07-高溫及環(huán)境下的材料力學性能（PPT49頁)

1、1第七章第七章 高溫及環(huán)境下的材料力學性能高溫及環(huán)境下的材料力學性能7.1 材料的蠕變材料的蠕變7.2 蠕變變形及斷裂機制蠕變變形及斷裂機制7.3 高溫力學性能指標高溫力學性能指標7.6 陶瓷材料的抗熱震性陶瓷材料的抗熱震性7.8 7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學性環(huán)境介質(zhì)作用下的力學性能能2 高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、燃氣輪機、柴油機、化工煉油設(shè)備以高壓蒸汽鍋爐、汽輪機、燃氣輪機、柴油機、化工煉油設(shè)備以及航空發(fā)動機中的構(gòu)件長期在高溫條件下工作，材料的高溫力及航空發(fā)動機中的構(gòu)件長期在高溫條件下工作，材料的高溫力學性能不同于室溫。學性能不同于室溫。 溫度的溫度的“高高”或或“低低”是相對熔點是相對熔點

2、Tm來講的，一般采用來講的，一般采用“約比約比溫度（溫度（T/Tm）”來描述。來描述。 金屬材料：金屬材料：T/Tm0.3-0.4；(以絕對溫度以絕對溫度K計算計算) 陶瓷材料：陶瓷材料：T/Tm0.4-0.5； 高分子材料高分子材料TTg （Tg為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度） 高溫作用下，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕活性隨溫度升高而很快增加，加高溫作用下，環(huán)境介質(zhì)的腐蝕活性隨溫度升高而很快增加，加速高溫下裂紋生成與擴展。速高溫下裂紋生成與擴展。 本章主要介紹材料在高溫長時載荷作用下的本章主要介紹材料在高溫長時載荷作用下的蠕變現(xiàn)象蠕變現(xiàn)象，討論蠕，討論蠕變變形和斷裂機理、高溫力學性能指標與影響因素，及

3、材料的變變形和斷裂機理、高溫力學性能指標與影響因素，及材料的應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞。37.1 材料的蠕變材料的蠕變?nèi)渥儸F(xiàn)象：蠕變現(xiàn)象：材料在材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力長時間的恒溫、恒應(yīng)力（載荷）作（載荷）作用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢用下，即使應(yīng)力低于彈性極限，也會發(fā)生緩慢塑性變塑性變形形的現(xiàn)象。的現(xiàn)象。破壞形式：破壞形式：蠕變斷裂蠕變斷裂（蠕變變形導致的斷裂）（蠕變變形導致的斷裂）高溫蠕變：高溫蠕變：T0.5Tm以上以上蠕變過程可用蠕變過程可用蠕變曲線蠕變曲線來描述。來描述。蠕變曲線測定：靜力法蠕變試驗（溫度蠕變曲線測定：靜力法蠕變試驗（溫度T、載荷、載

4、荷P恒定）恒定）材料的蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線：材料的蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線：4按蠕變速率的變化，蠕變按蠕變速率的變化，蠕變過程分成三個階段：過程分成三個階段：dd金屬、陶瓷的典型蠕變曲線金屬、陶瓷的典型蠕變曲線第一階段（第一階段（ab）：蠕變速率隨時間減小減速蠕變或過渡蠕）：蠕變速率隨時間減小減速蠕變或過渡蠕變階段。變階段。第二階段（第二階段（bc）：蠕變速率不變且最小穩(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕）：蠕變速率不變且最小穩(wěn)態(tài)蠕變或恒速蠕變階段。變階段。第三階段（第三階段（cd）：時間延長，蠕變速度逐漸增大，直至）：時間延長，蠕變速度逐漸增大，直至d點產(chǎn)生點產(chǎn)生蠕變斷裂加速蠕變階段。蠕變斷裂加速蠕變階段。蠕變速度蠕變

5、速度：5同一材料的蠕變曲線隨同一材料的蠕變曲線隨應(yīng)力大小應(yīng)力大小、溫度高低溫度高低有不同：有不同：應(yīng)力較小、溫度較低時：應(yīng)力較小、溫度較低時：蠕變的恒速蠕變階段持蠕變的恒速蠕變階段持續(xù)時間長，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；續(xù)時間長，甚至不出現(xiàn)加速蠕變階段；應(yīng)力較大、溫度較高時：應(yīng)力較大、溫度較高時：蠕變恒速蠕變階段持續(xù)蠕變恒速蠕變階段持續(xù)時間短，甚至消失，試樣在短時間內(nèi)斷裂，主要時間短，甚至消失，試樣在短時間內(nèi)斷裂，主要為加速蠕變。為加速蠕變。67.2、蠕變變形及斷裂機制、蠕變變形及斷裂機制（1）位錯滑移蠕變）位錯滑移蠕變 位錯滑移仍是蠕變變形一種重要的變形機制。高溫下會位錯滑移仍是蠕變變形一種重要

