失效分析基礎(chǔ)知識(shí)

§2失效分析基礎(chǔ)知識(shí)材料知識(shí)

力學(xué)知識(shí)

化學(xué)知識(shí)失效分析2/6/20231§2.1常見(jiàn)缺陷

一鑄造缺陷§2.1金屬構(gòu)件中的常見(jiàn)缺陷一、鑄態(tài)組織缺陷1.縮孔與疏松圖2-1縮孔缺陷(a)低碳鉬鋼鑄錠端部取樣★形貌特征(b)Cr17鑄鋼錠下部取樣2/6/20232圖2-2疏松缺陷(a)45鋼鑄錠的嚴(yán)重疏松(b)2Cr13鋼熱軋后退火的中心疏松晶間疏松&枝晶疏松★

縮孔與疏松的消除合理選擇合金成分合理的鑄造工藝合理的鍛軋工藝★

縮孔與疏松的危害主要使力學(xué)性能、密封性能、表面粗糙度受影響2/6/202332.偏析偏析凝固形成的晶體內(nèi)部由于擴(kuò)散不足引起的偏析。晶內(nèi)偏析晶間偏析區(qū)域偏析比重偏析凝固形成的枝狀晶內(nèi)由于擴(kuò)散不足引起的偏析。金屬在凝固時(shí)由于某些因素的影響而生產(chǎn)的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象先結(jié)晶區(qū)域的化學(xué)成分與后結(jié)晶區(qū)域間的偏析。先結(jié)晶區(qū)域的比重不同于后結(jié)晶區(qū)域間的偏析。2/6/20234偏析的預(yù)防①凈化合金液②改善凝固條件③擴(kuò)散退火處理圖2-3硫的區(qū)域偏析(硫印圖)2/6/202353.氣孔與白點(diǎn)氣孔的類(lèi)型：侵入氣孔、析出氣孔和反應(yīng)氣孔氣孔的危害：降低強(qiáng)度、氣密性、耐蝕性和耐熱性氣孔的預(yù)防：合金液除氣、合理的鑄造工藝圖2-4氣孔2/6/20236白點(diǎn)：合金液中的氫在凝固時(shí)析出形成氣體氫，聚集于合金內(nèi)，在縱向斷口上呈現(xiàn)為表面光滑、銀白色的圓形或橢圓形的斑點(diǎn)。白點(diǎn)的消除：凈化除氣易發(fā)鋼種：含Cr、Ni、Mn的合金結(jié)構(gòu)鋼及低合金工具鋼提醒：含白點(diǎn)的鋼材或其它材料不能使用！圖2-5白點(diǎn)2/6/20237二鍛軋件缺陷二、鍛軋件缺陷1.內(nèi)部組織缺陷危害:脆性增加，強(qiáng)度下降!a.粗大的魏氏組織提醒:重要件不允許有魏氏組織圖2-6魏氏組織2/6/20238b.網(wǎng)絡(luò)狀碳化物及帶狀組織提醒：常導(dǎo)致工、模具鋼過(guò)早失效危害：使性能呈各向異性!(a)(b)圖2-7網(wǎng)絡(luò)狀碳化物(a)及帶狀組織(b)2/6/20239c.鋼材表面脫碳(a)

(b)圖2-8鍛制螺栓表面脫碳后的組織(a)及強(qiáng)度降低而變形(b)2/6/2023102.鋼材表面缺陷a.劃痕b.表面裂紋c.分層d.折疊e.結(jié)疤：金屬錠或型材表面的凹凸坑(2～3mm)圖2-9低碳鉬鋼管內(nèi)壁的折疊和結(jié)疤2/6/202311三夾雜物對(duì)鋼性能的影響三、夾雜物對(duì)鋼性能的影響1.夾雜物的類(lèi)型構(gòu)件失效中，90%是疲勞失效(正常使用時(shí))。a.脆性?shī)A雜物圖2-11裂紋優(yōu)先在較大夾雜物與鋼基體交界處產(chǎn)生a.(OM像)38CrMoAl疲勞試樣表面裂紋b.(SEM像)疲勞斷口,夾雜物與鋼基體脫開(kāi)2/6/202312b.塑性?shī)A雜物圖2-12串鏈狀?yuàn)A雜物圖2-13硫化錳塑性?shī)A雜物2/6/202313c.半塑性變形的夾雜物(a)球型鋁酸鈣與鋁硅酸鹽復(fù)合夾雜物(b)尖晶石型雙氧化物與鋁硅酸鹽復(fù)合夾雜物

圖2-14復(fù)合夾雜物的變形2/6/2023142.夾雜物對(duì)鋼性能的影響a.

