第九章_環(huán)境介質(zhì)作用下金屬力學(xué)性能

1、第九章第九章 環(huán)境介質(zhì)作用環(huán)境介質(zhì)作用下的金屬力學(xué)性能下的金屬力學(xué)性能v在特定外界條件下工作的機件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強度，但服役一定時間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種與時間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱為延滯斷裂延滯斷裂。v 外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)，如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。v由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂疲勞斷裂；v而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜載延遲斷裂靜載延遲斷裂，或稱靜疲勞靜疲勞；v如果在腐蝕介質(zhì)中承受交變應(yīng)力作用，則產(chǎn)生腐蝕疲腐蝕疲勞勞。18-8奧氏體不銹鋼 Intergranular-SCC 慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗機(一) 應(yīng)力腐蝕

2、現(xiàn)象 Stress Corrosion Cracking 由拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的低應(yīng)力脆性斷裂稱為應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕（常用英文的三個字頭SCC表示）。一一 . .應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其特征應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其特征第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)-特定 黃銅-氨氣氛 不銹鋼-氯離子的腐蝕介質(zhì)1只有在拉伸應(yīng)力作用下才能引起應(yīng)力腐蝕開裂。2產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境總是存在腐蝕介質(zhì)，這種腐蝕介質(zhì)一般 都很弱，如果沒有拉應(yīng)力的同時作用，材料在這種介質(zhì)中腐蝕速度很慢。應(yīng)力腐蝕斷裂的特定的條件：合金腐蝕介質(zhì)碳鋼荷性鈉溶液，氯溶液，硝酸鹽水溶液，H2S水溶液，海水，海洋大氣與工業(yè)大氣奧氏體不銹

3、鋼氯化物水溶液，海水，海洋大氣，高溫水，潮濕空氣（濕度90%），熱NaCl，H2S水溶液，嚴重污染的工業(yè)大氣馬氏體不銹鋼氯化的，海水，工業(yè)大氣，酸性硫化物航空用高強度鋼海洋大氣，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸銅合金水蒸汽，濕H2S，氨溶液鋁合金濕空氣，NaCl水溶液，海水，工業(yè)大氣，海洋大氣表表10-1 10-1 合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的特定腐蝕介質(zhì)合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的特定腐蝕介質(zhì)3應(yīng)力腐蝕的裂紋擴展一般在10-9-10-6m/s，象疲勞。 亞臨界擴展-臨界尺寸-突然斷裂u陽極：失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)陽極：失去電子發(fā)生氧化反應(yīng) （被腐蝕）（被腐蝕）電化學(xué)腐蝕的過程電化學(xué)腐蝕的過程 陰極：得到電子發(fā)生還原反應(yīng)陰

4、極：得到電子發(fā)生還原反應(yīng)MM n+ ne析氫反應(yīng)析氫反應(yīng)（電解質(zhì)中（電解質(zhì)中H+高時）高時）吸氧反應(yīng)吸氧反應(yīng)（電解質(zhì)中（電解質(zhì)中O2高時）高時）222HeH22244OH OeOH腐蝕原電池腐蝕原電池(NH4)Cl碳棒鋅外殼 在鋅殼上的陽極反應(yīng) 在碳棒上的陰極反應(yīng)ZnZn2+2e2H+2e H2結(jié)果：結(jié)果：Zn被離子化（腐蝕）。（二）應(yīng)力腐蝕斷口特征應(yīng)力腐蝕斷裂也是通過裂紋形成裂紋形成和裂紋擴展裂紋擴展這兩個過程. 一般認為 裂紋形成約占全部時間的裂紋形成約占全部時間的90%左右左右. . 裂紋擴展僅占裂紋擴展僅占10%左右。左右。應(yīng)力腐蝕斷裂可以是沿晶斷裂沿晶斷裂，也可以是穿晶斷裂穿晶斷裂。

