执行元件的运动速度只取决于输入流量的大小，与压力无关。（） 2. 液压与气压传动中的功率P等于压力p与排量V的乘积。（） 第一章液压传动基础知识 一、单项选择题 1. 液压与气压传动的工作原理是基于（）。 A. 能量守恒定律 B. 动量定理 C. 质量守恒定律 D. 帕斯卡原理 2. 流体的粘度随温度变化，对于液体，温度升高，粘度（）。 A. 下降 B. 增大 C. 不变 D. 其他 3. 流体的粘度随温度变化，对于气体，温度升高，粘度（）。 A. 下降 B. 增大 C. 不变 D. 其他 4. 流量连续性方程是（）在流体力学中的表达形式。 A. 能量守恒定律 B. 动量定理 C. 质量守恒定律 D. 帕斯卡原理 5. 伯努利方程是（）在流体力学中的表达形式。 A. 能量守恒定律 B. 动量定理 C. 质量守恒定律 D. 帕斯卡原理 6. 液体流经薄壁小孔的流量与孔口面积的（）和小孔前后压力差的（）成正比。 A. 一次方 B. 1/2次方 C. 二次方 D. 三次方 7. 牌号L-HL-46的国产液压油，数字46表示在（）下该牌号液压油的运动粘度为46Cst。 A. 20℃ B. 50℃ C. 40℃ D. 0℃ 8. 液压阀，阀的额定流量为q n，额定工作压力为p n，流经阀的额定流量时的压力损失为?p。当流经阀的流量为q n/3，其压力损失为( )。 A. ?p/3 B. ?p/2 C. ?p D. ?p/9 关注碱性应力腐蚀开裂 碱溶液中的腐蚀 在室温下，对于各种金属和合金，包括碳钢在内，在任意浓度的碱溶液（如氢氧化钠或者氢氧化钾）中的腐蚀，是较为容易控制的。随着温度和浓度的增加，腐蚀也将随之增强。考虑腐蚀的影响，碳钢的有效安全使用限制温度大约是150℉/65℃。读者从图1的曲线中可以看到碳钢的安全温度限制。相比于碳钢，不锈钢抵抗一般性腐蚀的能力更强；在大约接近250℉/121℃的温度下才发生碱性应力腐蚀开裂。 一般而言，随着含镍量的增加，金属抵抗碱溶液腐蚀的能力增强。碱性应力腐蚀开裂的敏感性主要取决于合金成分、碱浓度、温度和应力水平。对于一般开裂机理，都存在一个裂纹发生的临界应力值。不幸的是，现在还没有精确的获得在高温碱性环境下的高含镍量合金的临界应力值。由于600合金在压水反应堆蒸汽发生器传热管中的大量使用，已经获得了许多600合金在碱性环境下的数据。200合金（纯镍）除了在极其恶劣的碱性环境，包括熔盐的情况下，一般是不会发生腐蚀的。 合金抗碱溶液腐蚀的能力 碳钢和低合金钢 任意浓度的氢氧化钠和氢氧化钾（作为以下的碱）可用碳钢容器在室温下进行保存。当温度高于周围环境时，碳钢的腐蚀速率增大并且伴随着发生碱性应力腐蚀开裂的风险。碳钢容器可以在温度达到180℉/82℃的情况下安全的贮存低浓度的碱溶液；而对于浓度为50%的溶液，在温度接近120℉/48℃的情况下就会有发生碱性应力腐蚀开裂的风险。氢氧化钠环境下的使用图（图1）被广泛用于确定碳钢在不同碱浓度下的安全使用温度。图2所示的是碳钢在碱性环境下的裂纹显微照片。 铁素体不锈钢 高纯度的铁素体不锈钢，例如E-Brite 26-1（UNS S44627），显示出了很好的对高浓度碱性溶液的腐蚀抵抗力，其抗碱腐蚀性能远好于奥氏体不锈钢。根据报道，它抗碱性腐蚀的性能不低于镍。由于这种很好的对碱性环境的抗腐蚀性，使其能使用在会对镍合金造成腐蚀的次氯酸盐和氯酸盐杂质的环境中。据一则报道表明，26-1铁素体不锈钢可以在300℉/148℃到350℉/177℃的高温环境下使用。据另一则报道显示，其在350℉/177℃到400℉/204℃温度下，氢氧化钠的浓度为45%时，仍有很好的抗腐蚀能力。基于其对碱性环境，特别在含有氧化的污染物情况下，的良好抗腐蚀性，因此，在碱的蒸发器管中得到广泛应用。然而，铁素体不锈钢的致命缺陷是其固有的低的焊 接韧性和在高温下的低强度。因此，它们不能正常的应用 于压力容器。 奥氏体不锈钢 研究者根据商用纯碱溶液开发了用于描述影响碱脆的浓度 和温度参数图，也即为300系列奥氏体不锈钢的应力腐蚀 开裂。图3显示了所开发的图。1mpy的等蚀线在大约100° C使，对具有20%-60%浓度的碱为常数，应力腐蚀开裂的轮 廓线在40%-50%浓度范围内则稍高。 300系列不锈钢在热的浓度为40%-50%范围内的碱中很可能 会发生快速的一般性腐蚀，事实上，这种现象已经被观察 到了。因此，可能的安全限值将低于图上所示数值，例如： 50%浓度所对应的70°C和40%浓度所对应的80°C。 对于304/316类型的不锈钢，一般服役最大温度限值是100°C。在更高的温度下将会产生碱性开裂。300系列不 锈钢的应力腐蚀开裂是一种典型的穿晶裂纹。 双相不锈钢 双相不锈钢具有类似于316不锈钢那样的抗一般性腐蚀的 能力，并且对氯化物应力腐蚀开裂的敏感性性也较低。