夾雜物使鋼產(chǎn)生微裂紋b.

夾雜物易引起應(yīng)力集中c.

夾雜物降低鋼的韌性主要是指對(duì)強(qiáng)度和韌性的影響。2/6/202315四焊接組織缺陷四、焊接組織缺陷1.接頭的形成與區(qū)域特征圖2-16焊接接頭區(qū)域、熱影響區(qū)、焊縫結(jié)晶過(guò)程回顧a.接頭組織區(qū)域劃分熱影響區(qū)b.焊縫及熱影響區(qū)的組織

c.

焊縫結(jié)晶過(guò)程2/6/202316圖2-19焊縫中的多邊化裂紋2.焊接裂紋a.熱裂紋：有結(jié)晶裂紋、高溫液化裂紋和多邊化裂紋圖2-18焊縫中的高溫液化裂紋2/6/202317b.再熱裂紋熱處理過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，一般在550～650℃最為敏感。圖2-20焊縫中的再熱裂紋2/6/202318c.冷裂紋較低溫度下在熱影響區(qū)產(chǎn)生的裂紋，是一種影響較大的缺陷。有以下三種類(lèi)型：延遲裂紋淬硬脆化裂紋低塑性脆化裂紋圖2-21焊縫中的延遲裂紋2/6/202319圖2-22焊縫中的淬硬脆化裂紋2/6/202320d.層狀撕裂①層狀撕裂溫度不超過(guò)400℃；②常發(fā)生在裝焊過(guò)程或結(jié)構(gòu)完工之后，是一種難修復(fù)的結(jié)構(gòu)破壞，甚至造成災(zāi)難性事故；③低合金高強(qiáng)鋼或調(diào)質(zhì)鋼的厚板結(jié)構(gòu)，如采油平臺(tái)、厚壁容器、潛艇等，易發(fā)生層狀撕裂。圖2-23T型接頭的層狀撕裂2/6/202321五熱處理組織缺陷五、熱處理組織缺陷零件在加熱和冷卻過(guò)程中，因熱應(yīng)力和組織應(yīng)力而生產(chǎn)的缺陷，如淬裂。原材料已有缺陷原始組織不良有夾雜物淬火溫度不當(dāng)淬火時(shí)冷卻不當(dāng)有機(jī)械加工缺陷淬火后回火不及時(shí)淬裂原因：2/6/202322§2.2力學(xué)計(jì)算基礎(chǔ)

一傳統(tǒng)強(qiáng)度理論§2.2力學(xué)計(jì)算基本概念一、傳統(tǒng)強(qiáng)度理論強(qiáng)度理論：解釋構(gòu)件強(qiáng)度失效不同的決定性因素的理論。斷裂失效有：最大拉應(yīng)力理論、最大拉應(yīng)變理論屈服失效有：最大切應(yīng)力理論、形狀改變比能理論

1.強(qiáng)度理論a．最大拉應(yīng)力理論

(第一強(qiáng)度理論)決定構(gòu)件產(chǎn)生斷裂失效的主要因素是最大拉應(yīng)力。適用①以拉伸為主的脆性材料，如鑄鐵、石料等；范圍②主應(yīng)力均為拉應(yīng)力的二向應(yīng)力狀態(tài)的脆性材料。而[σ]＝，K為安全系數(shù)σb

k

強(qiáng)度條件:σ1≤[σ]，2/6/202323決定材料發(fā)生斷裂失效的主要因素是單元體中的最大拉應(yīng)變?chǔ)?。即不論是單向應(yīng)力或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，只要單元體中的最大拉應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到單向拉伸情況下發(fā)生斷裂失效時(shí)的拉應(yīng)變極限值εf