5、 取決于合金成分及腐蝕介質(zhì). 應(yīng)力腐蝕的斷口，其宏觀形貌屬于脆性斷裂脆性斷裂，有時帶有少量塑性撕裂痕跡。裂紋源可能有幾個，但往往是位于垂直主應(yīng)力面上的那個裂紋源才引起斷裂。 其裂紋源及亞穩(wěn)擴展區(qū)常呈黑色或灰黑色，失穩(wěn)擴展區(qū)的斷口常有放射花樣或人字紋, 光亮色。 加熱器彎頭， 存在明顯裂紋。 斷口在宏觀上表現(xiàn)為無光澤，深褐色，有腐蝕產(chǎn)物。 1Cr18NiTi不銹鋼試件應(yīng)力腐蝕斷口斷口1解理及沿晶斷裂；解理及沿晶斷裂；斷口2沿晶斷裂；沿晶斷裂；斷口3解理解理+疲勞斷裂（表面顯示出深的二次裂紋，河流花疲勞斷裂（表面顯示出深的二次裂紋，河流花樣，疲勞條帶）；樣，疲勞條帶）；斷口4解理解理+顯微空穴聚集

6、斷裂顯微空穴聚集斷裂 應(yīng)力腐蝕的斷口，其宏觀形貌屬于脆性斷裂脆性斷裂，斷口大部分呈明顯的結(jié)晶狀，25CrMo鋼H2S應(yīng)力腐蝕斷口及微觀特征二二 斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕中的應(yīng)用斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕中的應(yīng)用應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂是一種與時間有關(guān)的延滯斷裂延滯斷裂。用裂紋擴展速率da/dt來描述應(yīng)力腐蝕裂紋的亞臨界擴展亞臨界擴展。 當裂紋前端的應(yīng)力場強度因子KI大于大于材料的KISCC時，材料就可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂而導(dǎo)致破壞導(dǎo)致破壞，其開裂判據(jù)為：式中 KI 裂紋尖端應(yīng)力場強度因子，公斤力/毫米3/2；KISCC應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子，公斤力/毫米3/2； 斷裂抗力，公斤力/毫米3/2 裂紋的半長度

7、，毫米 Y 裂紋形狀系數(shù)?；颍ㄒ唬ㄒ唬㎏ISCC的概念的概念當K1降低到某一定值后，材料就不會由于應(yīng)力腐蝕而發(fā)生斷裂（即材料有無限壽命無限壽命），此時的K1就叫做應(yīng)力應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子，并以KISCC表示。IsccKK 1aYKIscc 在lg(da/dt)- K1的坐標上，其關(guān)系如圖(p167) ，曲線一般可分成三段。（二）應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率 當裂紋前端的KI KISCC時，裂紋就會隨時間而長大。單位時間內(nèi)裂紋的擴展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率，用da/dt表示，實驗證明，da/dt和裂紋前端的應(yīng)力場強度因子有關(guān)。即1Kfdtda第第階段階

8、段，當: KIKIscc時，裂紋經(jīng)過一段孕育期后突然加速擴展， da/dt與KI的關(guān)系曲線幾乎與縱坐標軸平行。 第第階段階段，曲線出現(xiàn)水平段， da/dt與KI幾乎無關(guān)，因為這一階段裂紋尖端變鈍，裂紋擴展主要受電化學(xué)過程控制。 第第階段階段，裂紋長度已接近臨界尺寸， da/dt又明顯地依賴KI， da/dt 隨KI而增加而增大，這是材料走向快速擴展的過渡區(qū)，當KI達到K1c時，便發(fā)生失穩(wěn)擴展，材料斷裂。保護膜破壞機理滑移膜破陽極溶解再鈍化三三 應(yīng)力腐蝕斷裂機理應(yīng)力腐蝕斷裂機理（二）改變介質(zhì)條件（二）改變介質(zhì)條件（三）選用合適的合金材料（三）選用合適的合金材料（四）采用電化學(xué)保護（四）采用電化學(xué)

