應(yīng)力腐蝕和氫脆課件

第六單元金屬在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能第六單元金屬在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能1金屬工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，這些斷裂形式大多為低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險性。本單元主要介紹應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞產(chǎn)生的原因、斷裂特征和影響因素等，介紹金屬材料抵抗應(yīng)力腐蝕、氫脆和疲勞腐蝕斷裂的力學(xué)性能指標及防止其斷裂的措施。金屬工件在加工過程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在服役過程中又2模塊一應(yīng)力腐蝕能力知識點1應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象模塊一應(yīng)力腐蝕能力知識點1應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象3一、應(yīng)力腐蝕金屬在應(yīng)力和特定化學(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(StressCorrosionCrack，縮寫為SCC)。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度一般在50～300℃之間。

危害：緩和的介質(zhì)＋較小的應(yīng)力1.導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的介質(zhì)為不腐蝕或輕微腐蝕；2.導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的應(yīng)力為極小應(yīng)力。一、應(yīng)力腐蝕金屬在應(yīng)力和特定化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間4應(yīng)力腐蝕和氫脆課件5SCC在石油、化工、航空、原子能等行業(yè)中都受到廣泛的重視，如發(fā)電廠中的汽輪機葉片、鋼結(jié)構(gòu)橋梁、輸氣輸油管道、飛機零部件等，均有發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性。1967年12月，美國西弗吉尼亞州和俄亥俄州之間的俄亥俄大橋突然倒塌，死46人。事故調(diào)查的結(jié)果就是因為應(yīng)力＋大氣中微量H2S導(dǎo)致鋼梁產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕所致。解放初期黃銅子彈殼開裂現(xiàn)象：原因是潤滑用肥皂水中含微量銨離子。SCC在石油、化工、航空、原子能等行業(yè)中都受到廣泛的重視，如6二、應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件（1）只有在拉伸應(yīng)力作用下才能引起應(yīng)力腐蝕開裂(近年來，也發(fā)現(xiàn)在不銹鋼中可以有壓應(yīng)力引起)。這種拉應(yīng)力可以是外加載荷造成的應(yīng)力，但主要是各種殘余應(yīng)力，如焊接殘余應(yīng)力、熱處理殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力等。據(jù)統(tǒng)計，在應(yīng)力腐蝕開裂事故中，由殘余應(yīng)力所引起的占80%以上，而由工作應(yīng)力引起的則不足20%。二、應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件（1）只有在拉伸應(yīng)力作用下才能引起應(yīng)力7第一次世界大戰(zhàn)期間，用H70經(jīng)過深沖成形的黃銅彈殼，在戰(zhàn)場上出現(xiàn)了大量破裂現(xiàn)象。經(jīng)研究表明，經(jīng)沖壓加工后，黃銅彈殼內(nèi)存在殘余內(nèi)應(yīng)力,在戰(zhàn)場含氨氣或二氧化硫等環(huán)境介質(zhì)中,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂或季節(jié)裂紋（季裂）。這個問題可通過在240～260℃退火,消除殘余應(yīng)力來解決。第一次世界大戰(zhàn)期間，用H70經(jīng)過深沖成形的黃銅彈殼，在8（2）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)一般都是特定的，也就是說，每種材料只對某些介質(zhì)敏感，而這種介質(zhì)對其它材料可能沒有明顯作用，例如，黃銅在氨氣氛中、不銹鋼在具有氯離子的腐蝕介質(zhì)中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，但反應(yīng)過來不銹鋼對氨氣、黃銅對氯離子就不敏感。（2）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)一般都是特定的，也就是說，每種材料只9金屬材料化學(xué)介質(zhì)金屬材料化學(xué)介質(zhì)低碳鋼、低合金鋼NaOH溶液、沸騰硝酸鹽溶液，海水，H2S水溶液，海洋性和工業(yè)性氣氛鋁合金氯化物溶液，海水及海洋性大氣，潮濕性工業(yè)氣氛奧氏體不銹鋼酸性和中性氯化物溶液，海水及海洋大氣，熱NaCl、H2S水溶液，嚴重污染的工業(yè)大氣等銅合金氨蒸汽、含氨氣氛，含氨離子的水溶液、水蒸汽，濕H2S，氨溶液鎳基合金熱濃NaOH溶液，HF溶液和蒸汽鈦合金發(fā)煙硝酸，300℃以上的氯化物，潮濕性空氣及海水金屬材料化學(xué)介質(zhì)金屬材料化學(xué)介質(zhì)低碳鋼、低合金鋼NaOH溶液10（3）一般認為，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，合金也只有在拉伸應(yīng)力與特定腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。但在每—種合金系列中，都有對應(yīng)力腐蝕敏感的合金成分。例如，鋁鎂合金中當(dāng)鎂的質(zhì)量分數(shù)大于4％，對應(yīng)力腐蝕很敏感；而鎂的質(zhì)量分數(shù)小于4％時，則無論熱處理條件如何，它幾乎都具有抗應(yīng)力腐蝕的能力。（3）一般認為，純金屬不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對應(yīng)力腐蝕都11能力知識點2

應(yīng)力腐蝕的斷裂特征能力知識點2應(yīng)力腐蝕的斷裂特征12基本的是滑移-溶解理論（或稱鈍化模破壞理論）和氫脆理論。一、應(yīng)力腐蝕斷裂機理基本的是滑移-溶解理論（或稱鈍化模破壞理論）和氫脆理論。一、13鈍化膜拉應(yīng)力鈍化膜破裂形成蝕坑應(yīng)力集中裂紋將逐步向縱深發(fā)展斷裂鈍化膜拉應(yīng)力14應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。應(yīng)力腐蝕的裂紋擴展速率較小，有點象疲勞，是漸進緩慢的，這種亞臨界的擴展?fàn)顩r一直達到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發(fā)生斷裂。一、特征應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。一、特征15應(yīng)力腐蝕斷裂速度為0.01～3mm/h，遠遠大于無應(yīng)力存在下的局部腐蝕速度（如孔蝕等），但又比單純力學(xué)斷裂速度小得多。例如，鋼在海水中的SCC斷裂速度為孔蝕的106倍，而比純力學(xué)斷裂速度幾乎低10個數(shù)量級，這主要由于純力學(xué)斷裂通常對應(yīng)的應(yīng)力水平要高得多。應(yīng)力腐蝕斷裂速度為0.01～3mm/h，遠遠大于無應(yīng)力存在下16應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但不要形成絕對化的概念，應(yīng)力腐蝕裂紋并不總是分枝的。應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物（泥狀花樣），或腐蝕坑。而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。二、斷口形貌特征應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉17枯枝狀枯枝狀18泥狀花狀泥狀花狀19奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕斷口奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕斷口20