時(shí)，材料就將發(fā)生斷裂失效。強(qiáng)度條件：ε1≤εf

極限應(yīng)變：εf

＝σb

E廣義虎克定律：ε1＝[σ1－μ(σ2＋σ3)]1E即強(qiáng)度條件：σ1－μ(σ2＋σ3)≤[σ]

當(dāng)單向拉伸時(shí)，ε1＝σ1／E＝εf＝σb／E，第二強(qiáng)度理論與第一強(qiáng)度理論完全一致。b．最大拉應(yīng)變理論

(第二強(qiáng)度理論)2/6/202324①第二強(qiáng)度理論能很好地解釋脆性材料受軸向壓縮時(shí)，沿縱向發(fā)生的斷裂失效現(xiàn)象；②脆性材料受一拉一壓的二向應(yīng)力狀態(tài)，斷裂試驗(yàn)結(jié)果與第二強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果相近。第二強(qiáng)度理論對(duì)塑性材料不適用，因?yàn)閇σ]是材料單向拉伸時(shí)沿橫截面發(fā)生脆斷失效的許用應(yīng)力，像塑性材料(如低碳鋼)是不可能通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)得到材料在脆斷時(shí)的極限值εf的。2/6/202325c．最大切應(yīng)力理論

(第三強(qiáng)度理論)強(qiáng)度條件：τmax

≤

τs

即強(qiáng)度條件：σ1－σ3≤[σ]

復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，τmax

＝(σ1－σ3)／2其中[σ]＝σs

k單向應(yīng)力時(shí)，τs

＝σs／2適用范圍：①該理論是塑性屈服判據(jù)，而不是斷裂判據(jù)；

②結(jié)果偏于安全(沒(méi)考慮主應(yīng)力σ2的影響)；

③不能解釋脆性材料的失效。決定材料塑性屈服而失效的主要因素是單元體中的最大切應(yīng)力。即不論是單向應(yīng)力或復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，只要單元體中的最大切應(yīng)力τmax

達(dá)到單向拉伸下發(fā)生塑性屈服時(shí)的極限切應(yīng)力τs

時(shí)，材料就發(fā)生塑性屈服而失效。2/6/202326d．形狀改變比能理論

(第四強(qiáng)度理論)復(fù)雜應(yīng)力下構(gòu)件的形狀改變比能為μf＝[(σ1－σ2)2+(σ2－σ3)2+(σ3－σ1)2]1+μ6E強(qiáng)度條件：μf≤(2σs2)1+μ6E單向拉伸時(shí)材料與σs

相應(yīng)的形狀改變比能為1+μ6E(2σs2)

塑性材料，構(gòu)件形狀改變比能是引起屈服的主要因素。即無(wú)論構(gòu)件處于何應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能μf

達(dá)到材料在單向拉伸時(shí)發(fā)生屈服應(yīng)力σs

相應(yīng)的形狀改變比能，材料就屈服引起構(gòu)件失效。即2/6/202327形狀改變比能理論又稱(chēng)為均方根切應(yīng)力理論適用范圍①該理論是塑性屈服判據(jù)，而不是斷裂判據(jù)；

②常用于塑性好的材料如鋼、鋁、銅等；

③與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度比第二強(qiáng)度理論更好。2.各強(qiáng)度理論的適用范圍強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件統(tǒng)一式：