9、保護四四 預(yù)防機件應(yīng)力腐蝕斷裂的措施預(yù)防機件應(yīng)力腐蝕斷裂的措施（一）降低應(yīng)力（一）降低應(yīng)力 金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的斷裂，統(tǒng)稱為氫脆斷裂氫脆斷裂或氫致開裂氫致開裂。一 氫脆的類型及特征（一）內(nèi)部氫脆與環(huán)境氫脆氫脆可分成兩大類：第一類為內(nèi)部氫脆內(nèi)部氫脆，它是由于金屬材料在冶煉、鍛造、焊接或電鍍、酸洗過程中吸收了過量的氫氣而造成的；第二類氫脆稱為環(huán)境氫脆環(huán)境氫脆，它是在應(yīng)力和氫氣氛或其它含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種脆性斷裂，如貯氫的壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆。第二節(jié)第二節(jié) 氫氫 脆脆彈簧在電鍍、酸洗過程中（二）氫脆斷口特征白點又有兩種類型：一種是在鋼件中觀察到縱向發(fā)裂，在其斷口上則呈

10、現(xiàn)白點。這類白點多呈圓形或橢圓形，而且輪廓分明，表面光亮呈銀白色，所以又叫做“雪斑”或發(fā)裂白點，這種白點實際上就是一種內(nèi)部微細裂紋。另一種白點呈魚眼型，它往往是某些以材料內(nèi)部的宏觀缺陷如氣孔、夾渣等為核心的銀白色斑點，其形狀多數(shù)為圓形或橢圓形。 內(nèi)部氫脆斷口往往出現(xiàn)“白點”。F基球墨鑄鐵在基球墨鑄鐵在HCl中的電化學(xué)腐蝕中的電化學(xué)腐蝕H2F基體的電極電位比G低，故為陽極，被腐蝕；而在陰極G上析出H2氣體。HCl水溶液（三）環(huán)境氫脆的特征在氫氣氛作用下，材料發(fā)生延滯斷裂的時間與應(yīng)力場強度因子KI之間的關(guān)系如下圖所示。隨KI值降低，斷裂時間延長；當K1降低到某一臨界值Kth時，材料便不會產(chǎn)生斷裂，

11、臨界值Kth就叫門檻值。（一）氫壓模型 在裂紋或缺口尖端的三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)，形成了很多微孔核心，氫原子在應(yīng)力作用下向這些核心擴散，并且結(jié)合成氫分子，由于微孔核心很小，只要有很少的氫氣應(yīng)可產(chǎn)生相當大的壓力。這種內(nèi)壓力大到足以通過塑性變形或解理斷裂使裂紋長大或使微孔長大、連接，最后引起材料過早斷裂。 二二 氫脆機理氫脆機理（二）減聚力氫脆模型 減聚力氫脆模型又稱晶格脆化模型，是由Troiano首先提出的，其要點是高濃度的固溶氫，可以降低晶界上或相界上金屬晶體的原子間結(jié)合力。而局部地區(qū)的張應(yīng)力，又通過間隙原子間的化學(xué)勢及應(yīng)力狀態(tài)間的熱力學(xué)平衡關(guān)系促使氫原子富集。這種富集區(qū)可能是低塑性材料內(nèi)部的裂紋尖端處，或是位錯塞積處，滑移帶交叉處和塑性形不協(xié)調(diào)處。四四 腐蝕疲勞腐蝕疲勞腐蝕疲勞特點 材料或零件在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下造成的失效叫做腐蝕疲勞。 腐蝕疲勞和應(yīng)力疲勞相比，主要有以下不同點：三三 應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆的關(guān)系應(yīng)力腐蝕開裂和氫脆的關(guān)系 應(yīng)力腐蝕和氫脆的關(guān)系十分密切，除內(nèi)部氫脆（白點）外，通常應(yīng)力腐蝕總是伴有氫脆，它們總是共同存在的。一般很難嚴格地區(qū)分到底是應(yīng)力腐蝕，還是氫脆造成的斷裂。v應(yīng)力腐蝕是在特定的材料與介質(zhì)組合下才發(fā)生的，而腐蝕疲勞卻沒有這個限制，它在任何介質(zhì)中均會出現(xiàn)。v對應(yīng)力腐蝕來說，有一臨界應(yīng)力強度因子KI