1Cr18Ni9Ti鋼應(yīng)力腐蝕的解理斷口(SEM)a)解理斷口b)扇形狀或羽毛狀的痕跡1Cr18Ni9Ti鋼應(yīng)力腐蝕的解理斷口(SEM)21應(yīng)力腐蝕和氫脆課件22能力知識點3應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法能力知識點3應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法23現(xiàn)在對應(yīng)力腐蝕的研究，都是采用預(yù)制裂紋的試樣。將這種試樣放在一定介質(zhì)中，在恒定載荷下，測定由于裂紋擴展引起的應(yīng)力強度因子K隨時間的變化關(guān)系，據(jù)此得出材料的抗應(yīng)力腐蝕特性。1.應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子（或應(yīng)力腐蝕門檻值）KⅠSCC現(xiàn)在對應(yīng)力腐蝕的研究，都是采用預(yù)制裂紋的試樣。將這種試樣放在24Ti-8Al-1Mo-1V預(yù)制裂紋試祥的KⅠ-tf曲線鈦合金（Ti-8Al-1Mo-1V）的預(yù)制裂紋試祥在恒載荷作用下，于3.5％Nacl水溶液中進行應(yīng)力腐蝕試驗的結(jié)果。Ti-8Al-1Mo-1V預(yù)制裂紋試祥的KⅠ-tf曲線鈦25該合金的KⅠc＝100MPa.m1/2，在3.5％鹽水中，當(dāng)初始KⅠ值僅為40MPa.m1/2時，僅幾分鐘試樣就破壞了。如果將KⅠ值稍微降低，則破壞時間可大大推遲。當(dāng)KⅠ值降低到某一臨界值（圖中為38MPa.m1/2）時，應(yīng)力腐蝕開裂實際上就不發(fā)生了。這一KⅠ值稱之為應(yīng)力腐蝕臨界場強度因子，也稱應(yīng)力腐蝕門檻值，以KⅠSCC表示(SCC表示應(yīng)力腐蝕斷裂)。該合金的KⅠc＝100MPa.m1/2，在3.5％鹽水中，當(dāng)26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，也稱為應(yīng)力腐蝕門檻值。表示含有宏觀裂紋的材料在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌度。一定的材料與介質(zhì)，KISCC值恒定。是金屬材料的一個力學(xué)性能指標。應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCC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，27對含有裂紋的金屬材料，應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)：當(dāng)作用于裂紋尖端的初始應(yīng)力場強度因子：

KⅠ初>KⅠSCCKⅠ初<KⅠSCC

安全斷裂對含有裂紋的金屬材料，應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)：安全斷裂28二、KⅠSCC值的測定測定金屬材料的KⅠSCC值可用恒載荷法或恒位移法。恒載荷法：使KⅠ不斷增大的方法，最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗裝置恒位移法：使KⅠ不斷減少,用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。二、KⅠSCC值的測定測定金屬材料的KⅠSCC值可用恒載荷法29懸臂梁彎曲試驗示意圖1-砝碼2-溶液槽3-試樣式中M——裂紋截面上的彎矩，M＝F·L。

B——試樣厚度。

W——試樣寬度。a——裂紋長度。懸臂梁彎曲試驗示意圖式中M——裂紋截面上的彎矩，M30應(yīng)力腐蝕和氫脆課件31能力知識點3提高應(yīng)力腐蝕抗力的措施能力知識點3提高應(yīng)力腐蝕抗力的措施32降低和消除應(yīng)力在加工(如熱處理、焊接、電鍍等)和裝配過程中，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，或者在加工中采取必要的消除應(yīng)力措施。制備和裝配時盡量使結(jié)構(gòu)具有最小的應(yīng)力集中系數(shù)，并使其與介質(zhì)接觸部分具有最小的殘余拉應(yīng)力。降低和消除應(yīng)力在加工(如熱處理、焊接、電鍍等)和裝配過程中，33合理選擇金屬材料碳鋼對SCC的敏感性低，是一種抗SCC的常用材料。抗SCC的不銹鋼，主要有高硅奧氏體鉻鎳鋼，鎳鉻鐵素體鋼和鐵素體—奧氏體雙相鋼等抗SCC性能更為優(yōu)越。在鋁合金中，LDl0、LYl2、LF21、ZLl01等：在鈦合金中，Ti-10V-2Fe-3A1、Ti-2A1-4M0-4Zr等，都具有較高的抗SCC性能。合理選擇金屬材料碳鋼對SCC的敏感性低，是一種抗SCC的常用34改善化學(xué)介質(zhì)控制環(huán)境，改善使用條件，除去介質(zhì)中危害性大的化學(xué)成分。例如把水中氧降低到1×10-6以下；使用離子交換樹脂去除氯離子等?？刂茰囟龋共牧瞎ぷ髟谠擉w系的臨界溫度以下，以抑制SCC的發(fā)生。采用外加電流陰極保護法也可以防止SCC的發(fā)生，而且在裂紋形成后還可使其停止發(fā)展。改善化學(xué)介質(zhì)控制環(huán)境，改善使用條件，除去介質(zhì)中危害性大的化學(xué)35采用電化學(xué)保護一般采用陰極保護法，但高強度鋼或其它氫脆敏感的材料不宜采用。采用電化學(xué)保護一般采用陰極保護法，但高強度鋼或其它氫脆敏感的36SCC像晶間腐蝕一樣，能導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)的臨界載荷破裂失效。在飛機制造時，安裝和裝配應(yīng)力也應(yīng)該消除。材料選擇和過程也能預(yù)防SCC，選擇較小SCC傾向的鋁合金是關(guān)鍵。必須采用經(jīng)過長時間時效處理、延展的和消除了應(yīng)力的鋁合金。同樣，利用開發(fā)的用于減少應(yīng)力腐蝕開裂的恰當(dāng)?shù)匿X回火熱處理也很重要。F/A－18艦載機SCC像晶間腐蝕一樣，能導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)的臨界載荷破裂失效。在飛37模塊二氫脆模塊二氫脆38能力知識點1氫脆和氫的來源