具 有较高合金含量的显著添加了钼和氮成分的双相钢合金， 抗碱性环境腐蚀的能力要优于316不锈钢。据报道，2205 不锈钢和2906不锈钢能很好的抵抗碱性应力腐蚀开裂。 高含镍量的奥氏体不锈钢 高含镍量的不锈钢中约含25-35 wt％的镍，包含有非专利 和有专利的合金，如：904L、Sanicro28、20Cb-3合金、800合金、AL6- XN等。与300系列不锈钢相比较，这些合 金对侵蚀性（高温）溶液的抵抗力有了极大的提高。 镍合金 在抗碱性环境下的腐蚀和应力腐蚀开裂方面，商业纯镍，200合金（N02200）和201合金（N02201）是最好的材料。400合金（N04400）和600合金（N06600）也具有优异的抗应力腐蚀能力。当碱浓度在70％以上，温度高于290°C（550°F）时，这些合金也会出现腐蚀应力开裂。镍铬钼合金，如C- 276（N10276），具有很好的抗碱性开裂的能力，但，在高浓度和高 《液压与气动》教学大纲 课程名称：《液压与气动》 课程性质：专业任选课 学时学分：80学时 先修课程：《机械设计基础》 适用专业：模具设计与制造 一、课程性质、目的和要求 《液压传动与气动》课程是模具设计与制造专业的专业任选课之一。本课程的教学任务是：通过对本课程的学习，使学生能够熟悉的掌握液压与气压传动的基础知识、液压元件、液压基本回路和系统，气源装置、气动元件、气动基本回路和系统，熟悉掌握液压系统的安装、使用和故障的排除方法，为学生毕业后能尽快的适应工作，成为应用性专门人才，打下一个良好的基础。通过本课程的学习，使学生在了解液压与气压传动的基础知识和应用上达到以下要求： 1、熟悉液压与气压传动的基础知识； 2、了解液压元件、液压基本回路和系统； 3、了解气源装置和气动元件、气动基本回路和系统； 4、掌握液压与气压传动系统的组成，掌握液压与气动元件的结构、原理和性能； 5、熟悉液压与气压系统常见故障判断与维修。 二、课程内容 (一)课程重点与难点 课程重点：液压与气压传动的基础知识，液压与气动元件的的结构、原理和性能， 液压与气压传动系统的组成。 课程难点：液体动力学连续性方程和伯努利方程、液压和气动基本回路、液压系统的安装、使用和维修。 (二)课程内容 绪论 1.液压与气压传动研究的对象 2.液压与气压传动的工作原理 3.液压与气压传动系统的组成 4.液压与气压传动的优缺点 5.液压与气压传动的应用及发展 第一章液压传动基础知识 1.液压传动工作介质 2.液体静力学 3.定常管流的压力损失计算 4孔口和缝隙流动 第二章液压动力元件 1.液压泵概述 2.齿轮泵 3.叶片泵 4.柱塞泵 [连载]《液压与气动技术》第六章液压基本回路（1） 所谓基本回路就是能够完成某种特定控制功能的液压元件和管道的组合。例如用来调节液压泵供油压力的调压回路，改变液压执行元件工作速度的调速回路等都是常见的液压基本回路，所谓全局为局部之总和，因而熟悉和掌握液压基本回路的功能，有助于更好地分析、使用和设计各种液压传动系统。 第一节压力控制回路 压力控制回路是利用压力控制阀来控制系统整体或某一部分的压力，以满足液压执行元件对力或转矩要求的回路，这类四路包括调压、减压、增压、卸荷和平衡等多种回路。 一、调压回路 功用：使液压系统整体或部分的压力保持恒定或不超过某个数值。 在定量泵系统中，液压泵的供油压力可以通过溢流阀来调节。在变量泵系统中，用安全阀来限定系统的最高压力，防止系统过载。若系统中需要二种以上的压力，则可采用多级调压回路。 （1）单级调压回路 如图4-16a所示，在液压泵1出口处设置并联的溢流阀2，即可组成单级调压回路，从而控制了液压系统的最高压力值。 （2）二级调压回路 如图6-1a，可实现两种不同的压力控制。 （3）多级调压回路如图6-1b所示的由溢流阀1、2、3分别控制系统的压力，从而组成了三级调压回路。在这种调压回路中，阀2和阀3的调定压力要小于阀1的调定压力，但阀2和阀3的调定压力之间没有什么一定的关系。 ? 二、减压回路 减压回路的功用是使系统中的某一部分油路具有较低的稳定压力。最常见的减压回路通过定值减压阀与主油路相连，如图6－2所示。回路中的单向阀供主油路压力降低（低于减压阀调整压力）时防止油液倒流，起短时保压之用。减压回路中也可以采用类似两级或多级调压的方法获得两级或多级减压，图6－2b所示为利用先导型减压阀1的远控口接一远控溢流阀2，则可由阀1、阀2各调得一种低压，但要注意，阀2的调定压力值一定要低于阀1的调定压力值。 液压与气动技术习题集解答 绪论 一．填空题 1．压力能，动能。液压，液力。 2．动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件、工作介质；动力元件、执行元件。 3．液压，液力，液力，液压。 4．半结构式，图形符号，图形符号。 5．翻转，控制油路。 