第七章 材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能

1、第第 七七 章章材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能力學(xué)性能序序 金屬機件在加工過程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，金屬機件在加工過程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在服役過程中又承受外加載荷，如果與周圍在服役過程中又承受外加載荷，如果與周圍環(huán)境中各種化學(xué)介質(zhì)或氫相接觸，便會產(chǎn)生環(huán)境中各種化學(xué)介質(zhì)或氫相接觸，便會產(chǎn)生特殊的斷裂現(xiàn)象，其中主要有特殊的斷裂現(xiàn)象，其中主要有應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂和氫脆斷裂等。這些斷裂形式大多為低應(yīng)力等。這些斷裂形式大多為低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險性。脆斷，具有很大的危險性。 隨著航空航天、海洋、原子能、石油、化工隨著航空航天、海洋、原子能、石油、化工等工業(yè)的迅速

2、發(fā)展，對金屬材料強度的要求等工業(yè)的迅速發(fā)展，對金屬材料強度的要求越來越高，金屬機件接觸的化學(xué)介質(zhì)的條件越來越高，金屬機件接觸的化學(xué)介質(zhì)的條件越加苛刻，致使上述各種斷裂形式逐年增多。越加苛刻，致使上述各種斷裂形式逐年增多。因此，金屬材料的應(yīng)力腐蝕和氫脆現(xiàn)象日益因此，金屬材料的應(yīng)力腐蝕和氫脆現(xiàn)象日益受到工程設(shè)計人員及材料科學(xué)工作者的重視。受到工程設(shè)計人員及材料科學(xué)工作者的重視。 本章主要闡述本章主要闡述1 1）金屬材料應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂）金屬材料應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂特征及斷裂機理特征及斷裂機理2 2）金屬材料抵抗應(yīng)力腐蝕和氫脆）金屬材料抵抗應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂的力學(xué)性能指標斷裂的力學(xué)性能指標3 3）防

3、止應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂斷裂）防止應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂斷裂的措施。的措施。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件 1 1應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象 金屬在金屬在拉應(yīng)力拉應(yīng)力和和特定的化學(xué)介質(zhì)特定的化學(xué)介質(zhì)共同共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂（力脆斷現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC)SCC)。 應(yīng)力腐蝕斷裂并不是金屬在應(yīng)力作用應(yīng)力腐蝕斷裂并不是金屬在應(yīng)力作用下的機械性破壞與在化學(xué)介質(zhì)作用下的下的機械性破壞與在化學(xué)介質(zhì)作用下的腐蝕性破壞的疊加所造成的，而是在應(yīng)腐蝕性破壞的疊加所造成的，而是

4、在應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)的聯(lián)合作用下，按特有機力和化學(xué)介質(zhì)的聯(lián)合作用下，按特有機理產(chǎn)生的斷裂。其斷裂強度比單個因素理產(chǎn)生的斷裂。其斷裂強度比單個因素分別作用后再疊加起來的要低得多。分別作用后再疊加起來的要低得多。 絕大多數(shù)金屬材料在一定的化學(xué)介質(zhì)條件絕大多數(shù)金屬材料在一定的化學(xué)介質(zhì)條件下都有應(yīng)力腐蝕傾向。在工業(yè)上最常見的有：下都有應(yīng)力腐蝕傾向。在工業(yè)上最常見的有：低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的“堿脆堿脆”和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的“硝脆硝脆”；奧；奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的“氯脆氯脆”；銅合金在氨氣介質(zhì)中的

5、銅合金在氨氣介質(zhì)中的“氨脆氨脆”；高強度鋁；高強度鋁合金在潮濕空氣、蒸餾水介質(zhì)中的脆裂現(xiàn)象合金在潮濕空氣、蒸餾水介質(zhì)中的脆裂現(xiàn)象等。等。 這些金屬材料無論是韌性的或脆性的，產(chǎn)這些金屬材料無論是韌性的或脆性的，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕后都會在沒有明顯預(yù)兆的情況下生應(yīng)力腐蝕后都會在沒有明顯預(yù)兆的情況下發(fā)生脆斷，常常造成災(zāi)難性事故。發(fā)生脆斷，常常造成災(zāi)難性事故。 2 2應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件 (1) (1)機件所承受的應(yīng)力機件所承受的應(yīng)力 包括工作應(yīng)包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。在化學(xué)介質(zhì)誘導(dǎo)開裂過力和殘余應(yīng)力。在化學(xué)介質(zhì)誘導(dǎo)開裂過程中起作用的是拉應(yīng)力程中起作用的是拉應(yīng)力( (在壓應(yīng)力作用下在壓應(yīng)力作用