能力知識點1氫脆和氫的來源39氫脆(Hydrogenembrittlement—HE)又稱氫致開裂或氫損傷，是由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生塑性下降、斷裂或損傷的現(xiàn)象。從力學(xué)性能上看，氫脆有以下表現(xiàn)：氫對金屬材料的強度指標影響不大，但使斷面收縮率嚴重下降，疲勞壽命明顯縮短，沖擊韌性值顯著降低，在低于斷裂強度的拉伸應(yīng)力作用下，材料經(jīng)過一段時期后會突然脆斷。一、什么是氫脆脆氫脆(Hydrogenembrittlement—HE)40在近代工業(yè)發(fā)展中，大量的實踐證明，幾乎所有的金屬材料都有程度不同的氫脆傾向，高強度鋼含氫不到百萬分之一量級就引起滯后破壞便是一例。而氫又是石油化工工業(yè)中的重要原料和工作介質(zhì)，鋼材長期和氫接觸，不但可能變脆，而且在較高溫度下還可能被氫腐蝕。如煉油過程中的一些加氫反應(yīng)裝置；石油化工生產(chǎn)過程中的甲醇合成塔等。在近代工業(yè)發(fā)展中，大量的實踐證明，幾乎所有的金屬材料都有程度41二、氫的來源按照氫的來源可將氫脆分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。

⑴內(nèi)部氫脆：材料在使用前內(nèi)部已含有足夠的氫并導(dǎo)致了脆性，它可以是材料在冶煉、熱加工、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等制造過程中產(chǎn)生。

二、氫的來源按照氫的來源可將氫脆分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。42嚴格控制電鍍工藝，鍍后還要通過對電鍍件長時間的烘烤，使游離狀的氫得以釋放，減輕對鍍件產(chǎn)品的影響。電鍍件常出現(xiàn)氫脆嚴格控制電鍍工藝，鍍后還要通過對電鍍件長時間的烘烤，使游離狀43⑵環(huán)境氫脆指材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環(huán)境與介質(zhì)中產(chǎn)生氫脆。這樣的環(huán)境通常包括：

1)在純氫氣氛中(有少量的水分，甚至干氫)由分子氫造成氫脆；2)由氫化物，如HF致脆；3)由H2S致脆；4)高強鋼在中性水或潮濕的大氣中致脆。⑵環(huán)境氫脆指材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環(huán)境與介質(zhì)44環(huán)境氫脆的脆化示意圖環(huán)境氫脆的脆化示意圖45二、氫在金屬中的存在形式金屬中的氫固溶態(tài)分子態(tài)化合態(tài)二、氫在金屬中的存在形式金屬中的氫固溶態(tài)分子態(tài)化合態(tài)46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缺陷(如空洞、氣泡、裂紋等)處以氫分子狀態(tài)存在。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，或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原子作用形成甲烷等。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47三、氫脆的類型和特點氫可通過不同的機制使金屬脆化，因氫脆的種類很多，現(xiàn)將常見的幾種氫脆現(xiàn)象從其特征簡介如下。

三、氫脆的類型和特點氫可通過不同的機制使金屬脆化，因氫脆的種48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。如在石油高壓加氫及液化石油氣的設(shè)備中，在300～500℃時，由于氫與鋼中的碳化物作用生成高壓的CH4氣泡，當(dāng)氣泡在晶界上達到一定密度后，金屬的塑性將大幅度降低。這種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在工件與高溫、高壓氫氣相接觸的部位。宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀；微觀：晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。1.氫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)49組織說明：酸洗及電鍍過程中的氫進入鋼中后常沿晶界處聚集，導(dǎo)致晶界脆化，形成沿晶斷裂。氫在擴散、聚集過程中留下發(fā)紋、爪狀紋等特征。工藝情況：淬火、回火后酸洗、電鍍組織說明：酸洗及電鍍過程中的氫進入鋼中后常沿晶界處聚集，導(dǎo)致502.白點（發(fā)裂）在重軌鋼及大截面鍛件中易出現(xiàn)這類氫脆。鋼在冷凝過程中氫溶解度降低而析出大量氫分子，它們在鍛造或軋制過程中形成高壓氫氣泡，在較快速度冷卻時氫來不及擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力增大，足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。2.白點（發(fā)裂）在重軌鋼及大截面鍛件中易出現(xiàn)這類氫脆。5110CrNiMoV鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷面上的白點形貌在縱向斷面上，裂紋呈現(xiàn)近似圓形或橢圓形的銀白色斑點，故稱白點；在橫斷面宏觀磨片上，腐蝕后則呈現(xiàn)為毛細裂紋，故又稱發(fā)裂。10CrNiMoV鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷面上的白點形貌在縱向斷面上52鋼中白點鋼中白點53【案例6-2】1938年，英國發(fā)生了一起飛機失事的空難事故，造成機毀人亡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機發(fā)動機的主軸斷成了兩截，經(jīng)過進一步檢查，發(fā)現(xiàn)在主軸內(nèi)部有大量像人的頭發(fā)絲那么細的裂紋。大量的“發(fā)裂”是怎樣產(chǎn)生的呢？要怎樣才能防止這種裂紋造成的斷裂現(xiàn)象呢？當(dāng)時正在謝菲爾德大學(xué)研究部工作的中國學(xué)者李薰通過大量研究工作，在世界上首次提出鋼中的“發(fā)裂”是由于鋼在冶煉過程中混進的氫原子引起的。【案例6-2】1938年，英國發(fā)生了一起飛機失事的空難事故，54李薰（1913－1983）金屬材料學(xué)家，中國科學(xué)院學(xué)部委員。湖南邵東人，早年就讀于長沙長郡中學(xué)，1932年入湖南大學(xué)礦冶系學(xué)習(xí)。1937年留學(xué)英國謝菲爾德大學(xué)，獲冶金學(xué)博士學(xué)位。1945年發(fā)現(xiàn)鋼中氫脆的科學(xué)奧秘，震動英國，被科學(xué)界公認為這一領(lǐng)域的創(chuàng)始人，獲白郎敦獎?wù)隆?951年回國，積極籌建金屬研究所。60年代初，組織科技人員發(fā)展國防建設(shè)所需的尖端材料，為“兩彈一星”提供了關(guān)鍵材料。1971年又解決了航空工業(yè)中材料質(zhì)量的關(guān)鍵問題。歷任中國科學(xué)院金屬研究所所長、中國科學(xué)院副院長等職。1961年加入共產(chǎn)黨，為九三學(xué)社中央常委、中國金屬學(xué)會副理事長。材料時空李薰（1913－1983）金屬材料學(xué)家，中國科553.氫化物致脆對于純鐵、α－鈦合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金，由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，在室溫下，氫在α－鈦合金中的溶解度較小，鈦與氫又具有較大的化學(xué)親和力，因此容易形成氫化鈦（TiHx）而產(chǎn)生氫脆。3.氫化物致脆對于純鐵、α－鈦合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金，563.氫化物致脆金屬材料對氫化物造成的氫脆敏感性隨溫度降低及工件缺口的尖銳程度增加而增加。裂紋常沿氫化物與基體的界面擴展，因此，在斷口上可見到氫化物。PTA加氫反應(yīng)器鈦螺母端面(在粗大的氫脆裂紋周圍有粗大的針狀氫化物,其類似于馬氏體與魏氏組織),化學(xué)拋光侵蝕100×3.氫化物致脆金屬材料對氫化物造成的氫脆敏感性隨溫度降低及工573.氫化物致脆氫化物的形狀和分布對金屬的變脆有明顯影響。如果晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀或針狀，極易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，危害很大。若晶粒較細，氫化物多呈塊狀不連續(xù)分布，對金屬危害不太大。3.氫化物致脆氫化物的形狀和分布對金屬的變脆有明顯影響。584.氫致延滯斷裂在高強度鋼或（α＋β）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。工程上所說的氫脆大多數(shù)是指這類氫脆而言。4.氫致延滯斷裂在高強度鋼或（α＋β）鈦合金中，含有適量的處59含氫材料在持續(xù)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定孕育期后形成裂紋，存在一個亞臨界裂紋的擴展階段，當(dāng)外界應(yīng)力低于某一極限值時，材料將長期不斷裂，此極限值與疲勞極限十分相似。