6．压力能，静。 7．帕斯卡定律，流量，负载，压力损失。 8．能容量大能实现严格的传动比且传动平稳，阻力损失和泄漏较大，不能得到严格的传动比。 9．没有严格的传动比。 二．判别题 1、对。 2、错。 3、对。 三．分析题 1．液压系统的组成部分及各部分的作用如下： 动力元件：将机械能转换成液压能 执行元件：将液压能转换成机械能 控制元件：控制液体的压力、速度和方向 辅助元件：除上述作用以外的辅助作用 2、液压传动与机械传动、电传动相比如下优点： 能容量大，能实现无级调速，传动平稳，易实现过载保护和自动化要求。 第一章液压流体力学基础 一．填空题 1．较大，泄漏；较大。 2．小，摩擦损失，泄漏。 3．μ，单位速度梯度，液层单位接触面积。 4．单位速度梯度下，液层单位接触面积上的牛顿内摩擦力，Pa·S，动力粘度与密度的比值，cSt，降低。 5．曲面在该方向投影面积。 6．帕斯卡。 7．0.46×105 Pa ，-0.55×105 Pa 。 8．P=P0+ρgh；静止液体中任一质点具有压力能和势能两种形式的能量，且它们可互相转换其总和不变。 9．没有粘性，不可压缩。 10．压力能，动能，势能，恒量，米。 11．小，气穴。 12．局部阻力损失ΔP，产生一定流速所需的压力，把油液提升到高度h所需的压力，增大，0.5m。 13．层流；紊流；雷诺数。 14．粘性；沿程压力；局部压力。 上海开放大学开放本科（专科起点）机械电子工程专业 《液压与气动技术》（补）教学大纲 （2013-1审定） 第一部分课程的性质、目的与任务 一、课程的性质、目的与任务 本课程是机械电子工程专业学生的补修课程，本课程的任务是使学生掌握液压技术、气动技术的基本理论和基础知识。学会液压、气动控制系统的组成原理，性能特点，为从事自动化系统设计及使用维护方面打下基础。 二、先修后续课程 先修课程：《机械技术基础》、《可编程序控制器及应用》； 后续课程：《毕业设计》。 第二部分教学内容与要求 第一章绪论 2学时 一、教学要求 1．掌握液压、气压传动的工作原理 2．掌握液压传动中两个重要参数压力，流量及其相互关系 3．了解液压、气压传动的优缺点及应用发展 二、内容要点 1．液压、气压传动的特点、原理和组成 2．液压传动中两个重要参数压力，流量及其相互关系 3．液压、气压传动的优缺点及应用发展 三、教学重点和难点 液压、气压传动的原理、特点、组成和作用 第一篇液压传动基础 第二章液压传动流体力学基础 10学时 一、教学要求 1．了解液压油的主要性质与选用 2．掌握静力学基本方程、连续性方程、伯努利方程 3．掌握管路压力损失计算 4．掌握孔口液流特性 5．了解液压冲击及空穴现象 二、内容要点 1．液压油的主要性质与选用 2．液体静力学基础 （1）静压力及性质（2）静力学基本方程（3）静压力对固体壁面的作用力 3．液体动力学基础 （1）基本概念（2）连续性方程（3）伯努利方程（4）动量方程 4．管路压力损失计算 （1）流体的流动状态（2）沿程及局部压力损失（3）管路系统压力损失计算 5．孔口及缝隙流动特性 （1）孔口液流特性（2）缝隙液流特性 6．液压冲击及空穴现象 （1）液压冲击（2）空穴现象 三、教学重点和难点 静力学基本方程、连续性方程、伯努利方程，管路压力损失计算，孔口液流特性。第三章液压动力元件 6学时 一、教学要求 1．掌握泵的基本工作原理、主要性能参数、分类 2．了解各种泵的结构与工作原理 二、内容要点 1．概述 （1）泵的基本工作原理（2）主要性能参数（3）分类 2．齿轮泵 （1）外啮合齿轮泵（2）内啮合齿轮泵 3．叶片泵与叶片马达 （1）单作用叶片泵（2）双作用叶片泵（3）限压式变量叶片泵 4．柱塞泵 （1）轴向柱塞泵（2）径向柱塞泵 5．液压泵的性能比较及应用 6．液压泵的安装、常见故障及排除方法 三、教学重点和难点 泵的基本工作原理、主要性能参数 应力腐蚀断裂 一．概述 应力腐蚀是材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。它常出现于锅炉用钢、黄铜、高强度铝合金和不锈钢中，凝汽器管、矿山用钢索、飞机紧急刹车用高压气瓶内壁等所产生的应力腐蚀也很显著。 常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。应力腐蚀过程试验研究表明：当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。 应力腐蚀的机理仍处于进一步研究中。为防止零件的应力腐蚀，首先应合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。其次应合理设计零件和构件，减少应力集中。改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。