6、的變形機制。高溫下會出現(xiàn)新的滑移系。出現(xiàn)新的滑移系。 常溫下，如果滑移面上的位錯運動受阻產(chǎn)生塞積，滑移常溫下，如果滑移面上的位錯運動受阻產(chǎn)生塞積，滑移不能進行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運動和不能進行，只有在更大的切應(yīng)力作用下位移重新運動和增殖（硬化）。增殖（硬化）。 但在高溫下，位錯可借助于外界提供的但在高溫下，位錯可借助于外界提供的熱激活能熱激活能和和空位空位擴散擴散克服某些短程障礙，從而產(chǎn)生變形（軟化）?？朔承┒坛陶系K，從而產(chǎn)生變形（軟化）。一、一、蠕變變形機制蠕變變形機制： 位錯滑移蠕變、擴散蠕變、晶界滑動蠕變位錯滑移蠕變、擴散蠕變、晶界滑動蠕變7高溫下的位錯熱激活主要是高溫下

7、的位錯熱激活主要是刃型位錯的攀移刃型位錯的攀移，模型見下圖：，模型見下圖：8（2）擴散蠕變）擴散蠕變 承受拉應(yīng)力（承受拉應(yīng)力（A、B晶界）的晶界，晶界）的晶界，空位濃度空位濃度增加增加； 承受壓應(yīng)力（承受壓應(yīng)力（C、D晶界）的晶界，晶界）的晶界，空位濃度減小?？瘴粷舛葴p小。 晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶晶體內(nèi)空位從受拉晶界向受壓晶界遷移，原子朝相反方向運動，界遷移，原子朝相反方向運動，使得晶體伸長使得晶體伸長擴散蠕變擴散蠕變。認為蠕變是高溫下大量原子認為蠕變是高溫下大量原子與空位定向移動造成的：與空位定向移動造成的：9（3）晶界滑動蠕變機制）晶界滑動蠕變機制晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變

8、形：晶界在外力的作用下，會發(fā)生相對滑動變形：在常溫下，可以忽略不計；在常溫下，可以忽略不計；但在高溫時，晶界的相對滑動可以引起明但在高溫時，晶界的相對滑動可以引起明顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。顯的塑性變形，產(chǎn)生蠕變。 10二、蠕變損傷與斷裂機制二、蠕變損傷與斷裂機制等強溫度以上工作的材料，晶粒不可過細。等強溫度以上工作的材料，晶粒不可過細。 等強溫度等強溫度蠕變斷裂多數(shù)為沿晶斷裂，由此可見蠕變造成的損傷主要發(fā)蠕變斷裂多數(shù)為沿晶斷裂，由此可見蠕變造成的損傷主要發(fā)生在晶界上。生在晶界上。變形速率提變形速率提高，等強溫高，等強溫度提高。度提高。11不同溫度及應(yīng)力條件下，不同溫度及應(yīng)力條件下，晶界裂紋的形

9、成晶界裂紋的形成方式有兩種：方式有兩種： （1）在三晶粒交會處形成楔形裂紋）在三晶粒交會處形成楔形裂紋在在高應(yīng)力和低溫高應(yīng)力和低溫下，晶界滑動在三晶粒交會處受阻，下，晶界滑動在三晶粒交會處受阻，造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。造成應(yīng)力集中形成空洞，空洞互相連接形成楔形裂紋。12 （2） 在晶界上由空洞形成晶界裂紋在晶界上由空洞形成晶界裂紋 較較低應(yīng)力和較高溫度低應(yīng)力和較高溫度下，在晶界形成空洞，空洞長大并下，在晶界形成空洞，空洞長大并連接形成裂紋。連接形成裂紋。13蠕變斷裂斷口的宏觀特征：蠕變斷裂斷口的宏觀特征：(1) 斷口附近產(chǎn)生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，斷斷口附近產(chǎn)