含氫材料在持續(xù)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定孕育期后形成裂紋，存在一個60四、氫脆的特點氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在：斷裂的主裂紋沒有分枝的情況，這和應(yīng)力腐蝕的裂紋是截然不同的。氫脆的斷裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者從一種裂紋擴展形式轉(zhuǎn)變成另一種形式，但就具體的金屬—環(huán)境組合來說，氫脆有特定的裂紋形態(tài)。氫脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。

四、氫脆的特點氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在：61氫脆斷裂的主裂紋沒有分枝氫脆斷裂的主裂紋沒有分枝6265Mn鋼氫脆沿晶斷口（SEI）65Mn鋼氫脆沿晶斷口（SEI）63應(yīng)力腐蝕和氫脆課件64都是由于應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的斷裂現(xiàn)象。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時總是伴隨有氫的析出，而析出的氫又易于形成氫脆。區(qū)別：應(yīng)力腐蝕為陽極溶解過程，氫脆為陰極吸氫過程。五、氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系都是由于應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的斷裂現(xiàn)象。五、氫脆與應(yīng)65能力知識點2氫脆的防止措施能力知識點2氫脆的防止措施66氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。

氫脆只可防，治不了!氫脆一經(jīng)產(chǎn)生，就消除不了。

氫脆只可防，治不了!67（1）降低或抑制材料內(nèi)的氫含量設(shè)法切斷氫進入金屬中的途徑，或者控制這條途徑上的某個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，降低或抑制金屬內(nèi)的含氫量。氫冶煉時加工時使用時（1）降低或抑制材料內(nèi)的氫含量設(shè)法切斷氫進入金屬中的途徑，或68降低氫含量冶煉時采用干料，或進一步采用真空處理或真空冶煉；焊接時采用低氫焊條；酸洗及電鍍時，選用緩蝕劑或采取降低引入氫量的工藝。排氫處理合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件的冷卻要緩慢，防止氫致開裂(白點)；合金結(jié)構(gòu)鋼焊接時，一般采用焊前預(yù)熱、焊后烘烤，以利排氫。對氫脆敏感的高強度鋼及高合金鐵素體鋼，酸洗及電鍍后，在200～240℃的溫度下，加熱2～4小時可將絕大部分氫去除。表面涂層，陽極化處理，加吸氫介質(zhì)等。降低氫含量冶煉時采用干料，或進一步采用真空處理或真空冶煉69（2）力學(xué)因素在機械零件設(shè)計和加工過程中，應(yīng)排除各種產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素；相反，采用表面處理使表面獲得殘余壓應(yīng)力層對防止氫致延遲斷裂有良好作用。金屬材料抗氫脆的力學(xué)性能指標與抗應(yīng)力腐蝕性能指標一樣，對于裂紋試樣可采用氫脆臨界應(yīng)力場強度因子(或稱為氫脆門檻值)KⅠHEC表示。設(shè)計時應(yīng)力求使零件服役時的KⅠ值小于KⅠHEC。（2）力學(xué)因素在機械零件設(shè)計和加工過程中，應(yīng)排除各種產(chǎn)生殘余70高強度金屬材料和鈦、鉬等金屬易發(fā)生氫脆。屈服強度愈高，氫脆敏感性愈大。因此，對在含氫介質(zhì)中服役的高強度鋼的強度應(yīng)有所限制。含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫的敏感性低。鋼的強度等級越高，對氫脆越敏感。鋼的顯微組織對氫脆敏感性有較大影響，一般按下列順序遞增：球狀珠光體、片狀珠光體、回火馬氏體或貝氏體、未回火馬氏體。（3）材料因素高強度金屬材料和鈦、鉬等金屬易發(fā)生氫脆。屈服強度愈高，氫脆敏71采用經(jīng)充分球化處理的低碳鋼，鋼液不宜采用Al脫氧（其脫氧產(chǎn)物Al2O3易成為CH4氣泡的核心），并盡可能加入V、Ti等元素使碳固定，可降低氫蝕。采用緩冷或在鋼中加入稀土、V、Ti等元素可減輕白點這類氫脆。采用經(jīng)充分球化處理的低碳鋼，鋼液不宜采用Al脫氧（其脫氧產(chǎn)物72冷變形使氫脆敏感性增大。形變速度愈大，敏感性愈小，當(dāng)超過某一臨界速度，則氫脆完全消失。因此，合理選材與正確制定冷、熱加工工藝，對防止金屬的氫脆也是十分重要的。冷變形使氫脆敏感性增大。形變速度愈大，敏感性愈小，當(dāng)超過某一73知識拓展知識拓展74貯氫材料在一定溫度和氫氣壓強下能迅速吸氫，適當(dāng)加溫或減小氫氣壓強時又能放氫的材料。貯氫材料作為氫的貯存與輸送的載體，是一種重要的候選材料。氫與貯氫材料的組合,將是21世紀新能源——氫能的開發(fā)與利用的最佳搭檔。貯氫材料在一定溫度和氫氣壓強下能迅速吸氫，適當(dāng)加溫或減小氫氣75貯氫原理貯氫材料多為易與氫起作用的某些過渡族金屬、合金或金屬間化合物。由于這些金屬材料具有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使得氫原子容易進入其晶格的間隙中并與其形成金屬氫化物。貯氫材料的貯氫量可達金屬本身體積的1000～1300倍。氫與這些金屬的結(jié)合力很弱，一旦加熱和改變氫氣壓強，氫即從金屬中釋放出來。氫在金屬中的這種吸收和釋放，取決于金屬和氫的相平衡關(guān)系，并受溫度、壓強和組分的制約。貯氫原理貯氫材料多為易與氫起作用的某些過渡族金屬、合金或金屬76實用和研究發(fā)展中的貯氫材料鎂系貯氫合金。主要有鎂鎳、鎂銅、鎂鐵、鎂鈦等合金。具有貯氫能力大（可達材料自重的5.1％～5.8％）、價廉等優(yōu)點，缺點是放氫時需要250℃以上高溫。稀土系貯氫合金。主要是鑭鎳合金，其吸氫性好，容易活化，在40℃以上放氫速度好，但成本高。實用和研究發(fā)展中的貯氫材料鎂系貯氫合金。主要有鎂鎳、鎂銅、鎂77實用和研究發(fā)展中的貯氫材料鈦系貯氫合金。有鈦錳、鈦鉻、鈦鎳、鈦鈮、鈦鋯、鈦銅及鈦錳氮、鈦錳鉻、鈦鋯鉻錳等合金。其成本低，吸氫量大，室溫下易活化，適于大量應(yīng)用。鋯系貯氫合金。有鋯鉻、鋯錳等二元合金和鋯鉻鐵錳、鋯鉻鐵鎳等多元合金。在高溫下（100℃以上）具有很好的貯氫特性，能大量、快速和高效率地吸收和釋放氫氣，同時具有較低的熱含量，適于在高溫下使用。