6、下也可產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，但孕育期長，裂紋也可產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，但孕育期長，裂紋擴展速率慢擴展速率慢) )。焊接、熱處理或裝配過程。焊接、熱處理或裝配過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，在應(yīng)力腐蝕中也中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力，在應(yīng)力腐蝕中也有重要作用。一般來說，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕有重要作用。一般來說，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力并不一定很大，如果沒有化學(xué)介的應(yīng)力并不一定很大，如果沒有化學(xué)介質(zhì)的協(xié)同作用，機件在該應(yīng)力作用下可質(zhì)的協(xié)同作用，機件在該應(yīng)力作用下可以長期服役而不致斷裂。以長期服役而不致斷裂。 (2)(2)化學(xué)介質(zhì)化學(xué)介質(zhì) 只有在特定的化學(xué)介質(zhì)中，某種只有在特定的化學(xué)介質(zhì)中，某種金屬材料才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。金屬材料才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。

7、即對一定的金即對一定的金屬材料，需要有一定特效作用的離子、分子屬材料，需要有一定特效作用的離子、分子或絡(luò)合物才能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。這些化學(xué)介質(zhì)或絡(luò)合物才能導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕。這些化學(xué)介質(zhì)一般都不是腐蝕性的，至多也只是弱腐蝕性一般都不是腐蝕性的，至多也只是弱腐蝕性的。如果機件不承受應(yīng)力，大多數(shù)金屬材料的。如果機件不承受應(yīng)力，大多數(shù)金屬材料在這些化學(xué)介質(zhì)中是耐蝕的。在這些化學(xué)介質(zhì)中是耐蝕的。 (3)(3)金屬材料金屬材料 一般認為，一般認為，純金屬純金屬不會產(chǎn)生不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，應(yīng)力腐蝕，所有合金所有合金對應(yīng)力腐蝕都有不同對應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性。但在每一種合金系列中，程度的敏感性。但在每一種合金系列

8、中，都有對應(yīng)力腐蝕不敏感的合金成分。例如，都有對應(yīng)力腐蝕不敏感的合金成分。例如，鋁鎂合金中當鎂含量大于鋁鎂合金中當鎂含量大于4 4時，對應(yīng)力時，對應(yīng)力腐蝕很敏感；而鎂含量小于腐蝕很敏感；而鎂含量小于4 4時，則無時，則無論熱處理條件如何，它幾乎都具有抗應(yīng)力論熱處理條件如何，它幾乎都具有抗應(yīng)力腐蝕的能力。又如，鋼中含碳量為腐蝕的能力。又如，鋼中含碳量為0.120.12左右時，應(yīng)力腐蝕敏感性最大。左右時，應(yīng)力腐蝕敏感性最大。二、應(yīng)力腐蝕斷裂機理及斷口形貌特征二、應(yīng)力腐蝕斷裂機理及斷口形貌特征 (一一)應(yīng)力腐蝕斷裂機理應(yīng)力腐蝕斷裂機理 應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機理是滑移溶解應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機理是滑移

9、溶解理論理論( (或稱或稱鈍化膜破壞理論鈍化膜破壞理論) )和氫脆理論。和氫脆理論。 對應(yīng)力腐蝕敏感的合金在特定的化學(xué)介質(zhì)對應(yīng)力腐蝕敏感的合金在特定的化學(xué)介質(zhì)中，首先在表面形成一層鈍化膜，使金屬不致中，首先在表面形成一層鈍化膜，使金屬不致進一步受到腐蝕，即處于鈍化狀態(tài)，因此，在進一步受到腐蝕，即處于鈍化狀態(tài)，因此，在沒有應(yīng)力作用的情況下，金屬不會發(fā)生腐沒有應(yīng)力作用的情況下，金屬不會發(fā)生腐蝕破蝕破 壞。壞。若有拉應(yīng)力作用若有拉應(yīng)力作用，則可產(chǎn)，則可產(chǎn)生局部塑性變形，滑移臺階在生局部塑性變形，滑移臺階在表面露頭時鈍化膜破裂，顯露表面露頭時鈍化膜破裂，顯露出新鮮表面。出新鮮表面。 新鮮表面在電解質(zhì)溶

10、液中成為陽極，新鮮表面在電解質(zhì)溶液中成為陽極，而其余具有鈍化膜的金屬表面便成為陰而其余具有鈍化膜的金屬表面便成為陰極，從而形成腐蝕微電池。陽極金屬變極，從而形成腐蝕微電池。陽極金屬變成正離子成正離子( (MMMM+n+n +ne) +ne)進入電解質(zhì)中而產(chǎn)進入電解質(zhì)中而產(chǎn)生陽極溶解，于是在金屬表面形成蝕坑。生陽極溶解，于是在金屬表面形成蝕坑。 拉應(yīng)力除促使裂紋尖端地區(qū)鈍化膜破拉應(yīng)力除促使裂紋尖端地區(qū)鈍化膜破壞外，更主要的是在蝕坑或原有裂紋的壞外，更主要的是在蝕坑或原有裂紋的尖端形成應(yīng)力集中，使陽極電位降低，尖端形成應(yīng)力集中，使陽極電位降低，加速陽極金屬的溶解。如果裂紋尖端的加速陽極金屬的溶解。