10、生塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，斷裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；裂機件表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象；(2) 由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。由于高溫氧化，斷口表面被一層氧化膜所覆蓋。 蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生（沿晶斷裂），所以晶界蠕變斷裂主要在晶界上產(chǎn)生（沿晶斷裂），所以晶界的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶的形態(tài)、晶界上的析出物和雜質(zhì)偏聚、晶粒大小和晶粒度的均勻性對蠕變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。粒度的均勻性對蠕變斷裂都會產(chǎn)生很大影響。微觀斷口特征：微觀斷口特征：主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。主要是冰糖狀花樣的沿晶斷裂形貌。147.3 高溫力學性能指標高溫力學性能指標 蠕變極限與持久強度

11、蠕變極限與持久強度 （1）蠕變極限）蠕變極限為保證在高溫長期載荷作用下的機件不致產(chǎn)生為保證在高溫長期載荷作用下的機件不致產(chǎn)生過量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。過量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。蠕變極限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變?nèi)渥儤O限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形抗力的指標，與常溫下的屈服強度相似。形抗力的指標，與常溫下的屈服強度相似。在規(guī)定溫度下，使蠕變速率為零時的最大應(yīng)力在規(guī)定溫度下，使蠕變速率為零時的最大應(yīng)力物理蠕變極限，但其無實際意義（值很物理蠕變極限，但其無實際意義（值很小），工程上用的是條件蠕變極限。?。?，工程上用的是條件蠕變極限。15條件蠕變極限條件蠕變極限

12、的表示方法有兩種：的表示方法有兩種：(1) 在規(guī)定溫度（在規(guī)定溫度（t）下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變）下，使試樣產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率速率 的最大應(yīng)力。的最大應(yīng)力。MPa606001015t/600，蠕變速率，蠕變速率=110-5%/h的蠕變極限為的蠕變極限為60MPa。MPa10050010/15500下，使材料在下，使材料在10萬小時內(nèi)產(chǎn)生萬小時內(nèi)產(chǎn)生1%伸長率的蠕變極限為伸長率的蠕變極限為100MPa。(2) 在規(guī)定溫度在規(guī)定溫度t和規(guī)定的試驗時間和規(guī)定的試驗時間內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的內(nèi)，使試樣產(chǎn)生的蠕變總應(yīng)變量為蠕變總應(yīng)變量為 的最大應(yīng)力。的最大應(yīng)力。t在使用上，選用哪種表示方法應(yīng)視蠕變速率

13、與服役時間而定。在使用上，選用哪種表示方法應(yīng)視蠕變速率與服役時間而定。16持久強度極限定義：材料在高溫長時載荷作用下的斷裂持久強度極限定義：材料在高溫長時載荷作用下的斷裂強度。強度。蠕變極限表征的是蠕變變形抗力，持久強度極限表征斷蠕變極限表征的是蠕變變形抗力，持久強度極限表征斷裂抗力，是兩種不同的性能指標。裂抗力，是兩種不同的性能指標。持久強度極限表示方法：持久強度極限表示方法：（2 2）持久強度極限）持久強度極限表示材料在表示材料在700經(jīng)經(jīng)1000小時后發(fā)生斷裂的應(yīng)力（即持久強度極小時后發(fā)生斷裂的應(yīng)力（即持久強度極限）為限）為300MPa。tMpa3007001013在規(guī)定溫度（在規(guī)定溫度

14、（t）下，達到規(guī)定的持續(xù)時間）下，達到規(guī)定的持續(xù)時間抵抗斷裂抵抗斷裂的最大應(yīng)力。的最大應(yīng)力。若若300 MPa或或1000 h，試件均發(fā)生斷裂。，試件均發(fā)生斷裂。17材料承受溫度驟變而不破壞的能力，稱為抗材料承受溫度驟變而不破壞的能力，稱為抗熱震性。熱震性。材料的熱震失效，可分為：材料的熱震失效，可分為： 熱震斷裂熱震斷裂：熱震引起的突然斷裂，熱震引起的突然斷裂，瞬時斷裂；瞬時斷裂； 熱震損傷熱震損傷：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)：在熱沖擊循環(huán)作用下，材料先出現(xiàn)開裂、剝落，然后碎裂和變質(zhì)，終至整體破壞。開裂、剝落，然后碎裂和變質(zhì)，終至整體破壞。7.6 7.6 陶瓷材料的抗熱震性陶瓷材料的抗熱