此外，采用阴极保护法见电化学保护也可减小或停止应力腐蚀。本篇文章将重点介绍应力腐蚀断裂失效机理与案例研究，并分析比较应力腐蚀断裂其他环境作用条件下发生失效的特征。，由于应力腐蚀的测试方法与本文中重点分析之处结合联系不大，故不再本文中加以介绍。 二．应力腐蚀开裂特征 （1）引起应力腐蚀开裂的往往是拉应力。 这种拉应力的来源可以是： 1．工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗应力。 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。 （2）每种合金的应力腐蚀开裂只对某些特殊介质敏感。 一般认为纯金属不易发生应力腐蚀开裂，合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。下表列出了各种合金风应力腐蚀开裂的环境介质体系，介质有特点：即 \ 《液压与气动》课程标准 一、课程基本信息 二、课程性质及与其他课程的分工与联系 本课程是高职教育类机械制造及其自动化专业、数控技术、机电一体化专业、电气自动化专业等相关专业二年级学生开设的职业技术课。 通过本课程的学习，使学生掌握液压与气压传动的基础知识和基本计算方法，掌握液压与气动元件的的工作原理、特点及应用，熟悉液压与气压传动系统的组成以及在设备和生产线上的应用。能正确选用和使用液压与气动元件，并熟练地绘制出液压与气动回路图。掌握液压及气动系统的基本操作规程，能对液压与气动系统进行基本设计、安装、调试和维护，能对基本系统进行简单的故障分析与排除。 先修课程：《机械制图》、《机械设计基础》、《电工技术》、《电气控制与PLC应用》、《传感器技术》。 后续功能：为课程设计、毕业设计及毕业后所从事的专业工作打下坚实的基础。 三、： 四、课程目标与基本要求 1.课程目标 通过本课程的学习，使学生系统地掌握液压与气压传动的基础知识，基本原理和基本计算方法；初步具备机电一体化产品开发设计及技术改造的能力，具备简单机电设备的安装调试、维修的能力；认识到这门技术的实用价值，增强应用意识；逐步培养学生学习专业知识的能力以及理论联系实际的能力，为学习后继课程和进一步学习现代科学技术打下专业基础；同时培养学生的创新素质和严谨求实的科学态度以及自学能力。 2.基本要求 知识要求： 掌握液压系统的组成、液压传动的工作原理和特点；掌握液体静压力的概念及表示方法；理解连续性方程的物理意义；了解液压系统中压力及流量损失产生的原因；了解液压冲击和空穴现象；了解液压油的性质。 掌握液压泵的工作原理、熟悉液压泵的主要参数、能够正确地选用泵；掌握液压缸的工作原理和结构特点、掌握液压缸的推力和速度计算方法；熟练掌握液压泵、液压马达和液压缸的职能符号。 熟练掌握换向阀的功能、工作原理、结构、操纵方式和常用滑阀中位机能特点；掌握单向阀、液控单向阀结构和工作原理；熟悉溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器的结构、工作原理及应用，熟悉各压力阀的异同之处；熟悉节流阀与调速阀的工作原理及应用；了解叠加阀与插 第一章 1-1 液压系统通常都由那些部分组成？各部分的主要作用是什么？ 1-2 选用液压油主要应考虑那些因素？ 1-3 液压系统中压力的含义是什么?压力的单位是什么？ 1-4 液压系统中压力是怎么样形成的？压力大小取决于什么？ 1-5 写出理想液体的伯努利方程，并说明它的物理意义。 1-6 如图1-22所示的连通器，中间有一活动隔板T ，已知活塞面积m 101231-?=A ， m 1052 32-?=A ，N F 1001=，N G 1000=，活塞自重不记，问： （1） 当中间用隔板T 隔断时，连通器两腔压力p 1、p 2各是多少？ （2） 当把中间隔板抽取，使连通器连通时，两腔压力 p p 2 1、各是多少? 力1F 能否顶起重物G? 1-7 如图1-23所示，一流量计在截面1-1、2-2处的流通面积分别为A 1、A 2，测压管读数差为h ?，求通过管路的流量Q 。 第二章 2-1 液压传动中常用的液压泵按结构分为哪些类型？ 2-2 如果与液压泵吸油口相同的油箱是完全封闭的，不与大气相通，液压泵能否正常工作？ 2-3 什么叫液压泵的工作压力、最高压力和额定压力？三者有何关系？ 2-4 什么叫液压泵的排量、流量、理论排量、实际排量和额定流量？它们之间有什么关系？ 2-5 齿轮泵的密封容积是怎样形成的？ 2-6 什么是困油现象？外啮和齿轮泵、双作用叶片泵和轴向柱塞泵存在困油现象吗？它们是如何消除困油现象的影响的？ 2-7 某液压泵的输出压力5pa M ，排量为10mL/r ，机械效率为0.95，容积效率为0.9，当转速为1000r/min 时，泵的输出功率和驱动泵的电动机功率各为多少？ 