11、如果裂紋尖端的應(yīng)力集中始終存在，那么微電池反應(yīng)便應(yīng)力集中始終存在，那么微電池反應(yīng)便不斷進行，鈍化膜不能恢復(fù)，裂紋將逐不斷進行，鈍化膜不能恢復(fù)，裂紋將逐步向縱深擴展。步向縱深擴展。 ( (二二) )應(yīng)力腐蝕斷口特征應(yīng)力腐蝕斷口特征 應(yīng)力腐蝕斷口的宏觀形應(yīng)力腐蝕斷口的宏觀形貌與疲勞斷口頗為相似，貌與疲勞斷口頗為相似，也有亞穩(wěn)擴展區(qū)和最后瞬也有亞穩(wěn)擴展區(qū)和最后瞬斷區(qū)。在斷區(qū)。在亞穩(wěn)擴展區(qū)可見亞穩(wěn)擴展區(qū)可見到腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象，到腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象，故常呈黑色或灰黑色。故常呈黑色或灰黑色。最最后瞬斷區(qū)一般為快速撕裂后瞬斷區(qū)一般為快速撕裂破壞。破壞。 應(yīng)力腐蝕顯微裂紋如圖應(yīng)力腐蝕顯微裂紋如圖所示，常有分

12、叉現(xiàn)象，呈所示，常有分叉現(xiàn)象，呈枯樹枝狀。枯樹枝狀。 斷口的斷口的微觀形貌微觀形貌一般為沿晶斷裂型，也一般為沿晶斷裂型，也可能為穿晶解理斷裂或準解理斷裂型，可能為穿晶解理斷裂或準解理斷裂型，有時還出現(xiàn)混合斷裂型。其表面可見到有時還出現(xiàn)混合斷裂型。其表面可見到“泥狀花樣泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物的腐蝕產(chǎn)物( (圖圖6-36-3a)a)及腐及腐蝕坑蝕坑( (圖圖6-36-3b)b)。 三、應(yīng)力腐蝕抗力指標三、應(yīng)力腐蝕抗力指標 通常用光滑試樣在拉應(yīng)力和通常用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用化學(xué)介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā)生斷裂前的持續(xù)時間來評定金屬材下，依據(jù)發(fā)生斷裂前的持續(xù)時間來評定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。

13、采用一組相同試樣，在料的抗應(yīng)力腐蝕性能。采用一組相同試樣，在不同應(yīng)力水平作用下測定其斷裂時間不同應(yīng)力水平作用下測定其斷裂時間tf，作出作出-tf曲線，從而求出該種材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕曲線，從而求出該種材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕 的臨界應(yīng)力的臨界應(yīng)力scc，據(jù)此來據(jù)此來 研究合金元素、組織結(jié)構(gòu)研究合金元素、組織結(jié)構(gòu) 及化學(xué)介質(zhì)對材料應(yīng)力腐及化學(xué)介質(zhì)對材料應(yīng)力腐 蝕敏感性的影響。蝕敏感性的影響。 這種方法所用的試樣是光滑的，所測這種方法所用的試樣是光滑的，所測定的斷裂總時間定的斷裂總時間tf包括裂紋形成與裂紋包括裂紋形成與裂紋擴展的時間。前者約占斷裂總時間的擴展的時間。前者約占斷裂總時間的90。而實際機件一

14、般都不可避免地。而實際機件一般都不可避免地存在著裂紋或類似裂紋的缺陷。因此，存在著裂紋或類似裂紋的缺陷。因此，用常規(guī)方法測定的金屬材料抗應(yīng)力腐用常規(guī)方法測定的金屬材料抗應(yīng)力腐蝕性能指標礦蝕性能指標礦scc不能客觀地反映帶裂不能客觀地反映帶裂紋的機件對應(yīng)力腐蝕的抗力。紋的機件對應(yīng)力腐蝕的抗力。 根據(jù)斷裂力學(xué)原理，利用預(yù)制裂紋的根據(jù)斷裂力學(xué)原理，利用預(yù)制裂紋的試樣，引入應(yīng)力場強度因子試樣，引入應(yīng)力場強度因子KI的概念的概念來研究金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能，來研究金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能，得到了兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標，得到了兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標，即即應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力