鐵系貯氫合金。主要有鐵鈦和鐵鈦錳等合金。其貯氫性能優(yōu)良、價格低廉。實用和研究發(fā)展中的貯氫材料鈦系貯氫合金。有鈦錳、鈦鉻、鈦鎳、78第六單元金屬在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能第六單元金屬在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能79金屬工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，這些斷裂形式大多為低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險性。本單元主要介紹應(yīng)力腐蝕、氫脆和腐蝕疲勞產(chǎn)生的原因、斷裂特征和影響因素等，介紹金屬材料抵抗應(yīng)力腐蝕、氫脆和疲勞腐蝕斷裂的力學(xué)性能指標及防止其斷裂的措施。金屬工件在加工過程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在服役過程中又80模塊一應(yīng)力腐蝕能力知識點1應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象模塊一應(yīng)力腐蝕能力知識點1應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象81一、應(yīng)力腐蝕金屬在應(yīng)力和特定化學(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(StressCorrosionCrack，縮寫為SCC)。發(fā)生應(yīng)力腐蝕的溫度一般在50～300℃之間。

危害：緩和的介質(zhì)＋較小的應(yīng)力1.導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的介質(zhì)為不腐蝕或輕微腐蝕；2.導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的應(yīng)力為極小應(yīng)力。一、應(yīng)力腐蝕金屬在應(yīng)力和特定化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間82應(yīng)力腐蝕和氫脆課件83SCC在石油、化工、航空、原子能等行業(yè)中都受到廣泛的重視，如發(fā)電廠中的汽輪機葉片、鋼結(jié)構(gòu)橋梁、輸氣輸油管道、飛機零部件等，均有發(fā)生應(yīng)力腐蝕的可能性。1967年12月，美國西弗吉尼亞州和俄亥俄州之間的俄亥俄大橋突然倒塌，死46人。事故調(diào)查的結(jié)果就是因為應(yīng)力＋大氣中微量H2S導(dǎo)致鋼梁產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕所致。解放初期黃銅子彈殼開裂現(xiàn)象：原因是潤滑用肥皂水中含微量銨離子。SCC在石油、化工、航空、原子能等行業(yè)中都受到廣泛的重視，如84二、應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件（1）只有在拉伸應(yīng)力作用下才能引起應(yīng)力腐蝕開裂(近年來，也發(fā)現(xiàn)在不銹鋼中可以有壓應(yīng)力引起)。這種拉應(yīng)力可以是外加載荷造成的應(yīng)力，但主要是各種殘余應(yīng)力，如焊接殘余應(yīng)力、熱處理殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力等。據(jù)統(tǒng)計，在應(yīng)力腐蝕開裂事故中，由殘余應(yīng)力所引起的占80%以上，而由工作應(yīng)力引起的則不足20%。二、應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件（1）只有在拉伸應(yīng)力作用下才能引起應(yīng)力85第一次世界大戰(zhàn)期間，用H70經(jīng)過深沖成形的黃銅彈殼，在戰(zhàn)場上出現(xiàn)了大量破裂現(xiàn)象。經(jīng)研究表明，經(jīng)沖壓加工后，黃銅彈殼內(nèi)存在殘余內(nèi)應(yīng)力,在戰(zhàn)場含氨氣或二氧化硫等環(huán)境介質(zhì)中,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂或季節(jié)裂紋（季裂）。這個問題可通過在240～260℃退火,消除殘余應(yīng)力來解決。第一次世界大戰(zhàn)期間，用H70經(jīng)過深沖成形的黃銅彈殼，在86（2）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)一般都是特定的，也就是說，每種材料只對某些介質(zhì)敏感，而這種介質(zhì)對其它材料可能沒有明顯作用，例如，黃銅在氨氣氛中、不銹鋼在具有氯離子的腐蝕介質(zhì)中容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕，但反應(yīng)過來不銹鋼對氨氣、黃銅對氯離子就不敏感。（2）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)一般都是特定的，也就是說，每種材料只87金屬材料化學(xué)介質(zhì)金屬材料化學(xué)介質(zhì)低碳鋼、低合金鋼NaOH溶液、沸騰硝酸鹽溶液，海水，H2S水溶液，海洋性和工業(yè)性氣氛鋁合金氯化物溶液，海水及海洋性大氣，潮濕性工業(yè)氣氛奧氏體不銹鋼酸性和中性氯化物溶液，海水及海洋大氣，熱NaCl、H2S水溶液，嚴重污染的工業(yè)大氣等銅合金氨蒸汽、含氨氣氛，含氨離子的水溶液、水蒸汽，濕H2S，氨溶液鎳基合金熱濃NaOH溶液，HF溶液和蒸汽鈦合金發(fā)煙硝酸，300℃以上的氯化物，潮濕性空氣及海水金屬材料化學(xué)介質(zhì)金屬材料化學(xué)介質(zhì)低碳鋼、低合金鋼NaOH溶液88（3）一般認為，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，合金也只有在拉伸應(yīng)力與特定腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。但在每—種合金系列中，都有對應(yīng)力腐蝕敏感的合金成分。例如，鋁鎂合金中當(dāng)鎂的質(zhì)量分數(shù)大于4％，對應(yīng)力腐蝕很敏感；而鎂的質(zhì)量分數(shù)小于4％時，則無論熱處理條件如何，它幾乎都具有抗應(yīng)力腐蝕的能力。（3）一般認為，純金屬不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對應(yīng)力腐蝕都89能力知識點2