2-8 某液压泵的转速为950r/min ，排量为168mL/r ，在额定压力为29.5pa M 和同样转速下，测得的实际流量为150L/min ，额定工作情况下的总效率为0.87，求： （1）泵的理论流量。 （2）泵的容积效率和机械效率。 （3）泵在额定工作情况下，所需的电动机驱动功率。 2-9 已知液压泵的输出压力P 为10pa M ，泵的排量V 为100mL/r ，转速n 为1450r/min ，容积效率ηv 为0.95，机械效率ηm 为0.9.计算： （1）该泵的实际流量Q ; 液压气动技术导学 本复习提要在《液压与气动技术》课程教学大纲以及考核说明的基础上，对课程的教学基本要求、考核知识点作进一步的具体说明，以帮助同学在期末复习时能够把握课程的重点。 各章的主要教学内容和教学要求如下： 第一章绪论 1．液压传动的工作原理 在液压系统中，系统的压力取决于负载，而传动中的运动速度取决于输入的流量；液压系统中的功率是压力与流量的乘积，这是应掌握的三个重要基本概念。2．液压传动系统的组成和表示方法 通常，液压系统由能源装置、执行元件、控制调节元件和辅助装置四部分组成。熟悉常用液压元件的图形符号。 第二章液压传动的流体力学基础 1．液压油的主要特性 掌握液压油的粘度概念及粘度的表示方法，能正确选用液压油。 2．液体静压力基本方程 掌握液体静压力基本方程及重力作用下的静止液体压力分布规律。 3．液体压力的表示法 掌握绝对压力、相对压力，表压力、真空度等基本概念，结合图2~4理解液体压力与测量基准的关系。 4．液体动力学基本方程 掌握伯努利方程的物理意义及实际液体伯努利方程的表达式。要求能够熟练地应用该方程解决具体问题。 5．管路压力损失和孔口流动特性 （1）掌握层流、紊流概念；雷诺数及其计算方法。 （2）掌握沿程压力损失和局部压力损失的计算、薄壁小孔的流量计算。 第三章液压泵和液压马达 1．掌握容积式液压泵和液压马达的工作原理。 2．液压泵和液压马达性能参数的计算 （1）掌握液压泵输出压力、排量与流量、功率与效率等参数的计算。 （2）掌握液压马达转速、转矩、排量与流量、功率与效率的计算。 3．了解齿轮泵（马达）、叶片泵（马达）和柱塞泵（马达）的结构、工作原理和特点，能合理选用。 第四章液压缸 1．活塞式液压缸 掌握单杆、双杆活塞式液压缸的结构特点。活塞输出力和运动速度的计算，特别是单杆液压缸差动连接时的特点。 2.液压缸的设计计算 掌握缸筒内径的计算，活塞杆直径及缸筒长度的选取方式。 第五章液压阀 1．方向控制阀 （1）熟悉普通单向阀和液控单向阀的工作原理与应用。 （2）熟悉换向阀的工作原理，常用换向阀的控制方式；掌握常用三位换向阀的中位机能、符号和特点。 2．压力控制阀 （1）了解溢流阀的工作原理与功能，掌握直动式溢流阀和先导式溢流阀的溢流特性及在液压系统中的应用。 （2）了解减压阀、顺序阀的工作原理与功能；熟悉其特点及在液压系统中的应用。 3．流量控制阀 了解流量控制原理；熟悉调速阀的构成；掌握节流阀和调速阀的流量特性及在液压系统中的应用。 上述三类液压阀的图形符号要熟悉，其中典型液压阀的符号不仅应能认别，而且应能画出。 比例阀、插装阀和电液伺服阀只要求一般了解。 第六章辅助元件 了解蓄能器、滤油器、密封件及管件等液压辅助元件的类型、特点及应用。 第七章基本回路 1．压力控制回路 熟悉调压回路和减压回路的构成、压力调定方法，能计算回路中各点的压力；卸荷回路、保压回路和平衡回路的组成。 2．速度控制回路 一．概述 应力腐蚀是材料、机械零件或构件在静应力(主要是拉应力)和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。它常出现于锅炉用钢、黄铜、高强度铝合金和不锈钢中，凝汽器管、矿山用钢索、飞机紧急刹车用高压气瓶内壁等所产生的应力腐蚀也很显著。 常见应力腐蚀的机理是：零件或构件在应力和腐蚀介质作用下，表面的氧化膜被腐蚀而受到破坏,破坏的表面和未破坏的表面分别形成阳极和阴极,阳极处的金属成为离子而被溶解，产生电流流向阴极。由于阳极面积比阴极的小得多，阳极的电流密度很大，进一步腐蚀已破坏的表面。加上拉应力的作用，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随时间逐渐扩展直到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒边界发展，而且还能穿过晶粒发展。应力腐蚀过程试验研究表明：当金属加上阳极电流时可以加剧应力腐蚀，而加上阴极电流时则能停止应力腐蚀。一般认为压应力对应力腐蚀的影响不大。 应力腐蚀的机理仍处于进一步研究中。