15、震性18（E，v，a分別為彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)。）分別為彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)。）對急劇受熱或冷卻的陶瓷材料，若溫差對急劇受熱或冷卻的陶瓷材料，若溫差Tc引起熱應(yīng)力達到引起熱應(yīng)力達到陶瓷材料斷裂強度陶瓷材料斷裂強度f，則發(fā)生熱震斷裂，抗熱震參數(shù)，則發(fā)生熱震斷裂，抗熱震參數(shù)R為：為：對緩慢加熱或冷卻的陶瓷材料，其抗熱震參數(shù)對緩慢加熱或冷卻的陶瓷材料，其抗熱震參數(shù)R為：為：一、抗熱震斷裂一、抗熱震斷裂（為熱導率）為熱導率）1920二、抗熱震損傷二、抗熱震損傷熱震環(huán)境中，材料的斷裂不完全由微裂紋控制，如在氣孔熱震環(huán)境中，材料的斷裂不完全由微裂紋控制，如在氣孔率為率為10-20%的非致密

16、性陶瓷中，熱震裂紋核往往受到氣孔的非致密性陶瓷中，熱震裂紋核往往受到氣孔的抑制。氣孔將鈍化裂紋尖端，減小應(yīng)力集中。因此，熱的抑制。氣孔將鈍化裂紋尖端，減小應(yīng)力集中。因此，熱震環(huán)境下，多孔陶瓷的抗熱震損傷優(yōu)于致密性高的陶瓷。震環(huán)境下，多孔陶瓷的抗熱震損傷優(yōu)于致密性高的陶瓷。基于斷裂力學，由能量原理可導出陶瓷的抗熱震損傷基于斷裂力學，由能量原理可導出陶瓷的抗熱震損傷參數(shù)為：參數(shù)為：21要提高陶瓷這兩類熱震破壞的能力，對材料性要提高陶瓷這兩類熱震破壞的能力，對材料性能的要求相反，這是由于二者破壞過程不同、能的要求相反，這是由于二者破壞過程不同、判據(jù)不同引起的：判據(jù)不同引起的：在在熱震斷裂熱震斷裂的情

17、況下，強度低的材料裂紋易于的情況下，強度低的材料裂紋易于成核，裂紋一旦成核，材料會瞬時斷裂，對抗成核，裂紋一旦成核，材料會瞬時斷裂，對抗熱震性不利。熱震性不利。在在熱震損傷熱震損傷的情況下，強度高的材料裂紋易于的情況下，強度高的材料裂紋易于擴展，對抗熱震性不利；擴展，對抗熱震性不利；所以前者應(yīng)提高強度，后者應(yīng)降低強度，才能所以前者應(yīng)提高強度，后者應(yīng)降低強度，才能得到優(yōu)良的抗熱震性。得到優(yōu)良的抗熱震性。227.8 應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛 應(yīng)力松弛是蠕變的結(jié)果：應(yīng)力松弛是蠕變的結(jié)果： 總形變量保持不變總形變量保持不變的條件的條件下，彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為塑性下，彈性應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)化為塑性應(yīng)變，從而應(yīng)力不斷減小。

18、應(yīng)變，從而應(yīng)力不斷減小。原始應(yīng)力松弛曲線原始應(yīng)力松弛曲線應(yīng)力松弛應(yīng)力松弛：材料保持總應(yīng)變不變，隨著時間的延長，：材料保持總應(yīng)變不變，隨著時間的延長，所加載的應(yīng)力卻自行下降的現(xiàn)象。所加載的應(yīng)力卻自行下降的現(xiàn)象。應(yīng)力松弛與蠕變本質(zhì)上是相同的。應(yīng)力松弛與蠕變本質(zhì)上是相同的。237.9 影響材料高溫性能的因素影響材料高溫性能的因素由蠕變斷裂機理可知：由蠕變斷裂機理可知： 要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須要降低蠕變速度提高蠕變極限，必須控制位錯控制位錯攀移攀移的速度；的速度； 要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須要提高斷裂抗力，即提高持久強度，必須抑制抑制晶界的滑動晶界的滑動。所以要提高材料的高溫力學性

19、能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界所以要提高材料的高溫力學性能，就應(yīng)控制晶內(nèi)及晶界的原子擴散過程。的原子擴散過程。原子擴散過程主要取決于材料成分、冶煉工藝及熱處理原子擴散過程主要取決于材料成分、冶煉工藝及熱處理工藝。工藝。24耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、耐熱鋼及合金的基體材料一般選用熔點高、自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。自擴散激活能大或?qū)渝e能低的金屬及合金。（1 1）合金化學成分的影響）合金化學成分的影響熔點愈高，金屬自擴散愈慢；熔點愈高，金屬自擴散愈慢；層錯能降低，易形成擴展位錯；層錯能降低，易形成擴展位錯；彌散相能強烈阻礙位錯的滑移與攀移；彌散相能強烈阻礙位錯的滑移與攀移；在合金中添