σe≤[σ](σe:相當(dāng)應(yīng)力)σe--構(gòu)件危險(xiǎn)點(diǎn)處于三個(gè)主應(yīng)力的某種組合。2/6/202328四個(gè)強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力表達(dá)式如下：用σe對(duì)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度校核，應(yīng)清楚：①所用強(qiáng)度理論應(yīng)與在該種應(yīng)力狀態(tài)下的失效形式相適應(yīng)；②采用的[σ]應(yīng)與該失效形式的極限應(yīng)力相符合。2/6/202329受三向壓應(yīng)力(但[σ]不能用脆性材料的單向許用應(yīng)力)或塑性材料的薄壁圓筒受單/雙向拉應(yīng)力。如鋼梁塑性材料：受單/雙向拉應(yīng)力(偏安全)。如鋼制圓筒脆性材料：受單/雙/三向拉應(yīng)力;塑性材料：受三向拉應(yīng)力([σ]不是單向拉伸時(shí)的許用應(yīng)力)。第二類(lèi)強(qiáng)度理論(屈服失效理論)第一類(lèi)強(qiáng)度理論(斷裂失效理論)強(qiáng)度理論名稱(chēng)及分類(lèi)4--形狀改變比能理論3--最大切應(yīng)力理論2--最大拉應(yīng)變理論1--最大拉應(yīng)力理論適用范圍脆性材料：受軸向壓縮或一拉一壓的二向應(yīng)力2/6/2023303.對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)度理論的評(píng)價(jià)GBl50《鋼制壓力容器》、美國(guó)ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范》、英國(guó)BS5500《非直接火壓力容器》、日本的JISB8243《壓力容器構(gòu)造》等都采用傳統(tǒng)強(qiáng)度理論。

GBl50-1998《鋼制壓力容器》①靜載荷壓力容器及其構(gòu)件，設(shè)計(jì)壓力為0.1～35MP；

②容器中任一點(diǎn)應(yīng)力按平面力系將其歸結(jié)為單向屈服的關(guān)系，用彈性強(qiáng)度理論導(dǎo)出；

③總體一次薄膜應(yīng)力用最大拉應(yīng)力理論，將其控制在許用應(yīng)力之下；

④局部應(yīng)力用最大切應(yīng)力理論，以三個(gè)主應(yīng)力的最大與最小的差值為應(yīng)力強(qiáng)度，將其限制在許用值之下。(1)對(duì)工程實(shí)踐仍起指導(dǎo)作用2/6/202331(2)計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確①傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算假設(shè)材料均勻連續(xù)、無(wú)損傷實(shí)際材料為非均勻連續(xù)的，存在微裂紋、微孔洞、剪切帶以及各種損傷基元的組合，這大大降低了承載能力。②傳統(tǒng)強(qiáng)度計(jì)算采用較高的安全系數(shù)安全系數(shù)是一模糊概念，它包容材料的實(shí)際情況、真實(shí)變形和制造、使用等過(guò)程變化；安全系數(shù)是經(jīng)驗(yàn)取值，當(dāng)它未能包含以經(jīng)驗(yàn)取值的因素時(shí)，事故就發(fā)生了。

如“泰坦尼克”豪華游船的慘劇2/6/202332二斷裂力學(xué)知識(shí)二、斷裂力學(xué)基本概念★斷裂力學(xué)研究宏觀裂紋(≥0.1mm)的均勻連續(xù)基體的力學(xué)行為，認(rèn)為斷裂主要是宏觀裂紋的成長(zhǎng)及其失穩(wěn)擴(kuò)展?！锪鸭y失穩(wěn)擴(kuò)展通常由裂紋端點(diǎn)開(kāi)始，裂端區(qū)的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度大小與裂紋的穩(wěn)定性密切相關(guān)，當(dāng)裂端表征應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的參量達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋迅速擴(kuò)展，使構(gòu)件斷裂?！飪蓚€(gè)問(wèn)題①裂紋體在裂端區(qū)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)強(qiáng)度的表征及變化規(guī)律；②裂紋體發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值?！锒筷P(guān)系建立構(gòu)件裂紋尺寸、工作應(yīng)力與材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力之間的定量關(guān)系是斷裂力學(xué)研究的重點(diǎn)

。2/6/202333圖2-26材料斷裂的載荷-變形量關(guān)系載荷-變形量呈線(xiàn)性關(guān)系(有很小一段非線(xiàn)性關(guān)系)載荷與變形量由線(xiàn)性關(guān)系變?yōu)榉蔷€(xiàn)性關(guān)系線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)彈塑性斷裂力學(xué)斷裂力學(xué)2/6/2023341.線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)1.線(xiàn)彈性斷裂力學(xué)及其應(yīng)用圖2-27裂紋擴(kuò)展的三種基本類(lèi)型(1)裂紋擴(kuò)展的三種基本類(lèi)型假設(shè)：