15、場強度因子KIscc和和應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率dadt。 這兩個指標可用于機件的選材和設(shè)計。這兩個指標可用于機件的選材和設(shè)計。 (一一)應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KIscc 在恒定載荷和特定化學(xué)介質(zhì)作用下，帶有預(yù)在恒定載荷和特定化學(xué)介質(zhì)作用下，帶有預(yù)制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時間與初始應(yīng)力場強度因子間與初始應(yīng)力場強度因子KI初初有關(guān)。有關(guān)。 某種鈦合金的預(yù)制裂紋試樣在恒載荷下，于某種鈦合金的預(yù)制裂紋試樣在恒載荷下，于3.5NaCl水溶液中進行應(yīng)力腐蝕試驗。該合水溶液中進行應(yīng)力腐蝕試驗。該合金的金的KIC

16、=100MPam12，當當KI初初KIC時，加上時，加上初始載荷后，裂紋便初始載荷后，裂紋便立即失穩(wěn)擴展而斷裂。立即失穩(wěn)擴展而斷裂。當當KI初初降低時，應(yīng)力降低時，應(yīng)力腐蝕斷裂時間腐蝕斷裂時間tf隨之增長。隨之增長。 在這一段時間內(nèi)，盡管外加應(yīng)力不在這一段時間內(nèi)，盡管外加應(yīng)力不變，但裂紋長度卻不斷增長，相應(yīng)變，但裂紋長度卻不斷增長，相應(yīng)的的KI值隨之不斷增加。當值隨之不斷增加。當KI值增加值增加到材料的到材料的KIC時，試樣便突然斷裂。時，試樣便突然斷裂。因此，雖然試樣上裂紋尖端所受的因此，雖然試樣上裂紋尖端所受的初始應(yīng)力場強度因子初始應(yīng)力場強度因子KI初初較低，但經(jīng)較低，但經(jīng)亞穩(wěn)擴展后，亞穩(wěn)

17、擴展后，KI不斷增大，直至達不斷增大，直至達到臨界值而脆斷。到臨界值而脆斷。 當當KI初初38 MPam12時，該合金試樣時，該合金試樣不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。將試樣在特定不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。將試樣在特定化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場強度因子稱為大應(yīng)力場強度因子稱為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子應(yīng)力場強度因子(或稱為或稱為應(yīng)力腐蝕門應(yīng)力腐蝕門檻值檻值)，以，以KIscc表示。表示。 對于大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)對于大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì)中介質(zhì)中KIscc值是一定的。因此，值是一定的。因此，KIscc可可作為金屬材料的力學(xué)性能指標。它表

18、作為金屬材料的力學(xué)性能指標。它表示含有宏觀裂紋的材料，在應(yīng)力腐蝕示含有宏觀裂紋的材料，在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌度。條件下的斷裂韌度。 對于含有裂紋的機件，當作用于裂紋對于含有裂紋的機件，當作用于裂紋尖端的初始應(yīng)力場強度因子尖端的初始應(yīng)力場強度因子KI初初KIscc時，原始裂紋在化學(xué)介質(zhì)和力的共同時，原始裂紋在化學(xué)介質(zhì)和力的共同作用下不會擴展，機件可以安全服役。作用下不會擴展，機件可以安全服役。因此，因此，KI初初KIscc為金屬材料在應(yīng)力腐為金屬材料在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)（最后斷裂的條蝕條件下的斷裂判據(jù)（最后斷裂的條件仍是件仍是.）。）。測定金屬材料的測定金屬材料的KIscc 可用恒載荷法

19、或恒位移法。其中以恒載荷的可用恒載荷法或恒位移法。其中以恒載荷的懸臂梁彎曲試驗法最常用。懸臂梁彎曲試驗法最常用。 試樣的一端固定在機架上，另一端與力臂相試樣的一端固定在機架上，另一端與力臂相連，力臂端頭通過砝碼進行加載，試樣穿在連，力臂端頭通過砝碼進行加載，試樣穿在溶液槽中，使溶液槽中，使預(yù)制裂紋沉浸在化預(yù)制裂紋沉浸在化學(xué)介質(zhì)中。在整個學(xué)介質(zhì)中。在整個試驗過程中載荷恒試驗過程中載荷恒定，所以隨著裂紋定，所以隨著裂紋的擴展，裂紋尖端的擴展，裂紋尖端的的KI增大。增大。 試驗時，必須制備一組尺寸相同的試驗時，必須制備一組尺寸相同的試樣，每個試樣承受不同的恒定載試樣，每個試樣承受不同的恒定載荷荷F，

