金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

1、金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂第六章 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，如國與周圍環(huán) 境中各種化學(xué)介質(zhì)或氫相接觸，便會產(chǎn)生特殊 的斷裂現(xiàn)象，其中主要有應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆 斷裂等。 6.1 應(yīng)力腐蝕 6.2 氫脆6.1 應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件二、應(yīng)力腐蝕斷裂機理及斷口形貌特征三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)四、防止應(yīng)力腐蝕的措施 一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件 1. 應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象 金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)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，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂(Stress Corrosion Cracking，縮寫辦SCC)。 2. 產(chǎn)生條件 應(yīng)力、化

2、學(xué)介質(zhì)和金屬材料三者是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件。 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。 化學(xué)介質(zhì) 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 一般認(rèn)為，純金屬不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性。二、應(yīng)力腐蝕斷裂機理及斷口形貌特征 （一） 應(yīng)力腐蝕斷裂機理 關(guān)于在應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)聯(lián)合作用下裂紋的形成和擴展問題，有多種理論，至今尚未得到統(tǒng)一的見解。下面著重介紹以 陽極溶解為基礎(chǔ)的鈍 化膜破壞理論。如圖 6-1所示。 （二）. 應(yīng)力腐蝕斷口特征 應(yīng)力腐蝕的顯微裂紋如 圖6-2所示，常有分叉現(xiàn)象， 呈枯樹枝狀。這表明，在應(yīng) 力腐蝕時，有一主裂紋擴展 較快

3、，其它分支裂紋擴展較 慢。根據(jù)這一特征可以將應(yīng) 力腐蝕與腐蝕疲勞、晶間腐 蝕以及其它形式的斷裂區(qū)分 開來。 斷口的微觀形貌丁般為沿晶斷裂，也可能為穿晶解理斷裂。其表面可見到“泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物(圖6-4a)及腐蝕坑(圖6-4b)。三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo) 通常用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)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。如圖6-5， 從而求出該種材料不 發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界 應(yīng)力，據(jù)此來研究合 金元素、組織結(jié)構(gòu)及 化學(xué)介質(zhì)對材料應(yīng)力 腐蝕敏感性的影響。 （一） 應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子Kscc 圖6-5為某種鈦合金的預(yù)制裂紋試樣在恒載荷下，于3.5%NaCl水溶液

4、中進行應(yīng)力腐蝕試驗的結(jié)果。 試樣在特定化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的、最大應(yīng)力場強 度因子稱為應(yīng) 力腐蝕臨界應(yīng) 力場強度因子 (或稱為應(yīng)力腐 蝕門檻值)，以 表示。sccK 對于含有裂紋的機件，當(dāng)作用于裂紋尖端的初始應(yīng)力場強度因 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。因此 為金屬材料在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)。 測定金屬材料的 值可用恒載荷或恒位移法。 其中以恒載荷的懸臂梁彎 曲試驗法最常用。 如圖6-7所示。 sccK初KsccKsccK初K （二） 應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt 當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的 時，裂紋就會不斷擴展。單位時間內(nèi) 裂紋的擴展量叫做應(yīng)力腐 蝕

5、裂紋擴展速率，用da/dt 表示。實驗證明，da/dt 與 K有關(guān)。即 在 lg(da/dt )K坐標(biāo) 圖上，其關(guān)系曲線如圖6-7 所示。KsccKKfdtda/ 曲線可分為三個階段: 第階段 當(dāng) K 剛超過 時，裂紋經(jīng)過一段孕育期后突然加速擴展，da/dt K曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行。 第階段 曲線出現(xiàn)水平線段，da/dt 與 K 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(xué)過程控制。 第階段 裂紋長度已接近臨界尺寸，da/dt 又明顯地依賴于 K，da/dt 隨 K增大而急劇增大。這時材料進入失穩(wěn)擴展的過渡區(qū)。當(dāng) K 達到 時便失穩(wěn)擴展而斷裂。 第階段時間越長，材料抗應(yīng)力腐蝕

6、性能越好。 sccKsccK 四、防止應(yīng)力腐蝕的措施 從產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕條件可知，防止應(yīng)力腐蝕的措施，主要是合理選擇金屬材料，減少或消除機件中殘余拉應(yīng)力及改變化學(xué)介質(zhì)條件。 1.合理選擇金屬材料 2.減少或消除機件中的殘余拉應(yīng)力 3.改善化學(xué)介質(zhì) 4.采用電化學(xué)保護 6.2 氫脆一、氫在金屬中的存在形式二、氫脆類型及其特征三、鋼的氫致延滯斷裂機理四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系五、防止氫脆的措施一、氫在金屬中的存在形式 由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂(簡稱氫脆)。 金屬中氫的來源可分為“內(nèi)含的”和“外來的”兩種。前者是指金屬在熔煉過程中及隨后的加工制造過程(如

7、焊接、酸洗、電鍍等，中吸收的氫；后者則是金屬機件在服役時環(huán)境介質(zhì)中含有的氫。 氫在金屬中可以有幾種不同的存在形式。二、氫脆類型及其特征 1. 氫腐蝕 2. 白點（發(fā)裂） 3. 氫化物致脆 4. 氫致延滯斷裂 1. 氫腐蝕 這是由于氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。 對碳鋼來說，溫度低于220時，不產(chǎn)生氫蝕。 氫蝕斷裂的宏觀斷口形貌呈氧化色，顆粒狀。微觀斷口上品界明顯加寬，呈沿晶斷裂。 2. 白點（發(fā)裂） 當(dāng)鋼中含有過量的氫肘，隨著溫度降低，氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和的氫未能擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時。氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓

8、力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。這種微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色。故稱為白點。 圖6-9為10CrNiMoV鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷面上的白點形貌 3. 氫化物致脆 對于B或BV族金屬（如純鈦、鐵合金、釩、鋯、鈮及其合金）。由于它們與氫有較大的親和力，極易生成氫化物，便金屬脆化。 金屬材料對氫化物造成的氫脆敏感性隨溫度降低及機件上缺口的尖銳程度增加而增加。 氫化物的形狀和分布對金屬的變脆有明顯影響。若晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀，極易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。危害很大，若晶粒較細(xì)，氫化物多呈塊狀不連續(xù)分布，對金屬危害不太大。4. 氫致延滯斷裂 高強度鋼或+鈦合金中，含有適量的處于固溶

9、狀態(tài)的氫(原來存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收的)，在低于屈服強度的應(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。這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。 這類氫脆的特點是： 只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強度鋼多 出現(xiàn)在-100150之間，而以室溫下最敏感； 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才能顯示這類脆性； 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，且材料強度愈高，下降愈劇烈。三、鋼的氫致延滯斷裂機理 高強度鋼對氫

10、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、裂紋亞穩(wěn) 擴展階段及失穩(wěn)擴展階段。 新裂紋與原裂紋的尖端相匯 合，裂紋便擴展一段距離，隨后 又停止，如圖6-9a所示。 氫脆裂紋步迸式擴展的過程 可通過圖6-9b所示的裂紋擴展 過程中電阻的變化來證實。 四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系 應(yīng)力腐蝕與氫致延滯斷裂都是由于應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象，兩者關(guān)系十分密切。圖6-13所示為鋼在特定化學(xué)介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕與氫致延滯斷裂的電化學(xué)原理圖。 五、防止氫脆的措施 氫致延滯斷裂與環(huán)境因素、力學(xué)因素及材質(zhì)因素三方面有關(guān)，因此可從這三個方面來防止。 1.環(huán)境因素 2.力學(xué)因素