應(yīng)力腐蝕的斷裂特征能力知識點2應(yīng)力腐蝕的斷裂特征90基本的是滑移-溶解理論（或稱鈍化模破壞理論）和氫脆理論。一、應(yīng)力腐蝕斷裂機理基本的是滑移-溶解理論（或稱鈍化模破壞理論）和氫脆理論。一、91鈍化膜拉應(yīng)力鈍化膜破裂形成蝕坑應(yīng)力集中裂紋將逐步向縱深發(fā)展斷裂鈍化膜拉應(yīng)力92應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。應(yīng)力腐蝕的裂紋擴展速率較小，有點象疲勞，是漸進緩慢的，這種亞臨界的擴展?fàn)顩r一直達到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發(fā)生斷裂。一、特征應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。一、特征93應(yīng)力腐蝕斷裂速度為0.01～3mm/h，遠遠大于無應(yīng)力存在下的局部腐蝕速度（如孔蝕等），但又比單純力學(xué)斷裂速度小得多。例如，鋼在海水中的SCC斷裂速度為孔蝕的106倍，而比純力學(xué)斷裂速度幾乎低10個數(shù)量級，這主要由于純力學(xué)斷裂通常對應(yīng)的應(yīng)力水平要高得多。應(yīng)力腐蝕斷裂速度為0.01～3mm/h，遠遠大于無應(yīng)力存在下94應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。但不要形成絕對化的概念，應(yīng)力腐蝕裂紋并不總是分枝的。應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物（泥狀花樣），或腐蝕坑。而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。二、斷口形貌特征應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉95枯枝狀枯枝狀96泥狀花狀泥狀花狀97奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕斷口奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕斷口98

1Cr18Ni9Ti鋼應(yīng)力腐蝕的解理斷口(SEM)a)解理斷口b)扇形狀或羽毛狀的痕跡1Cr18Ni9Ti鋼應(yīng)力腐蝕的解理斷口(SEM)99應(yīng)力腐蝕和氫脆課件100能力知識點3應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法能力知識點3應(yīng)力腐蝕抗力指標及測試方法101現(xiàn)在對應(yīng)力腐蝕的研究，都是采用預(yù)制裂紋的試樣。將這種試樣放在一定介質(zhì)中，在恒定載荷下，測定由于裂紋擴展引起的應(yīng)力強度因子K隨時間的變化關(guān)系，據(jù)此得出材料的抗應(yīng)力腐蝕特性。1.應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子（或應(yīng)力腐蝕門檻值）KⅠSCC現(xiàn)在對應(yīng)力腐蝕的研究，都是采用預(yù)制裂紋的試樣。將這種試樣放在102Ti-8Al-1Mo-1V預(yù)制裂紋試祥的KⅠ-tf曲線鈦合金（Ti-8Al-1Mo-1V）的預(yù)制裂紋試祥在恒載荷作用下，于3.5％Nacl水溶液中進行應(yīng)力腐蝕試驗的結(jié)果。Ti-8Al-1Mo-1V預(yù)制裂紋試祥的KⅠ-tf曲線鈦103該合金的KⅠc＝100MPa.m1/2，在3.5％鹽水中，當(dāng)初始KⅠ值僅為40MPa.m1/2時，僅幾分鐘試樣就破壞了。如果將KⅠ值稍微降低，則破壞時間可大大推遲。當(dāng)KⅠ值降低到某一臨界值（圖中為38MPa.m1/2）時，應(yīng)力腐蝕開裂實際上就不發(fā)生了。這一KⅠ值稱之為應(yīng)力腐蝕臨界場強度因子，也稱應(yīng)力腐蝕門檻值，以KⅠSCC表示(SCC表示應(yīng)力腐蝕斷裂)。該合金的KⅠc＝100MPa.m1/2，在3.5％鹽水中，當(dāng)104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，也稱為應(yīng)力腐蝕門檻值。表示含有宏觀裂紋的材料在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂韌度。一定的材料與介質(zhì)，KISCC值恒定。是金屬材料的一個力學(xué)性能指標。應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCC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，105對含有裂紋的金屬材料，應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)：當(dāng)作用于裂紋尖端的初始應(yīng)力場強度因子：