20、使裂紋尖端產(chǎn)生不同大小的初使裂紋尖端產(chǎn)生不同大小的初始應(yīng)力場強度因子始應(yīng)力場強度因子KI初初，記錄試樣在，記錄試樣在各種各種KI初初作用下的斷裂時間作用下的斷裂時間tf。以以KI初初與與lgtf為坐標作為坐標作圖，便可得到如圖，便可得到如圖圖6-5所示的曲所示的曲線。曲線水平部線。曲線水平部分所對應(yīng)的分所對應(yīng)的KI初初值即為材料的值即為材料的KIscc。 (二二)應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率dadt 當應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的當應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的KIKIscc時，裂紋時，裂紋就會不斷擴展。單位時間內(nèi)裂紋的擴展就會不斷擴展。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，用量叫做應(yīng)力腐蝕裂

21、紋擴展速率，用dadt表示。實驗證明，表示。實驗證明，dadt與與KI有關(guān)，即有關(guān)，即 在在lg(dadt)- KI坐標坐標圖上，其關(guān)系曲線圖上，其關(guān)系曲線如圖如圖6-7所示。曲線所示。曲線可分為三個階段?？煞譃槿齻€階段。 第第I階段：當階段：當KI剛超過剛超過KIscc時，時，裂紋經(jīng)過一段裂紋經(jīng)過一段孕育期后突然孕育期后突然加速擴展，加速擴展，lg(dadt)- KI曲線幾乎與縱曲線幾乎與縱坐標軸平行。坐標軸平行。 第第階段：曲線出階段：曲線出現(xiàn)水平線段，現(xiàn)水平線段，dadt與與KI幾乎無關(guān)。幾乎無關(guān)。因為這時裂紋尖端因為這時裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象（老發(fā)生分叉現(xiàn)象（老裂紋不擴展），裂裂紋不擴展

22、），裂紋擴展主要受電化紋擴展主要受電化學(xué)過程控制，故與學(xué)過程控制，故與材料和環(huán)境密切相材料和環(huán)境密切相關(guān)。關(guān)。 第第階段：裂紋長階段：裂紋長度已接近臨界尺寸，度已接近臨界尺寸，dadt又明顯地依又明顯地依賴于賴于KI，dadt隨隨KI增大而急劇增大。增大而急劇增大。這時材料進入失穩(wěn)這時材料進入失穩(wěn)擴展的擴展的過渡區(qū)過渡區(qū)。當。當KI達到達到KIC時便失穩(wěn)時便失穩(wěn)擴展而斷裂。擴展而斷裂。 第第階段時間越長，材料抗應(yīng)力腐階段時間越長，材料抗應(yīng)力腐蝕性能越好。如果通過試驗測出某蝕性能越好。如果通過試驗測出某種材料在第種材料在第階段的階段的dadt值值及第及第階段結(jié)束時的階段結(jié)束時的KI值值，就可估算

23、出，就可估算出機件在應(yīng)力腐蝕條件下的剩余壽命。機件在應(yīng)力腐蝕條件下的剩余壽命。 四、防止應(yīng)力腐蝕的措施四、防止應(yīng)力腐蝕的措施 (1)合理選擇金屬材料合理選擇金屬材料 針對機件所受的應(yīng)力針對機件所受的應(yīng)力和接觸的化學(xué)介質(zhì)，選用耐應(yīng)力腐蝕的金屬和接觸的化學(xué)介質(zhì)，選用耐應(yīng)力腐蝕的金屬材料，這是一個基本原則。例如，銅對氨的材料，這是一個基本原則。例如，銅對氨的應(yīng)力腐蝕敏感性很高，因此，接觸氨的機件應(yīng)力腐蝕敏感性很高，因此，接觸氨的機件就應(yīng)避免使用銅合金。又如，在高濃度氯化就應(yīng)避免使用銅合金。又如，在高濃度氯化物介質(zhì)中，一般物介質(zhì)中，一般可選用可選用不含鎳、銅或僅含微不含鎳、銅或僅含微量鎳、銅的低碳高鉻

24、鐵素體不銹鋼，或含硅量鎳、銅的低碳高鉻鐵素體不銹鋼，或含硅較高的鉻鎳不銹鋼，也可選用鎳基和鐵鎳較高的鉻鎳不銹鋼，也可選用鎳基和鐵鎳基耐蝕合金?；臀g合金。 此外，在選材時還應(yīng)盡可能選用此外，在選材時還應(yīng)盡可能選用KIscc較高較高的合金，以提高機件抗應(yīng)力腐蝕的能力。的合金，以提高機件抗應(yīng)力腐蝕的能力。 (2)減少或消除機件中的殘余拉應(yīng)力減少或消除機件中的殘余拉應(yīng)力 殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要原因，主要是由于金屬機件的設(shè)計和原因，主要是由于金屬機件的設(shè)計和加工工藝不合理而產(chǎn)生的。因此，應(yīng)加工工藝不合理而產(chǎn)生的。因此，應(yīng)盡量減少機件上的應(yīng)力集中，加熱和盡量減少機件

