第06章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

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材料力學(xué)

第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

第六章

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引言6.1應(yīng)力腐蝕6.2氫脆

第六章

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剩余應(yīng)力與環(huán)境共同作用下的低應(yīng)力脆斷

起落架斷裂，導(dǎo)致尾翼著地起火爆炸

發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸斷裂，1938

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6.1應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕及其產(chǎn)生條件1、定義與特點(diǎn)金屬在拉應(yīng)力和特定的介質(zhì)共同作用下，經(jīng)

過一段時(shí)間后，所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。拉應(yīng)力—特定介質(zhì)—時(shí)間脆斷。低碳鋼、低合金鋼——堿脆、硝脆；

不銹鋼——氯脆；銅合金——氨脆。第六章

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2、產(chǎn)生條件拉應(yīng)力：外應(yīng)力、剩余應(yīng)力；化學(xué)介質(zhì)：一定材料對(duì)應(yīng)一定的化學(xué)介質(zhì)(表)金屬材料：合金成分、位錯(cuò)等。

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二、應(yīng)力腐蝕1、機(jī)理閉塞電池理論，氫致開裂理論滑移—溶解理論(鈍化膜破壞理論)

a)應(yīng)力作用下，滑移臺(tái)階露頭且鈍化膜破碎(在表面或

裂紋面)b)電化學(xué)腐蝕(有鈍化膜的金屬為陰極，新鮮金屬為陽極);c)應(yīng)力集中，使陽極電極電位降低，加大腐蝕；第六章

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d)若應(yīng)力集中始終存在，則微電池反應(yīng)不斷進(jìn)行，鈍化膜不能恢復(fù)，則裂紋逐步向縱深擴(kuò)展。(該理論只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕)腐蝕介質(zhì)拉應(yīng)力合金表面鈍化膜鈍化膜新表面成為表面破碎，出現(xiàn)新鮮表面形成腐蝕微電池陽極金屬溶解變成正離子,進(jìn)入電解液拉應(yīng)力腐蝕坑(裂紋)裂紋向內(nèi)擴(kuò)展

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斷裂過程：與疲乏斷裂相像，包含裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展

2、斷口特征宏觀：有亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，最終瞬斷區(qū)(與疲乏裂紋相像);斷口呈黑色或灰色。應(yīng)力腐蝕裂紋的分叉現(xiàn)象

微觀：顯微裂紋呈樹枝狀；“泥狀花招〞的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕坑；沿晶斷裂或穿晶斷裂。第六章

2024鋁合金SCC斷口上的泥紋花招8

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光滑試樣

三、力學(xué)性能指標(biāo)1、臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC恒定載荷，特定介質(zhì)，測(cè)KI~

tf曲線。將不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，稱為應(yīng)力腐

蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC。應(yīng)力腐蝕的斷裂判據(jù):

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2、裂紋擴(kuò)展速度da/dt

KIKISCC,裂紋擴(kuò)展，速率da/dt~KI曲線上的三個(gè)階段(初始、穩(wěn)定、失穩(wěn)),由圖6-7(P152)可以估算機(jī)件的剩余壽命。

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四、防止應(yīng)力腐蝕的措施1、合理選材；2、減少拉應(yīng)力；

3、改善化學(xué)介質(zhì)；4、采用電化學(xué)保護(hù)，使金屬遠(yuǎn)離電化學(xué)腐蝕區(qū)域。

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6.2氫脆由于氫和應(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(jiǎn)稱氫脆)

一、氫在

金屬中存在的形式內(nèi)含的(冶煉和加工中帶入的氫);外來的(工作中吸H)。間隙原子狀固溶在金屬中；分子狀氣泡中；化學(xué)物(氫化物)。第六章高強(qiáng)鋼電鍍充氫后的氫脆沿晶斷口12

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二、氫脆類型及其特征1、氫蝕(或稱氣蝕)高壓氣泡(H2,CH4)宏觀斷口：呈氧化色，顆粒狀(沿晶);微觀斷口：晶界明顯加寬，沿晶斷裂。2、白點(diǎn)(發(fā)裂)氫的溶解度↓,形成氣泡體積↑,將金屬的局部脹裂。宏觀：斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，甚至有白線。第六章13

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3、氫化物形成氫化物(凝固、熱加工時(shí)形成；或應(yīng)力作用下，元素?cái)U(kuò)散而形成)。

氫化物很硬、脆，與基體結(jié)合不牢。裂紋沿界面擴(kuò)展。

4、氫致延滯斷裂由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象。原因：氫顯著降低金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率。條件：一定溫度范圍；慢速加載(恒載)第六章14

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三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理三個(gè)階段：孕育，亞穩(wěn)擴(kuò)展，失穩(wěn)擴(kuò)展。1)孕育期氫固溶，在位錯(cuò)線周邊偏聚，形成氣團(tuán)；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋。2)溫度的影響ttH氫擴(kuò)散率很低，不形成氫脆；t=tH最敏感；ttH氫氣團(tuán)擴(kuò)散，無氫脆。3)應(yīng)力狀況應(yīng)變速率高，不會(huì)出現(xiàn)氫脆。拉應(yīng)力促進(jìn)氫溶解。第六章15

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四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系“相互促進(jìn)〞;陽極溶解、金屬開裂；陰極吸氫，延滯斷裂。

五、防止氫脆的措施1、環(huán)境因素切斷氫進(jìn)入金屬的途徑，如表面涂層。2、力學(xué)因素降低剩余拉應(yīng)力，引入壓應(yīng)力。第六章

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3、材質(zhì)因素(1)含S、C、P較少的鋼，氫脆的敏感性較低；

(2)鋼強(qiáng)度越高，對(duì)氫越敏感；(3)球狀珠光體對(duì)氫的敏感性較低；

(4)細(xì)化晶粒度有助于提高抗氫脆能力；(5)冷變形使氫脆敏感性增大。

第六章

材料力學(xué)

氫脆與應(yīng)力腐蝕的區(qū)別1、應(yīng)力腐蝕是陽極溶解過程，陽極電流加速開裂；氫脆是陰極吸氫過程，陰極電流加速開裂。2、裂紋位臵，應(yīng)力腐蝕裂紋在表面(尖角、刻痕、腐蝕坑);氫脆裂紋在表面以下。3、應(yīng)力腐蝕裂紋分叉；氫脆裂紋