材料的力學(xué)性能09

1、第九章 環(huán)境介質(zhì)作用下的金屬力學(xué)性能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。 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。由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂；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，或稱靜疲勞；如果在腐蝕介質(zhì)中承受交變應(yīng)力作用，則產(chǎn)生腐蝕疲勞。(一) 應(yīng)力腐蝕現(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（常用英文的三個字頭SCC表示）。一 .應(yīng)力腐蝕

2、現(xiàn)象及其特征第一節(jié) 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H

3、2S，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10-1 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（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和裂紋擴展這兩個過程. 一般認為 裂紋形成約占全部時間的90%左右. 裂紋擴展僅占10%左右。應(yīng)力腐蝕斷裂可以是沿晶斷裂，也可以是穿晶斷裂。 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，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

4、展區(qū)的斷口常有放射花樣或人字紋, 光亮色。二 斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕中的應(yīng)用應(yīng)力腐蝕斷裂是一種與時間有關(guān)的延滯斷裂。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。 當裂紋前端的應(yīng)力場強度因子KI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，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，毫米 Y 裂紋形狀系數(shù)?；颍ㄒ唬㎏ISCC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），此時的K1就叫做應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度

5、因子，并以KISCC表示。 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，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)。即第階段，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。 第階段，裂紋長度已接近臨界尺寸， da/dt又明顯地依賴KI

6、， 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 應(yīng)力腐蝕斷裂機理（二）改變介質(zhì)條件（三）選用合適的合金材料（四）采用電化學(xué)保護四 預(yù)防機件應(yīng)力腐蝕斷裂的措施（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)稱為氫脆斷裂或氫致開裂。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，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，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

7、壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆。第二節(jié) 氫 脆（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”。（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，臨界值Kth就叫門檻值。

8、（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 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 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 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。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)。對應(yīng)力腐蝕來說，有一臨界應(yīng)力強度因子KISCC ，這是材料固有的性能，當外加應(yīng)力強度因子KIKISCC，材料不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