25、上的應(yīng)力集中，加熱和冷卻要均勻。必要時可采用退火工藝冷卻要均勻。必要時可采用退火工藝以消除應(yīng)力。如果能采用噴丸或其他以消除應(yīng)力。如果能采用噴丸或其他表面處理方法，使機件表層中產(chǎn)生一表面處理方法，使機件表層中產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，則更為有效。定的殘余壓應(yīng)力，則更為有效。 (3)改善化學(xué)介質(zhì)改善化學(xué)介質(zhì) 可從兩方面考慮：一方面設(shè)法減少和可從兩方面考慮：一方面設(shè)法減少和消除促進應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子，消除促進應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子，例如，通過水凈化處理，降低冷卻水與例如，通過水凈化處理，降低冷卻水與蒸汽中的氯離子含量，對預(yù)防奧氏體不蒸汽中的氯離子含量，對預(yù)防奧氏體不銹鋼的氯脆十分有效；另一方

26、面，也可銹鋼的氯脆十分有效；另一方面，也可在化學(xué)介質(zhì)中添加緩蝕劑，例如，在高在化學(xué)介質(zhì)中添加緩蝕劑，例如，在高溫水中加入溫水中加入30010-6磷酸鹽，可使鉻鎳磷酸鹽，可使鉻鎳奧氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能大為提高。奧氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能大為提高。 (4)采用電化學(xué)保護采用電化學(xué)保護 由于金屬在化學(xué)由于金屬在化學(xué)介質(zhì)中只有在一定的電極電位范圍內(nèi)介質(zhì)中只有在一定的電極電位范圍內(nèi)才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，因此，采用才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，因此，采用外加電位的方法，使金屬在化學(xué)介質(zhì)外加電位的方法，使金屬在化學(xué)介質(zhì)中的電位遠離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域，中的電位遠離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域，也是防止應(yīng)力腐蝕的一種措施

27、，一般也是防止應(yīng)力腐蝕的一種措施，一般采用陰極保護法。但高強度鋼或其他采用陰極保護法。但高強度鋼或其他氫脆敏感的材料，不能采用陰極保護氫脆敏感的材料，不能采用陰極保護法。法。 第二節(jié)第二節(jié) 氫氫 脆脆 一、氫在金屬中的存在形式一、氫在金屬中的存在形式 由于由于氫和應(yīng)力氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂(簡稱氫脆簡稱氫脆)。 金屬中氫的來源可分為金屬中氫的來源可分為“內(nèi)含的內(nèi)含的”和和“外來的外來的”兩種。前者是指金屬在熔煉兩種。前者是指金屬在熔煉過程中及隨后的加工制造過程過程中及隨后的加工制造過程(如焊接、如

28、焊接、酸洗、電鍍等酸洗、電鍍等)中吸收的氫；后者則是金中吸收的氫；后者則是金屬機件在服役時從含氫環(huán)境介質(zhì)中吸收屬機件在服役時從含氫環(huán)境介質(zhì)中吸收的氫。的氫。 在一般情況下，氫以間隙原子狀態(tài)固溶在一般情況下，氫以間隙原子狀態(tài)固溶在金屬中，對于大多數(shù)工業(yè)合金，氫的在金屬中，對于大多數(shù)工業(yè)合金，氫的溶解度隨溫度降低而降低。溶解度隨溫度降低而降低。 氫在金屬中也可通過擴散聚集在較大的氫在金屬中也可通過擴散聚集在較大的缺陷缺陷(如空洞、氣泡、裂紋等如空洞、氣泡、裂紋等)處，以氫處，以氫分子狀態(tài)存在。分子狀態(tài)存在。 氫還可能和一些過渡族、稀土或堿土金氫還可能和一些過渡族、稀土或堿土金屬元素作用生成氫化物。

29、屬元素作用生成氫化物。 氫可以與金屬中的第二相作用生成氣體氫可以與金屬中的第二相作用生成氣體產(chǎn)物，如鋼中的氫可以和滲碳體中的碳產(chǎn)物，如鋼中的氫可以和滲碳體中的碳原子作用形成甲烷等。原子作用形成甲烷等。 二、氫脆類型及其特征二、氫脆類型及其特征 在任何情況下，氫對金屬性能的在任何情況下，氫對金屬性能的影響都是有害的。影響都是有害的。氫可通過不同氫可通過不同的機制使金屬脆化，因而氫脆的的機制使金屬脆化，因而氫脆的種類很多。常見的幾種氫脆現(xiàn)象種類很多。常見的幾種氫脆現(xiàn)象及其特征簡介如下。及其特征簡介如下。 1氫蝕氫蝕 這是由于氫與金屬中的第二相作用生成高這是由于氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使