20、加能增加晶界擴散激活能的元素在合金中添加能增加晶界擴散激活能的元素，如硼、稀土等，則既能阻礙晶界滑動，又增，如硼、稀土等，則既能阻礙晶界滑動，又增大晶界裂紋面的表面能，因而對提高持久強度大晶界裂紋面的表面能，因而對提高持久強度極限非常有效。極限非常有效。25（2）冶煉工藝的影響）冶煉工藝的影響各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝的要求較高，各種耐熱鋼及高溫合金對冶煉工藝的要求較高，鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會使材料的持久強鋼中的夾雜物和某些冶金缺陷會使材料的持久強度極限降低。度極限降低。高溫合金對雜質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴格，即高溫合金對雜質(zhì)元素及氣體含量要求很嚴格，即使含量只有十萬分之一，當其在晶

21、界偏聚后，會使含量只有十萬分之一，當其在晶界偏聚后，會導致晶界的嚴重弱化，使熱彈性降低。導致晶界的嚴重弱化，使熱彈性降低。（3）熱處理工藝的影響）熱處理工藝的影響如：珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火如：珠光體耐熱鋼一般采用正火加高溫回火工藝，正火溫度較高，以促使工藝，正火溫度較高，以促使C化物充分溶于化物充分溶于奧氏體中，回火溫度高于使用溫度奧氏體中，回火溫度高于使用溫度100-150，以提高使用溫度下的組織穩(wěn)定性。以提高使用溫度下的組織穩(wěn)定性。26（4）晶粒度的影響）晶粒度的影響使用溫度低于等強溫度時，細晶粒鋼有較高使用溫度低于等強溫度時，細晶粒鋼有較高的強度；的強度；使用溫度高于等強溫度

22、時，粗晶粒鋼有較高使用溫度高于等強溫度時，粗晶粒鋼有較高的蠕變極限和持久強度極限，但晶粒太大會的蠕變極限和持久強度極限，但晶粒太大會降低高溫下的塑性與韌性；降低高溫下的塑性與韌性；晶粒度不均勻，會顯著降低其高溫性能，這晶粒度不均勻，會顯著降低其高溫性能，這是由于在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中形是由于在大小晶粒交界處易產(chǎn)生應(yīng)力集中形成裂紋。成裂紋。27實際工程結(jié)構(gòu)和零件總是在外加載荷和環(huán)境介質(zhì)的實際工程結(jié)構(gòu)和零件總是在外加載荷和環(huán)境介質(zhì)的聯(lián)合條件下工作的。聯(lián)合條件下工作的。環(huán)境介質(zhì)：水、水蒸汽、潮濕空氣、腐蝕性溶液、環(huán)境介質(zhì)：水、水蒸汽、潮濕空氣、腐蝕性溶液、有機溶劑、高溫液有機溶劑、高溫液(固

23、固)態(tài)金屬等。態(tài)金屬等。環(huán)境因素對材料力學性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)；環(huán)境因素對材料力學性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)；由環(huán)境效應(yīng)造成的破壞稱為環(huán)境斷裂。由環(huán)境效應(yīng)造成的破壞稱為環(huán)境斷裂。7.10 環(huán)境介質(zhì)作用下的力學性能環(huán)境介質(zhì)作用下的力學性能環(huán)境斷裂環(huán)境斷裂靜載荷作用下靜載荷作用下交變載荷作用下交變載荷作用下應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂腐蝕疲勞腐蝕疲勞氫脆斷裂氫脆斷裂延滯斷裂延滯斷裂靜載疲勞靜載疲勞28一、應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕（1） 應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件及其特點應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件及其特點應(yīng)力腐蝕（應(yīng)力腐蝕（Stress Corrosion Cracking, SCC）金屬在拉應(yīng)金屬在拉應(yīng)力和特定的化學介質(zhì)共

24、同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低力和特定的化學介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕的危險性在于它常發(fā)生在相當緩和的介質(zhì)和不大的應(yīng)力腐蝕的危險性在于它常發(fā)生在相當緩和的介質(zhì)和不大的應(yīng)力狀態(tài)下，往往事先沒有明顯的預兆，故常造成災難性的事應(yīng)力狀態(tài)下，往往事先沒有明顯的預兆，故常造成災難性的事故。故。產(chǎn)生條件：應(yīng)力、環(huán)境（介質(zhì)）產(chǎn)生條件：應(yīng)力、環(huán)境（介質(zhì)）和材料三者共存是產(chǎn)生應(yīng)力腐和材料三者共存是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必要條件。蝕的必要條件。29 造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠低于材料的屈服造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應(yīng)力強度，而且