为防止零件的应力腐蚀，首先应合理选材，避免使用对应力腐蚀敏感的材料,可以采用抗应力腐蚀开裂的不锈钢系列,如高镍奥氏体钢、高纯奥氏体钢、超纯高铬铁素体钢等。其次应合理设计零件和构件，减少应力集中。改善腐蚀环境，如在腐蚀介质中添加缓蚀剂，也是防止应力腐蚀的措施。采用金属或非金属保护层，可以隔绝腐蚀介质的作用。此外，采用阴极保护法见电化学保护也可减小或停止应力腐蚀。本篇文章将重点介绍应力腐蚀断裂失效机理与案例研究，并分析比较应力腐蚀断裂其他环境作用条件下发生失效的特征。，由于应力腐蚀的测试方法与本文中重点分析之处结合联系不大，故不再本文中加以介绍。 二．应力腐蚀开裂特征 （1）引起应力腐蚀开裂的往往是拉应力。 这种拉应力的来源可以是： 1．工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗应力。 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。 （2）每种合金的应力腐蚀开裂只对某些特殊介质敏感。 一般认为纯金属不易发生应力腐蚀开裂，合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。下表列出了各种合金风应力腐蚀开裂的环境介质体系，介质有特点：即金属或合金可形成纯化膜，弹介质中有有破坏纯化膜完整性的离子存在。而且 第五章金属材料的主要性能 1 金属材料的力学性能指的是什么性能？常用的力学性能包括哪些方面的内容？ 答：金属的力学性能是指在力的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。 主要包括：强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳等。 2 衡量金属材料强度、塑性及韧性常用哪些性能指标？各用什么符号和单位表示？ 答：衡量金属材料的强度指标为：比例极限σp、弹性极限σe、弹性模量E、屈服 强度σs、抗拉强度σb、屈强比σs/σb。 衡量金属材料的塑性指标为：延伸率δ、断面收缩率ψ。 衡量金属材料的韧性指标为：冲击韧性指标：冲击吸收功Ak；断裂韧性指标：断裂韧度。 3、硬度是否为金属材料独立的性能指标？它反映金属材料的什么性能？有5种材料其硬度分别为449HV、80HRB 、291HBS 、77HRA 、62 HRC，试比较五种材料硬度高低。答：硬度不是金属材料的独立性能（它与金属抗拉强度成正比），是反映材料软硬程度的指标，表征材料表面抵抗外物压入时所引起局部塑性变形的能力。 80HRB<291HBS<449HV<77HRA <62HRC。 4、为什么说金属材料的力学性能是个可变化的性能指标？ 答：（1）温度的改变会影响金属的塑性，而塑性与韧性和强度、硬度有关，则改变 温度会导致力学性能改变； （2）不同的承载情况会改变材料的力学性能，如很小的交变载荷也可使钢丝折断；不同的加工工艺也会改变材料的力学性能（为了使材料有不同的性能来满足我们的需要，就用了回火、淬火、正火等加工工艺）。 5、金属材料的焊接性能包括哪些内容？常用什么指标估算金属材料的焊接性能？ 答：金属的焊接性能：①接合性能：金属材料在一定焊接工艺条件下，形成焊接缺 陷的敏感性。②使用性能：某金属材料在一定的焊接工艺条件下其焊接接头对使用要求的适应性，也就是焊接接头承受载荷的能力。 金属的焊接性能指标：碳当量、冷裂纹敏感系数。 6、如何表示金属材料耐腐蚀性能的高低？ 答：金属的耐腐蚀性能通过材料遭腐蚀后，其质量、厚度、力学性能、组织结构及电极过程等的变化程度来衡量。 第六章、过程装备失效与材料的关系 1、名词解释 失效：装备在使用过程中，由于应力、时间、温度和环境介质等因素的作用，失去其原有功 附录H-应力腐蚀开裂技术模块 H.1 范围 本模块为其破坏机理造成应力腐蚀开裂（SCC）的工艺设备建立一套技术模块次因子（可能的失效修正系数）。碱腐蚀开裂、胺腐蚀开裂、硫化物应力腐蚀开裂（SSC）、氢致开裂（HIC）、应力取向氢致开裂（SOHIC）、碳酸盐腐蚀开裂、连多硫酸腐蚀开裂（PTA）和氯化物腐蚀开裂（ClSCC）都在本模块范围内。有关造成应力腐蚀开裂的特定破坏机理的敏感性估计的技术补遗也包含在本模块中。专家的建议也可用于确定应力腐蚀开裂的敏感性。 H.2 技术模块筛选问题 没有可避开应力腐蚀开裂技术模块的筛选问题，所有设备都应输入此模块。 H.2.1必需数据 表H-1中列出了确定应力腐蚀开裂技术模块次因子必备的最少基本数据。 H.2.2附加数据 附加数据要求用于回答表H-2中列出的应力腐蚀（SCC）机理的筛选问题。各种SCC机理所需的更多数据列在各补遗基本数据表的开始部分。 H.3 基本假设 本技术模块假设每种SCC机理的敏感性均可由本模块中适用的章节确定。根据工艺、材料、制造参数将敏感性分为高、中、低三种等级。