30、基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。如碳鋼在金屬脆化。如碳鋼在300500的高壓氫氣的高壓氫氣氛中工作時，由于氫與鋼中的碳化物作用生氛中工作時，由于氫與鋼中的碳化物作用生成高壓的成高壓的CH4氣泡，當氣泡在晶界上達到一氣泡，當氣泡在晶界上達到一定密度后，金屬的塑性將大幅度降低。定密度后，金屬的塑性將大幅度降低。這種這種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在機件與高溫、高壓氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在機件與高溫、高壓氫氣相接觸的部位。氫氣相接觸的部位。對碳鋼來說，溫度低于對碳鋼來說，溫度低于220時不產(chǎn)生氫蝕。時不產(chǎn)生氫蝕。 氫蝕斷裂的宏觀斷口形貌呈氧化色，顆粒氫蝕斷裂的宏觀斷

31、口形貌呈氧化色，顆粒狀。微觀斷口上狀。微觀斷口上晶界晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。明顯加寬，呈沿晶斷裂。 2白點白點(發(fā)裂發(fā)裂) 當鋼中含有過量的氫時，隨著溫度降當鋼中含有過量的氫時，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和低氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和的氫未能擴散逸出，便聚集在某些缺陷的氫未能擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時，氫的體積發(fā)生處而形成氫分子。此時，氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。這種微裂紋的斷撕裂，而形成微裂紋。這種微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，故面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，故稱

32、為白點。在稱為白點。在Cr-Ni結(jié)構(gòu)鋼的大鍛件中白結(jié)構(gòu)鋼的大鍛件中白點是一種嚴重缺陷，歷史上曾因此造成點是一種嚴重缺陷，歷史上曾因此造成許多重大事故。許多重大事故。 下圖為下圖為10CrNiMoV鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷面上的白點形貌。人們對白點的成因面上的白點形貌。人們對白點的成因及防止方法已進行了大量而詳盡的研及防止方法已進行了大量而詳盡的研究，成功地采用了精煉除氣、鍛后緩究，成功地采用了精煉除氣、鍛后緩冷或等溫退火，以及在鋼中加入稀土冷或等溫退火，以及在鋼中加入稀土或其他微量元素等方法，可使白點減或其他微量元素等方法，可使白點減弱或消除。弱或消除。 3氫化物致脆氫化物致脆 對于對

33、于B或或VB族金屬族金屬(如純鈦、如純鈦、鈦鈦合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金)，由，由于它們與氫有較大的親和力，極易生成于它們與氫有較大的親和力，極易生成脆性氫化物，使金屬脆化。例如，在室脆性氫化物，使金屬脆化。例如，在室溫下，氫在溫下，氫在鈦中的溶解度較小，鈦鈦中的溶解度較小，鈦與氫又具有較大的化學(xué)親和力，因此容與氫又具有較大的化學(xué)親和力，因此容易形成氫化鈦易形成氫化鈦(TiHx)而產(chǎn)生氫脆。而產(chǎn)生氫脆。 4氫致延滯斷裂氫致延滯斷裂 高強度鋼或高強度鋼或+鈦合金中，含有適量鈦合金中，含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強的處于固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強度的應(yīng)力持續(xù)

34、作用下，經(jīng)過一段孕育度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段孕育期后，在金屬內(nèi)部，特別是在三向拉期后，在金屬內(nèi)部，特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，裂紋逐步擴展，最應(yīng)力區(qū)形成裂紋，裂紋逐步擴展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種由于氫的后突然發(fā)生脆性斷裂。這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。延滯斷裂。工程上所說的氫脆，大多工程上所說的氫脆，大多數(shù)是指這類氫脆而言的。數(shù)是指這類氫脆而言的。 氫致延滯斷裂的特點：氫致延滯斷裂的特點： 1)只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強度只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強度鋼多出現(xiàn)在鋼多出現(xiàn)在-100150之間，而以室之間，而以室溫下最敏感。溫

35、下最敏感。2)提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性降低。因此，只有在慢速加載試驗中降低。因此，只有在慢速加載試驗中才能顯示這類脆性。才能顯示這類脆性。3)此類氫脆顯著降低金屬材料的斷后伸長此類氫脆顯著降低金屬材料的斷后伸長率，但含氫量超過一定數(shù)值后，斷后伸率，但含氫量超過一定數(shù)值后，斷后伸長率不再變化，而斷面收縮率則隨含氫長率不再變化，而斷面收縮率則隨含氫量增加不斷下降，且材料強度越高，下量增加不斷下降，且材料強度越高，下降越劇烈。降越劇烈。4)高強度鋼的氫致延滯斷裂還具有可逆性，高強度鋼的氫致延滯斷裂還具有可逆性，即鋼材經(jīng)低應(yīng)力慢速應(yīng)變后，由于氫脆即鋼材經(jīng)低應(yīng)力慢