25、一般是拉伸應(yīng)力(外加的或殘余拉應(yīng)力外加的或殘余拉應(yīng)力)； 應(yīng)力腐蝕造成脆性斷裂破壞，沒有明顯塑性變形；應(yīng)力腐蝕造成脆性斷裂破壞，沒有明顯塑性變形； 對每一種金屬或合金，只有在特定的介質(zhì)中才會發(fā)對每一種金屬或合金，只有在特定的介質(zhì)中才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕，即存在應(yīng)力腐蝕開裂敏感的材料生應(yīng)力腐蝕，即存在應(yīng)力腐蝕開裂敏感的材料/環(huán)境環(huán)境組合。組合。 應(yīng)力腐蝕斷裂速度約為應(yīng)力腐蝕斷裂速度約為10-810-6ms數(shù)量級的范圍數(shù)量級的范圍內(nèi)，遠大于沒有應(yīng)力時的腐蝕速度，又遠小于單純內(nèi)，遠大于沒有應(yīng)力時的腐蝕速度，又遠小于單純力學因素引起的斷裂速度。力學因素引起的斷裂速度。應(yīng)力腐蝕的特點：應(yīng)力腐蝕的特點：30堿脆

26、、硝脆堿脆、硝脆氯脆氯脆氨脆氨脆31（2 2）應(yīng)力腐蝕斷裂機理）應(yīng)力腐蝕斷裂機理 應(yīng)力腐蝕斷裂過程：應(yīng)力腐蝕斷裂過程： 孕育階段裂紋亞穩(wěn)擴展階段裂紋失穩(wěn)擴展階段孕育階段裂紋亞穩(wěn)擴展階段裂紋失穩(wěn)擴展階段 應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機理是應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機理是滑移溶解理論滑移溶解理論32（3 3）應(yīng)力腐蝕性能指標）應(yīng)力腐蝕性能指標 方法：用方法：用光滑試樣光滑試樣在拉應(yīng)力和化學介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā)在拉應(yīng)力和化學介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā)生斷裂的持續(xù)時間來評定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。生斷裂的持續(xù)時間來評定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。 測試過程：采用一組相同試樣，在不同應(yīng)力水平作用下測定測試過程：采用一組

27、相同試樣，在不同應(yīng)力水平作用下測定其斷裂時間其斷裂時間tf，作出，作出-tf曲線。曲線。 scc可研究合金元素、組織結(jié)可研究合金元素、組織結(jié)構(gòu)及化學介質(zhì)對材料應(yīng)力腐蝕構(gòu)及化學介質(zhì)對材料應(yīng)力腐蝕敏感性的影響。敏感性的影響。scc不能反映帶裂紋的機件抗應(yīng)力腐蝕的性能不能反映帶裂紋的機件抗應(yīng)力腐蝕的性能不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力為臨界應(yīng)力為scc33對于含有裂紋的金屬部件，利用線彈性斷裂力學研究對于含有裂紋的金屬部件，利用線彈性斷裂力學研究其應(yīng)力腐蝕性能，得到兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標：其應(yīng)力腐蝕性能，得到兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標：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

28、KISCC和和應(yīng)力腐蝕裂紋擴應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率展速率da/dt。（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試驗表明：在恒定載荷和特定化學介質(zhì)作用下，試驗表明：在恒定載荷和特定化學介質(zhì)作用下，帶有預制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的帶有預制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時間與初始應(yīng)力場強度因子時間與初始應(yīng)力場強度因子KI初初有關(guān)，得有關(guān)，得KI初初tf曲曲線。線。裂紋體的應(yīng)力腐蝕性能指標：裂紋體的應(yīng)力腐蝕性能指標：34K初初KSCCKI SCC表示試樣在特定化學表示試樣在特定化學介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場強度因子。的最大應(yīng)

29、力場強度因子。對于某種材料在一定的介對于某種材料在一定的介質(zhì)下，其質(zhì)下，其KI SCC為一常數(shù)。為一常數(shù)。應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)：應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子強度因子KI SCC （鈦合金在3.5%NaCl水溶液中的應(yīng)力腐蝕試驗）35 當應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的當應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的KIKISCC時，時，裂紋就會不斷擴展。裂紋就會不斷擴展。 應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率（da/dt）單位時間內(nèi)裂紋的擴展量，與單位時間內(nèi)裂紋的擴展量，與KI有關(guān)。有關(guān)。1) I區(qū)：區(qū)：KI剛超過剛超過KSCC，裂紋經(jīng)過一段孕育期后，突然加速，關(guān)，裂紋經(jīng)過一段孕育期后