材料是線(xiàn)彈性的；忽略裂紋尖端出現(xiàn)的體積很小的塑性區(qū)的影響。2/6/202335裂紋尖端引起的應(yīng)力集中圖2-28無(wú)限大平板中心長(zhǎng)為2a貫穿厚裂紋(2)張開(kāi)型裂紋尖端附近的二向應(yīng)力場(chǎng)方程2/6/202336…..(2-6a)…….(2-6b)..………(2-6c)…..…...…….(2-6d)KⅠ---應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子在裂紋尖端擴(kuò)展線(xiàn)(即x軸)上，θ=0,sinθ=0,此時(shí)2/6/202337裂紋尖端處于平面應(yīng)力(即二向應(yīng)力)狀態(tài)，如薄板受力，σz=0。裂紋尖端處于平面應(yīng)變(即三向應(yīng)力)狀態(tài)，如厚板受力，εz=0，σz=μ(σx+σy)。2/6/202338(3)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠY叫幾何因子(或形狀因子)，它是和載荷無(wú)關(guān)，而與裂紋形狀、加載方式及其試樣集合形狀有關(guān)的量。

KⅠ叫應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，它控制了應(yīng)力的大小。對(duì)其它裂紋狀態(tài)的張開(kāi)型裂紋，(2-6)式仍成立，但···························(2-8)2/6/202339

當(dāng)KⅠ增大到某一臨界值KⅠC時(shí)(臨界狀態(tài)),裂紋突然擴(kuò)展，材料快速斷裂。KⅠC又叫斷裂韌性。(4)臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KⅠC···········(2-8)σC--斷裂應(yīng)力，aC--臨界裂紋尺寸

KⅠC反映了有裂紋存在時(shí)材料抵抗脆性斷裂的能力,是強(qiáng)度和韌性的綜合性能指標(biāo),它測(cè)定方法參考GB4161。

KⅠC越大，其斷裂韌性越好。2/6/202340某些工程用鋼的屈服強(qiáng)度及其平面應(yīng)變斷裂韌度KⅠC52448－1011Cr18Ni925848－1961Cr18Ni9471500室溫40CrNiMo97～105475～500室溫15MnVR130～149360室溫16MnR84～91260045KⅠC／

σS／MPa

試驗(yàn)溫度／℃鋼材牌號(hào)(5)脆性斷裂判據(jù)及工程應(yīng)用脆性斷裂判據(jù)：

KⅠ≥KⅠC(簡(jiǎn)稱(chēng)K判據(jù))2/6/202341解釋低應(yīng)力脆斷失效的原因(材料存在裂紋缺陷，服役期間，裂紋長(zhǎng)大及失穩(wěn)擴(kuò)展)；計(jì)算構(gòu)件的最大裂紋容限，對(duì)構(gòu)件做出安全評(píng)價(jià)；根據(jù)裂紋尺寸，確定構(gòu)件最大工作應(yīng)力或最大允許載荷；若能得出裂紋擴(kuò)展速率，可計(jì)算構(gòu)件的安全壽命，并制訂出合理的裂紋檢測(cè)周期；確立材料強(qiáng)韌化的設(shè)計(jì)思想，即高強(qiáng)度高韌性；設(shè)計(jì)時(shí)選擇KⅠC高的材料，或通過(guò)工藝處理提高其KⅠC