36、速應(yīng)變后，由于氫脆使塑性降低。如果卸除載荷，停留一段使塑性降低。如果卸除載荷，停留一段時間再進行高速加載，則鋼的塑性可以時間再進行高速加載，則鋼的塑性可以得到恢復(fù)，氫脆現(xiàn)象消除。得到恢復(fù)，氫脆現(xiàn)象消除。 三、鋼的氫致延滯斷裂機理三、鋼的氫致延滯斷裂機理 高強度鋼對氫致延滯斷裂非常敏感。其斷裂高強度鋼對氫致延滯斷裂非常敏感。其斷裂過程也可分為三個階段，即孕育階段、裂紋過程也可分為三個階段，即孕育階段、裂紋亞穩(wěn)擴展階段及失穩(wěn)擴展階段。亞穩(wěn)擴展階段及失穩(wěn)擴展階段。 鋼的表面單純吸附氫原子是不會產(chǎn)生氫脆的，鋼的表面單純吸附氫原子是不會產(chǎn)生氫脆的，氫必須進入氫必須進入-Fe-Fe晶格中并偏聚到一定濃度后

37、晶格中并偏聚到一定濃度后才能形成裂紋。因此，才能形成裂紋。因此，由環(huán)境介質(zhì)中的氫引由環(huán)境介質(zhì)中的氫引起氫致延滯斷裂必須經(jīng)過三個步驟起氫致延滯斷裂必須經(jīng)過三個步驟，即氫原，即氫原子進入鋼中、氫在鋼中遷移和氫的偏聚。這子進入鋼中、氫在鋼中遷移和氫的偏聚。這三個步驟都需要時間，這就是氫致延滯斷裂三個步驟都需要時間，這就是氫致延滯斷裂的孕育階段。的孕育階段。 鋼中的氫一般固溶于鋼中的氫一般固溶于-Fe-Fe晶格中，使晶格中，使晶格產(chǎn)生膨脹性彈性畸變。當有刃型晶格產(chǎn)生膨脹性彈性畸變。當有刃型位錯的應(yīng)力場存在時，氫原子便與位位錯的應(yīng)力場存在時，氫原子便與位錯產(chǎn)生交互作用，遷移到位錯線附近錯產(chǎn)生交互作用，遷

38、移到位錯線附近的拉應(yīng)力區(qū)，形成氫氣團。顯然，在的拉應(yīng)力區(qū)，形成氫氣團。顯然，在位錯密度較高的區(qū)域，其氫的濃度也位錯密度較高的區(qū)域，其氫的濃度也較高。較高。 由于氫使由于氫使-Fe-Fe晶格膨脹，故拉應(yīng)力將晶格膨脹，故拉應(yīng)力將促進氫的溶解。在外加應(yīng)力作用下，促進氫的溶解。在外加應(yīng)力作用下，金屬中已形成裂紋的尖端是金屬中已形成裂紋的尖端是三向拉應(yīng)三向拉應(yīng)力區(qū)力區(qū)，因而氫原子易于向裂紋尖端區(qū)，因而氫原子易于向裂紋尖端區(qū)域聚集。氫原子一般偏聚在裂紋尖端域聚集。氫原子一般偏聚在裂紋尖端塑性區(qū)與彈性區(qū)的界面上，當偏聚濃塑性區(qū)與彈性區(qū)的界面上，當偏聚濃度再次達到臨界值時，便使這個區(qū)域度再次達到臨界值時，便使這個區(qū)域明顯脆化而形成新裂紋。明顯脆化而形成新裂紋。 新裂紋與原裂紋的尖端新裂紋與原裂紋的尖端相匯合，裂紋便擴展一相匯合，裂紋便擴展一段距離，隨后又停止。段距離，隨后又停止。以后是再孕育、再擴展；以后是再孕育、再擴展；最后，當裂紋經(jīng)亞穩(wěn)擴最后，當裂紋經(jīng)亞穩(wěn)擴展達到臨界尺寸時便失展達到臨界尺寸時便失穩(wěn)擴展而斷裂。因此，穩(wěn)擴展而斷裂。因此，氫致裂紋的擴展方式是氫致裂紋的擴展方式是步進式步進式，這是與應(yīng)力腐，這是與應(yīng)力腐蝕裂紋漸進式擴展方式蝕裂紋漸進式擴展方式不同的。不同的。 四、防止氫脆的措施四、防止氫脆的措施1 1環(huán)境因素環(huán)境因素 設(shè)