可确定“严重度指数”，它是设备/管道对裂纹（或萌生裂纹的可能性）的敏感性和一个裂纹导致泄漏的可能性的乘积。 本技术模块还以一种简单的方式处理已知的裂纹。由于某一特定裂纹或裂纹组引起的设备/管道损失效的可能性应通过使用更为先进的方法或合于使用评估进行进一步评估。 H.4 技术模块次因子（TMSF）的确定 确定技术模块次因子的流程图见图H-1A和H-1B。各个步骤及所需的表格在下面进行讨论。 H.4.1技术补遗的筛选问题 表H-2列出的的筛选问题，用于选择适用的SCC机理。 H.4.2确定每种潜在SCC机理的敏感性 关于每一SCC机理的各章节将确定该设备中可能的敏感性。 H.4.2.1存在裂纹的调整 如果设备中已经检测到SCC，那么其敏感性则认为是“高”。如果检测到的SCC的机理是已知的，则其敏感性应提升为“高”。如果检测到的SCC的机理是未知的，则所有潜在机理的开裂敏感性都应升为“高”。 H.4.3确定严重度指数 将各种SCC机理的敏感性输入表H-3，确定每种潜在/已有SCC机理严重度指数。 没有进行过检验的设备的严重度指数，将在下面每种应力腐蚀开裂机理中概述。 H.4.3.1最大严重度指数 249 第二节应力腐蚀开裂 （此处缺内容） 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。 二，应力腐蚀开裂的特征。 （一）引起应力腐蚀开裂的往往是拉应力。 这种拉应力的来源可以是： 1，工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗应力。 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。 （二）每种合金的应力腐蚀开裂只对某些特殊介质敏感。 一般认为纯金属不易发生应力腐蚀开裂，合金比纯金属更易发生应力腐蚀开裂。下表列出了各种合金风应力腐蚀开裂的环境介质体系，介质有特点：即金属或合金可形成纯化膜，弹介质中有有破坏纯化膜完整性的离子存在。 而且介质中的有害物质浓度往往很低，如大气中微量的H2S和NH3可分别引起钢和铜合金的应力腐蚀开裂。空气中少量的NH3是鼻子嗅不到的，却能引起黄铜的氨脆。19世纪下半叶，英军在印度生产的弹壳每到雨季就会发生破裂。由于不了解真正的原因，当时给了个不恰当的名字叫“季脆”（原因是黄铜弹壳（1）应力加上印度大气中含有微量NH3）。再如奥氏体不锈钢在含有几个ppm氯离子的高纯水中就会出现应力腐蚀开裂。再如低碳钢在硝酸盐溶液中的“硝脆”，碳钢在强碱溶液中的“碱脆”都是给定材料和特定环境介质结合 后发生的破坏。氯离子能引起不锈钢的应力腐蚀开裂，而硝酸根离子对不锈钢不起作用，反之，硝酸根离子能引起低碳钢的应力腐蚀开裂，而氯离子对低碳钢不起作用。 （三）应力腐蚀开裂是材料在应力和环境介质共同作用下经过一段时间后，萌生裂纹，裂纹扩展到临界尺寸，此时由于裂纹尖端的应力强度因子K1达到材料的断裂韧性K1c,发生失稳断裂。即应力腐蚀开裂过程分为三个阶段：裂纹萌生，裂纹扩展，失稳断裂。 1，裂纹的萌生。 裂纹源多在保护膜破裂处，而膜的破裂可能与金属受力时应力集中与应变集中有关，此外，金属中存在孔蚀，缝隙腐蚀，晶间腐蚀也往往是SCC 裂纹萌生处。萌生期长短，少则几天，长达几年，几十年，主要取决于环境特征与应力大小。 2，裂纹扩展。 应力腐蚀开裂的裂纹扩展过程有三种方式。应力腐蚀开裂裂纹的扩展速率 d a/d t与裂纹尖端的应力强度因子K1的 关系具有图示的三个阶段特征。在第一 阶段da/dt随K1降低而急剧减少。当 K1降到Kiscc以下时应力腐蚀开裂裂纹 不再扩展，因此Kiscc时评定材料应力 腐蚀开裂倾向的指标之一。在第二阶 段，裂纹扩展与应力强度因子K1大小无 关，主要受介质控制。在这阶段裂纹出 现宏观和微观分枝（图）。但在宏观上， 裂纹走向与抗应力方向是垂直的。第三 阶段为失稳断裂，纯粹由力学因素K1 控制，da/dt随K1增大迅速增加直至断 裂。 （四）应力腐蚀开裂属于脆性断裂。即使塑性很高的材料也是如此。其断口呈多种形貌。有沿晶断，准解理，韧（2）等。 三，应力腐蚀开裂机制。 应力腐蚀开裂现象很多，目前尚未有统一的见解，不同学派的观点可能从电化学，断裂力学，物理冶金进行研究而强调了它们的作用。 （一）电化学理论。 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，快速溶解理论。 H．7硫化物应力腐蚀开裂（SSC） H.7.1概述 对SCC的敏感性与渗透到钢材内的氢的量有关，这主要与pH值和水中的H2S含量这两个环境因素有关。典型地，人们发现钢中的氢溶解量在pH值接近中性的溶液中最低，而在pH值较低和较高的溶液中较高。在较低pH值中的腐蚀原因是因为H2S，反之在高pH值中腐蚀是因为高浓度的二价硫离子。