KⅠ初>KⅠSCCKⅠ初<KⅠSCC

安全斷裂對含有裂紋的金屬材料，應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)：安全斷裂106二、KⅠSCC值的測定測定金屬材料的KⅠSCC值可用恒載荷法或恒位移法。恒載荷法：使KⅠ不斷增大的方法，最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗裝置恒位移法：使KⅠ不斷減少,用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。二、KⅠSCC值的測定測定金屬材料的KⅠSCC值可用恒載荷法107懸臂梁彎曲試驗示意圖1-砝碼2-溶液槽3-試樣式中M——裂紋截面上的彎矩，M＝F·L。

B——試樣厚度。

W——試樣寬度。a——裂紋長度。懸臂梁彎曲試驗示意圖式中M——裂紋截面上的彎矩，M108應(yīng)力腐蝕和氫脆課件109能力知識點3提高應(yīng)力腐蝕抗力的措施能力知識點3提高應(yīng)力腐蝕抗力的措施110降低和消除應(yīng)力在加工(如熱處理、焊接、電鍍等)和裝配過程中，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，或者在加工中采取必要的消除應(yīng)力措施。制備和裝配時盡量使結(jié)構(gòu)具有最小的應(yīng)力集中系數(shù)，并使其與介質(zhì)接觸部分具有最小的殘余拉應(yīng)力。降低和消除應(yīng)力在加工(如熱處理、焊接、電鍍等)和裝配過程中，111合理選擇金屬材料碳鋼對SCC的敏感性低，是一種抗SCC的常用材料?？筍CC的不銹鋼，主要有高硅奧氏體鉻鎳鋼，鎳鉻鐵素體鋼和鐵素體—奧氏體雙相鋼等抗SCC性能更為優(yōu)越。在鋁合金中，LDl0、LYl2、LF21、ZLl01等：在鈦合金中，Ti-10V-2Fe-3A1、Ti-2A1-4M0-4Zr等，都具有較高的抗SCC性能。合理選擇金屬材料碳鋼對SCC的敏感性低，是一種抗SCC的常用112改善化學(xué)介質(zhì)控制環(huán)境，改善使用條件，除去介質(zhì)中危害性大的化學(xué)成分。例如把水中氧降低到1×10-6以下；使用離子交換樹脂去除氯離子等。控制溫度，使材料工作在該體系的臨界溫度以下，以抑制SCC的發(fā)生。采用外加電流陰極保護法也可以防止SCC的發(fā)生，而且在裂紋形成后還可使其停止發(fā)展。改善化學(xué)介質(zhì)控制環(huán)境，改善使用條件，除去介質(zhì)中危害性大的化學(xué)113采用電化學(xué)保護一般采用陰極保護法，但高強度鋼或其它氫脆敏感的材料不宜采用。采用電化學(xué)保護一般采用陰極保護法，但高強度鋼或其它氫脆敏感的114SCC像晶間腐蝕一樣，能導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)的臨界載荷破裂失效。在飛機制造時，安裝和裝配應(yīng)力也應(yīng)該消除。材料選擇和過程也能預(yù)防SCC，選擇較小SCC傾向的鋁合金是關(guān)鍵。必須采用經(jīng)過長時間時效處理、延展的和消除了應(yīng)力的鋁合金。同樣，利用開發(fā)的用于減少應(yīng)力腐蝕開裂的恰當(dāng)?shù)匿X回火熱處理也很重要。F/A－18艦載機SCC像晶間腐蝕一樣，能導(dǎo)致飛機結(jié)構(gòu)的臨界載荷破裂失效。在飛115模塊二氫脆模塊二氫脆116能力知識點1氫脆和氫的來源

能力知識點1氫脆和氫的來源117氫脆(Hydrogenembrittlement—HE)又稱氫致開裂或氫損傷，是由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生塑性下降、斷裂或損傷的現(xiàn)象。從力學(xué)性能上看，氫脆有以下表現(xiàn)：氫對金屬材料的強度指標影響不大，但使斷面收縮率嚴重下降，疲勞壽命明顯縮短，沖擊韌性值顯著降低，在低于斷裂強度的拉伸應(yīng)力作用下，材料經(jīng)過一段時期后會突然脆斷。一、什么是氫脆脆氫脆(Hydrogenembrittlement—HE)118在近代工業(yè)發(fā)展中，大量的實踐證明，幾乎所有的金屬材料都有程度不同的氫脆傾向，高強度鋼含氫不到百萬分之一量級就引起滯后破壞便是一例。而氫又是石油化工工業(yè)中的重要原料和工作介質(zhì)，鋼材長期和氫接觸，不但可能變脆，而且在較高溫度下還可能被氫腐蝕。如煉油過程中的一些加氫反應(yīng)裝置；石油化工生產(chǎn)過程中的甲醇合成塔等。在近代工業(yè)發(fā)展中，大量的實踐證明，幾乎所有的金屬材料都有程度119二、氫的來源按照氫的來源可將氫脆分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。

⑴內(nèi)部氫脆：材料在使用前內(nèi)部已含有足夠的氫并導(dǎo)致了脆性，它可以是材料在冶煉、熱加工、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等制造過程中產(chǎn)生。

二、氫的來源按照氫的來源可將氫脆分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。120嚴格控制電鍍工藝，鍍后還要通過對電鍍件長時間的烘烤，使游離狀的氫得以釋放，減輕對鍍件產(chǎn)品的影響。電鍍件常出現(xiàn)氫脆嚴格控制電鍍工藝，鍍后還要通過對電鍍件長時間的烘烤，使游離狀121⑵環(huán)境氫脆指材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環(huán)境與介質(zhì)中產(chǎn)生氫脆。這樣的環(huán)境通常包括：

1)在純氫氣氛中(有少量的水分，甚至干氫)由分子氫造成氫脆；2)由氫化物，如HF致脆；3)由H2S致脆；4)高強鋼在中性水或潮濕的大氣中致脆。⑵環(huán)境氫脆指材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環(huán)境與介質(zhì)122環(huán)境氫脆的脆化示意圖環(huán)境氫脆的脆化示意圖123二、氫在金屬中的存在形式金屬中的氫固溶態(tài)分子態(tài)化合態(tài)二、氫在金屬中的存在形式金屬中的氫固溶態(tài)分子態(tài)化合態(tài)124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缺陷(如空洞、氣泡、裂紋等)處以氫分子狀態(tài)存在。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，或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原子作用形成甲烷等。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125三、氫脆的類型和特點氫可通過不同的機制使金屬脆化，因氫脆的種類很多，現(xiàn)將常見的幾種氫脆現(xiàn)象從其特征簡介如下。