。工程應(yīng)用2/6/202342(6)裂紋尖端的塑性區(qū)及小范圍屈服的修正

當(dāng)r→0(越靠近裂紋尖端)，σ→∞；而實(shí)際上，σ→∞是不可能的，為什么？

金屬材料都有一定的塑性，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到σs

時(shí)，材料因屈服而塑性變形。發(fā)生塑性變形的區(qū)域即塑性區(qū)。裂紋尖端的高應(yīng)力是塑性區(qū)產(chǎn)生和擴(kuò)大的真正原因。二向應(yīng)力場(chǎng)方程中有，●張開(kāi)型裂紋端部的塑性區(qū)大小表達(dá)式(2-11)2/6/202343●裂紋尖端塑性區(qū)的大小和形狀θ=0，即在x軸上時(shí)，有金屬材料在平面應(yīng)變狀態(tài)下的塑性區(qū)在x軸上的寬度比在平面應(yīng)力下時(shí)小很多。2/6/202344實(shí)際上，構(gòu)件從表面到中心的約束不一樣，即使內(nèi)部呈平面應(yīng)變狀態(tài)，其表面也總是處于平面應(yīng)力狀態(tài)。如穿透厚板的裂紋，內(nèi)--平面應(yīng)變狀態(tài)，裂尖塑性區(qū)比較小；表--平面應(yīng)力狀態(tài)，裂尖塑性區(qū)比較大。

rp／a非常小，用線(xiàn)彈性斷裂判據(jù)，塑性區(qū)為小范圍屈服時(shí)，對(duì)其修正后仍可用線(xiàn)彈性斷裂判據(jù)。2/6/202345●對(duì)厚板穿透裂紋尖塑性區(qū)的修正裂紋尖端塑性變形相當(dāng)于裂紋長(zhǎng)度增長(zhǎng)，其等效裂紋長(zhǎng)度為ae=a+△a，即ae=a+rp，θ＝0。平面應(yīng)力平面應(yīng)變2/6/2023462.彈塑性斷裂力學(xué)2.彈塑性斷裂力學(xué)簡(jiǎn)介a.裂紋張開(kāi)位移理論(COD理論)裂紋體受力后裂紋尖端附近存在高應(yīng)力(σs)的塑性區(qū)使裂紋面分離，裂紋尖有張開(kāi)的位移δ，當(dāng)張開(kāi)位移達(dá)到材料的臨界δc值時(shí),裂紋就失穩(wěn)擴(kuò)展發(fā)生斷裂，其判據(jù)為：δ≥δc(δc

可按GB2358測(cè)出)2/6/202347(1)δ與KⅠ的關(guān)系：★線(xiàn)彈性斷裂理論與裂紋張開(kāi)位移理論的關(guān)系(2)δC與KⅠC的關(guān)系：2/6/202348b.J積分理論從能量守恒分析裂紋尖端二向應(yīng)力應(yīng)變行為，裂紋擴(kuò)展時(shí)外力所做的功①用于裂紋擴(kuò)展所需的能量，②增加體系的彈性能。能量用圍繞裂紋尖端的任意封閉回路Γ的線(xiàn)積分求得。T--積分路線(xiàn)外邊界上的張力u--邊界上的位移裂紋體的總應(yīng)變能張力T產(chǎn)生的位能失效判據(jù)：

J≥JcJ積分理論的應(yīng)用:不及COD廣泛2/6/202349§2.3環(huán)境作用機(jī)理

一化學(xué)反應(yīng)§2.3環(huán)境作用機(jī)理一、化學(xué)反應(yīng)金屬構(gòu)件與環(huán)境的作用主要是腐蝕，即化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)。1.氧化原理與規(guī)律a．氧化條件氧分壓：即金屬氧化物的分解壓PMO。

PMO越小，金屬越穩(wěn)定。2/6/202350b．氧化膜的保護(hù)性①氧化膜應(yīng)致密和完整：r＝

VMO／VMO＞1(必要條件)；r并非越高越好(如W),一般r＝1.3～2.0較好。氧化物-金屬體積比r3.18V1.95Ti1.16Ce1.79Mn2.33Ta1.21Cd1.40Pb1.99Cr3.40W1.59Ag1.60Pd2.27Si2.35Sb0.45K1.52Ni1.28Al2.613.400.570.571.991.771.681.59NbNaCoCuMoLiFeBe非保護(hù)性氧化膜保護(hù)性氧化膜2/6/202351②氧化物穩(wěn)定、難熔、不揮發(fā),不易與介質(zhì)作用而被破壞；③氧化膜與基體結(jié)合良好，有相近的熱膨脹系數(shù)，不會(huì)自行或受外界作用而剝離脫落；④氧化膜有足夠的強(qiáng)度和塑性以承受一定的應(yīng)力、應(yīng)變。2/6/202352c．氧化膜的生長(zhǎng)規(guī)律y=Kt+C