若高pH值溶液中存在氰化物能够加剧氢渗透到钢材中。目前已知钢材对SCC的敏感性随H2S含量（例如H2S在气相中的分压，或液相中的H2S含量）的增加而增大。H2S含量为1ppm这样小浓度的水中也发现对SCC有敏感性。 对SCC的敏感性主要与材料两种物理参数有关硬度和应力水平。随着硬度的增加钢对SCC的敏感性也增加。通常对用于湿硫化氢环境的碳钢压力容器和管道不考虑SCC，因为它们具有较低的硬度（强度）。然而，焊接后的焊缝熔合区和热影响区具有高的残余应力。高的残余拉应力与焊缝结合增加了钢对SCC的敏感性。焊后热处理能够有效地减少残余应力，焊缝熔合区和热影响区的回火（软化）处理也有同样的效果。对每英寸厚度在大约1150℉（621℃）下保温一小时（最少一小时）的热处理方法被证明是一种对碳钢有效的防止腐蚀性开裂的消除应力热处理方法。对低合金钢有时需要更高的温度。控制硬度和减少残余应力被认为是防止SCC的方法，在NACE RP 0472中有详细描叙。 H.7.2基础数据 表H-8中列出了确定碳钢和低合金铁素体钢设备和管线对硫化物应力腐蚀开裂敏感性所需的基础数据。如果无法确定准确的工艺参数，则需咨询知识丰富的工艺工程师来进行预测。 H.7.3确定环境苛刻度 如果没有水存在，则认为设备和管线对SCC没有敏感性。如果有水存在，则用从表H-8中得出的有关水中的H2S含量和它的pH值的基础数据再从表H-9中估计环境苛刻度（潜在的氢溶解量）。 H.7.4确定对SCC的敏感性 用在表H-9中确定的环境苛刻度以及在表H-8中得到的有关最大布氏硬度和焊件焊后热处理的基础数据，从表H-10中确定对SCC的敏感性。按图H-5中流程来确定硫化物应力腐蚀的敏感性。 应力腐蚀开裂 王博浩过控1201 学号：201209300319 摘要：工业上广泛应用的材料是金属，而金属无可避免的会面临腐蚀问题，而在设备的腐蚀中，应力腐蚀是在其中占有相当大比例的一种腐蚀类型。应力腐蚀广泛存在于材料受到静应力条件下，这种腐蚀对于材料是毁灭性的腐蚀。因此，了解应力腐蚀的机理和原因以及预防的方法是十分必要的。 一．引言 腐蚀导致经济的巨大损失已是众所周知的事实。从国内石油化工生产企业统计，1999年泸天化年总产值8.284亿元，而直接与间接腐蚀经济损失共计6010万元，占年生产总值的7.25%。仪征化纤厂大修周期从1年改为2年，创净利润（22~23）亿/年。通常认为间接腐蚀损失比直接腐蚀损失大。根据现有数据，石油工业的间接腐蚀损失是直接腐蚀损失的3倍。2000年，上海医药集团腐蚀损失是8114万元；华东电网因锅炉“四管”腐蚀爆漏导致非计划停车115次，损失电量29亿千瓦·小时，经济损失7.7亿元。汽车行业1999年的腐蚀损失约为242亿元。以重庆汽车腐蚀调查为例，重庆市系内陆盆地，夏季闷热，冬天潮湿， 年平均气温较高，其环境大气中的Cl-、SO 2和H 2 S等含量高，下雨频率高，酸雨、 大雾天气时有发生。车辆受大气环境的腐蚀十分严重，通常新车运行1年后就产生锈斑，2年左右就有腐蚀穿孔现象发生。由于大面积腐蚀和腐蚀穿孔，通常车辆每年都要进行外涂装；2年要进行换顶；4年要进行面板、车顶的更换，大梁、车身骨架的维护，重庆市车辆年均总的腐蚀损失为16057.1万元。 应力腐蚀、氢脆、孔蚀等局部腐蚀破坏的发生难以预测，极易引起生产设备的爆炸、火灾等突发性灾难事故，危及职工及生产装置的安全。如国内某天然气管线曾因硫化氢应力腐蚀破坏多次发生爆炸，其中一次引爆起特大火灾，造成20多人伤亡；某天然气井口设备因硫化氢酸性气体腐蚀造成井喷，大火烧了二十多天，经济损失惨重；某化肥厂废热锅炉进口管因氢腐蚀引发爆炸，造成7人死亡等。不光在工业生产中，在公共设施中应力腐蚀也有着重大的影响北京西直门立交桥1979年建成通车，1999年拆除重建，使用不到20年。除交通流量等客观因素外，主要是因溶雪撒盐造成的“盐腐蚀”。 二．应力腐蚀的发现 应力腐蚀开裂最初出现在19世纪后期,当时,人们发现黄铜弹壳在存储过程中发生开裂,由于影响军事行动,两次世界大战之间,人们对此做了大量的工作。19世纪末期出现铆接的蒸汽锅炉由于碱脆而发生爆炸及高强度钢的氢脆现象。20世纪20年代,有报道高强度铝合金在海水中的应力腐蚀问题。20世纪30年代,奥氏体不锈钢的应力腐蚀开裂问题又引起了人们的关注。直到目前,由于金属材料广泛地应用在航空、海洋、石油、化工等国民经济的各个部门,应力腐蚀开裂又极具破坏性,开裂前没有明显的预兆,它的破坏性和危害性是最大的,所以,金属在不同介质中的应力腐蚀开裂一直得到人们的重视。 三．应力腐蚀的发生 应力腐蚀是在应力和腐蚀同时作用下产生的。同一种合金在不同的环境中,应力腐蚀
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