30、，突然加速，關(guān)系曲線幾乎與縱坐標平行。系曲線幾乎與縱坐標平行。2) 區(qū)：區(qū)：da/dt與與KI幾乎無關(guān)，因為這時裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象，幾乎無關(guān)，因為這時裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象，裂紋擴展主要受電化學過程控制。該段越長，表明抗應(yīng)力腐蝕裂紋擴展主要受電化學過程控制。該段越長，表明抗應(yīng)力腐蝕性能越好；性能越好；3) 區(qū)：裂紋長度接近臨界尺寸，區(qū)：裂紋長度接近臨界尺寸，da/dt隨隨KI增大而急劇增大。增大而急劇增大。da/dt=f(K)曲線分三區(qū)段：曲線分三區(qū)段：（二）應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率（二）應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt36 對一開有單邊缺口的大試樣，在持久載荷對一開有單邊缺口的大試樣，在持久載荷作

31、用下的裂紋擴展率進行了觀察，發(fā)現(xiàn)材料在作用下的裂紋擴展率進行了觀察，發(fā)現(xiàn)材料在腐蝕介質(zhì)加速下呈腐蝕介質(zhì)加速下呈階段和階段和階段，無階段，無階段。階段。當預制裂紋半長當預制裂紋半長a為為3mm時，在時，在50MPa載荷下載荷下裂紋剛好擴展；當裂紋半長擴展至裂紋剛好擴展；當裂紋半長擴展至5mm時，進時，進入入階段，其中階段，其中da/dt210-6mm/s，問材料，問材料KSCC是多少？裂紋在第是多少？裂紋在第階段能經(jīng)歷多長時階段能經(jīng)歷多長時間？材料的間？材料的KC20MPa.m1/2（提示：單邊裂紋（提示：單邊裂紋 ）例例 題：題：1.12IKa 37（4） 防止應(yīng)力腐蝕的措施防止應(yīng)力腐蝕的措施

32、合理選擇金屬材料合理選擇金屬材料 選擇耐應(yīng)力腐蝕的材料以及盡可能選擇選擇耐應(yīng)力腐蝕的材料以及盡可能選擇KIscc較高的合金，如較高的合金，如氨氣鋼瓶的閥門用不銹鋼代替其他氣體鋼瓶常用的銅合金。氨氣鋼瓶的閥門用不銹鋼代替其他氣體鋼瓶常用的銅合金。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)力腐蝕的重要原因，可以通過退火處理殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要原因，可以通過退火處理消除殘余拉應(yīng)力，或在機件表面通過噴丸產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力。消除殘余拉應(yīng)力，或在機件表面通過噴丸產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力。改善化學介質(zhì)改善化學介質(zhì) 減少或消除促進應(yīng)力腐蝕斷裂的離子，或者填加緩蝕劑提高

33、減少或消除促進應(yīng)力腐蝕斷裂的離子，或者填加緩蝕劑提高金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。采用電化學保護采用電化學保護 改變金屬在腐蝕介質(zhì)中的電位，阻止表面形成腐蝕微電池。改變金屬在腐蝕介質(zhì)中的電位，阻止表面形成腐蝕微電池。38二、二、 氫氫 脆脆定義定義：由于氫與應(yīng)力的共同作用而導致金屬材料產(chǎn)生脆由于氫與應(yīng)力的共同作用而導致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂，簡稱氫脆。性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂，簡稱氫脆。1）、原子態(tài)氫）、原子態(tài)氫 氫以間隙原子狀態(tài)固溶于金屬中，溶解度隨溫度下降而降低。氫以間隙原子狀態(tài)固溶于金屬中，溶解度隨溫度下降而降低。2）、分子態(tài)氫）、分子態(tài)氫 氫原

34、子在金屬中通過擴散聚集于空洞、氣泡和裂紋等處，形成氫原子在金屬中通過擴散聚集于空洞、氣泡和裂紋等處，形成氫分子。氫分子。3）、氫化物）、氫化物 氫原子與基體金屬成分組成氫化物，與碳在一定溫度下生成氣體氫原子與基體金屬成分組成氫化物，與碳在一定溫度下生成氣體產(chǎn)物。產(chǎn)物。氫在金屬中的存在形式氫在金屬中的存在形式：391、氫脆類型及其特征、氫脆類型及其特征(1) 氫蝕氫蝕 由于氫與金屬中的第二相在一定溫度下生成高壓氣體，由于氫與金屬中的第二相在一定溫度下生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導致金屬脆化。使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導致金屬脆化。 斷口特征呈氧化色、顆粒狀，微觀斷口的晶界加寬，斷口特