y--

膜厚,

t--

氧化時(shí)間

如

K、Na、Ca、Ba、Mg、W、Mo、V、Ta、Nb等，氧化膜對(duì)基體金屬無(wú)保護(hù)作用?！镏本€(xiàn)規(guī)律2/6/202353★拋物線(xiàn)規(guī)律如Fe、Co、Cu、Ni、Mn、Zn、Ti等，氧化膜對(duì)基體金屬有一定保護(hù)性。2/6/202354以上三種規(guī)律在氧化膜不破裂時(shí)是最常見(jiàn)的，此外還有其它規(guī)律。Fe在溫度不高空氣中的氧化曲線(xiàn)★對(duì)數(shù)規(guī)律如Cr和Zn在25～225℃,Ni在650℃以下，F(xiàn)e在375℃以下,膜生長(zhǎng)服從對(duì)數(shù)規(guī)律,氧化膜有保護(hù)性。y=ln(Kt)

+C2/6/202355★膜層破裂的影響★溫度的影響①影響金屬的氧化速度；②影響氧化反應(yīng)規(guī)律。2/6/2023562.鋼鐵的高溫氧化腐蝕室溫干燥空氣中：氧化速度較慢；200～300℃：表面出現(xiàn)可見(jiàn)的氧化膜；＜570℃：生成Fe3O4和Fe2O3，膜保護(hù)性較好；＞570℃：生成FeO、Fe3O4和Fe2O3，F(xiàn)eO疏松，保護(hù)性差。圖2-38鐵在空氣中加熱時(shí)表面氧化膜組成示意圖2/6/202357氣體組成對(duì)鋼鐵的高溫腐蝕有強(qiáng)烈的影響，特別是水蒸氣和硫化物的影響最大。276空氣＋5%H2O＋2%SO2118空氣＋2%SO2135空氣＋5%H2O100單純空氣相對(duì)腐蝕量/%氣體組成相對(duì)腐蝕量/%氣體組成工業(yè)氣體成分對(duì)碳鋼氣體腐蝕的影響2/6/202358二、電化學(xué)反應(yīng)二、電化學(xué)反應(yīng)1.電化學(xué)腐蝕的原因和發(fā)生條件(1)電化學(xué)腐蝕模型a.腐蝕原電池模型2/6/202359★電化學(xué)腐蝕歷程

金屬腐蝕過(guò)程：

如鋅在含氧的中性水溶液中的腐蝕:

氧化還原反應(yīng)(氧化反應(yīng)/還原反應(yīng))2/6/202360過(guò)程2/6/202361★金屬腐蝕的實(shí)質(zhì)電化學(xué)腐蝕①陽(yáng)極反應(yīng)：M→Mn+＋ne

也即氧化反應(yīng)②陰極反應(yīng)：

D＋ne→D·ne

也即還原反應(yīng)發(fā)生地：陽(yáng)極區(qū)如：Zn→Zn2+＋2e發(fā)生地：陰極區(qū)如：?O2+H2O+2e→2OH－2/6/202362b.腐蝕原電池的類(lèi)型腐蝕原電池成因：是因電極(陽(yáng)極和陰極)表面的電化學(xué)不均勻性造成的。電化學(xué)不均勻性有：①金屬材料的不均勻性：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、表面膜完整性、受力情況等差異；②環(huán)境的差異：成分、濃度、溫度、充氣等不同。2/6/202363b.腐蝕原電池的類(lèi)型依據(jù)陽(yáng)極區(qū)和陰極區(qū)的大小，腐蝕原電池分為宏觀腐蝕原電池和微觀腐蝕原電池兩大類(lèi)。宏觀腐蝕原電池：宏觀腐蝕電池的陰、陽(yáng)極可用內(nèi)眼或不大于10倍的放大鏡分辨出。微觀腐蝕原電池：微觀腐蝕電池電極不僅很小,并且它們的分布以及陰極、陽(yáng)極面積比都無(wú)一定規(guī)律。2/6/202364電偶電池濃差電池溫差電池2/6/202365