三、氫脆的類型和特點氫可通過不同的機制使金屬脆化，因氫脆的種126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。如在石油高壓加氫及液化石油氣的設(shè)備中，在300～500℃時，由于氫與鋼中的碳化物作用生成高壓的CH4氣泡，當(dāng)氣泡在晶界上達到一定密度后，金屬的塑性將大幅度降低。這種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在工件與高溫、高壓氫氣相接觸的部位。宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀；微觀：晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。1.氫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)127組織說明：酸洗及電鍍過程中的氫進入鋼中后常沿晶界處聚集，導(dǎo)致晶界脆化，形成沿晶斷裂。氫在擴散、聚集過程中留下發(fā)紋、爪狀紋等特征。工藝情況：淬火、回火后酸洗、電鍍組織說明：酸洗及電鍍過程中的氫進入鋼中后常沿晶界處聚集，導(dǎo)致1282.白點（發(fā)裂）在重軌鋼及大截面鍛件中易出現(xiàn)這類氫脆。鋼在冷凝過程中氫溶解度降低而析出大量氫分子，它們在鍛造或軋制過程中形成高壓氫氣泡，在較快速度冷卻時氫來不及擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力增大，足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。2.白點（發(fā)裂）在重軌鋼及大截面鍛件中易出現(xiàn)這類氫脆。12910CrNiMoV鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷面上的白點形貌在縱向斷面上，裂紋呈現(xiàn)近似圓形或橢圓形的銀白色斑點，故稱白點；在橫斷面宏觀磨片上，腐蝕后則呈現(xiàn)為毛細裂紋，故又稱發(fā)裂。10CrNiMoV鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷面上的白點形貌在縱向斷面上130鋼中白點鋼中白點131【案例6-2】1938年，英國發(fā)生了一起飛機失事的空難事故，造成機毀人亡。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飛機發(fā)動機的主軸斷成了兩截，經(jīng)過進一步檢查，發(fā)現(xiàn)在主軸內(nèi)部有大量像人的頭發(fā)絲那么細的裂紋。大量的“發(fā)裂”是怎樣產(chǎn)生的呢？要怎樣才能防止這種裂紋造成的斷裂現(xiàn)象呢？當(dāng)時正在謝菲爾德大學(xué)研究部工作的中國學(xué)者李薰通過大量研究工作，在世界上首次提出鋼中的“發(fā)裂”是由于鋼在冶煉過程中混進的氫原子引起的?！景咐?-2】1938年，英國發(fā)生了一起飛機失事的空難事故，132李薰（1913－1983）金屬材料學(xué)家，中國科學(xué)院學(xué)部委員。湖南邵東人，早年就讀于長沙長郡中學(xué)，1932年入湖南大學(xué)礦冶系學(xué)習(xí)。1937年留學(xué)英國謝菲爾德大學(xué)，獲冶金學(xué)博士學(xué)位。1945年發(fā)現(xiàn)鋼中氫脆的科學(xué)奧秘，震動英國，被科學(xué)界公認為這一領(lǐng)域的創(chuàng)始人，獲白郎敦獎?wù)隆?951年回國，積極籌建金屬研究所。60年代初，組織科技人員發(fā)展國防建設(shè)所需的尖端材料，為“兩彈一星”提供了關(guān)鍵材料。1971年又解決了航空工業(yè)中材料質(zhì)量的關(guān)鍵問題。歷任中國科學(xué)院金屬研究所所長、中國科學(xué)院副院長等職。1961年加入共產(chǎn)黨，為九三學(xué)社中央常委、中國金屬學(xué)會副理事長。材料時空李薰（1913－1983）金屬材料學(xué)家，中國科1333.氫化物致脆對于純鐵、α－鈦合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金，由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，在室溫下，氫在α－鈦合金中的溶解度較小，鈦與氫又具有較大的化學(xué)親和力，因此容易形成氫化鈦（TiHx）而產(chǎn)生氫脆。3.氫化物致脆對于純鐵、α－鈦合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金，1343.氫化物致脆金屬材料對氫化物造成的氫脆敏感性隨溫度降低及工件缺口的尖銳程度增加而增加。裂紋常沿氫化物與基體的界面擴展，因此，在斷口上可見到氫化物。PTA加氫反應(yīng)器鈦螺母端面(在粗大的氫脆裂紋周圍有粗大的針狀氫化物,其類似于馬氏體與魏氏組織),化學(xué)拋光侵蝕100×3.氫化物致脆金屬材料對氫化物造成的氫脆敏感性隨溫度降低及工1353.氫化物致脆氫化物的形狀和分布對金屬的變脆有明顯影響。如果晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀或針狀，極易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，危害很大。若晶粒較細，氫化物多呈塊狀不連續(xù)分布，對金屬危害不太大。3.氫化物致脆氫化物的形狀和分布對金屬的變脆有明顯影響。1364.氫致延滯斷裂在高強度鋼或（α＋β）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。工程上所說的氫脆大多數(shù)是指這類氫脆而言。4.氫致延滯斷裂在高強度鋼或（α＋β）鈦合金中，含有適量的處137含氫材料在持續(xù)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定孕育期后形成裂紋，存在一個亞臨界裂紋的擴展階段，當(dāng)外界應(yīng)力低于某一極限值時，材料將長期不斷裂，此極限值與疲勞極限十分相似。

含氫材料在持續(xù)應(yīng)力作用下，經(jīng)過一定孕育期后形成裂紋，存在一個138四、氫脆的特點氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在：斷裂的主裂紋沒有分枝的情況，這和應(yīng)力腐蝕的裂紋是截然不同的。氫脆的斷裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者從一種裂紋擴展形式轉(zhuǎn)變成另一種形式，但就具體的金屬—環(huán)境組合來說，氫脆有特定的裂紋形態(tài)。氫脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。

四、氫脆的特點氫脆和應(yīng)力腐蝕相比，其特點表現(xiàn)在：139氫脆斷裂的主裂紋沒有分枝氫脆斷裂的主裂紋沒有分枝14065Mn鋼氫脆沿晶斷口（SEI）65Mn鋼氫脆