35、征呈氧化色、顆粒狀，微觀斷口的晶界加寬，出現(xiàn)沿晶斷裂。出現(xiàn)沿晶斷裂。反應(yīng)式：反應(yīng)式：C（Fe）+4H CH4或：或：Fe3C 3Fe+C，C+2H2 CH4 氫在金屬中存在的狀態(tài)不同以及氫與金屬交互作用性質(zhì)的不同，氫在金屬中存在的狀態(tài)不同以及氫與金屬交互作用性質(zhì)的不同，氫可通過不同的機制使金屬脆化，因而氫脆的種類很多。氫可通過不同的機制使金屬脆化，因而氫脆的種類很多。常見的幾種氫脆及其特征：常見的幾種氫脆及其特征：40(2) 白點（發(fā)紋）白點（發(fā)紋） 隨著溫度降低，鋼中的過飽和的氫未能擴散逸出，隨著溫度降低，鋼中的過飽和的氫未能擴散逸出，聚集于缺陷處形成氫分子，體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力聚集于缺

36、陷處形成氫分子，體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力足夠大時將導致金屬局部撕裂，出現(xiàn)微裂紋。這種微裂足夠大時將導致金屬局部撕裂，出現(xiàn)微裂紋。這種微裂紋的斷面呈銀白色的圓形或橢圓形，稱為白點。紋的斷面呈銀白色的圓形或橢圓形，稱為白點。(3) 氫化物致脆氫化物致脆 IVB族或族或VB族金屬（族金屬（Ti、 Ni、V、Zr、Nd及其合金）與及其合金）與H有較大的親和力，容易生成脆性氫化物，使金屬脆化。有較大的親和力，容易生成脆性氫化物，使金屬脆化。在這種情況下，裂紋一般沿氫化物和基體的界面擴展。在這種情況下，裂紋一般沿氫化物和基體的界面擴展。41(4) (4) 氫致延滯斷裂氫致延滯斷裂高強度鋼或鈦合金中，含有適

37、量的處于固溶狀態(tài)的高強度鋼或鈦合金中，含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段氫，在低于屈服強度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段時間孕育后，在金屬內(nèi)部特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形時間孕育后，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，最后突然發(fā)生脆性斷裂。成裂紋，裂紋逐步擴展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂，延滯斷裂，工程上的氫脆多為此類工程上的氫脆多為此類。42氫致延滯斷裂特點：氫致延滯斷裂特點： a）只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強鋼在室溫下）只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強鋼在室

38、溫下最敏感；最敏感； b) 提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性降低；提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性降低； c) 能顯著降低金屬材料的斷后伸長率，但含氫量能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，斷后伸長率不再變化；而斷面超過一定數(shù)值后，斷后伸長率不再變化；而斷面收縮率則隨含氫量的增加不斷下降，且材料強度收縮率則隨含氫量的增加不斷下降，且材料強度越高，下降越劇烈；越高，下降越劇烈； d)高強度鋼的氫致延滯斷裂具有可逆性。高強度鋼的氫致延滯斷裂具有可逆性。高強度鋼的氫脆斷裂形貌與脆性斷口相似，微觀高強度鋼的氫脆斷裂形貌與脆性斷口相似，微觀形貌一般是沿晶斷裂，且晶界面上有許多撕裂棱。形

39、貌一般是沿晶斷裂，且晶界面上有許多撕裂棱。43442、防止氫脆的措施、防止氫脆的措施（1）、環(huán)境因素）、環(huán)境因素 設(shè)法切斷氫進入金屬的途徑，如表面涂層。設(shè)法切斷氫進入金屬的途徑，如表面涂層。（2）、力學因素）、力學因素 在設(shè)計和加工過程中應(yīng)排除產(chǎn)生各種殘余拉應(yīng)力的因素。在設(shè)計和加工過程中應(yīng)排除產(chǎn)生各種殘余拉應(yīng)力的因素。（3）、材質(zhì)因素）、材質(zhì)因素（a）含）含S、C、P 較少的鋼，氫脆的敏感性較低；較少的鋼，氫脆的敏感性較低；（b）鋼強度越高，對氫越敏感；）鋼強度越高，對氫越敏感；（c）球狀珠光體對氫的敏感性較低；）球狀珠光體對氫的敏感性較低；（d）細化晶粒度有助于提高抗氫脆能力；）細化晶粒度有助于提高抗氫脆能力；（e）冷變形使氫脆敏感性增大。）冷變形使氫脆敏感性