金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂材料力學(xué)性能課件

第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂金屬機(jī)件（或構(gòu)件）在服役過(guò)程中經(jīng)常要與周圍環(huán)境中的各種介質(zhì)相接觸。環(huán)境介質(zhì)對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)。

由于環(huán)境效應(yīng)的作用，金屬所承受的應(yīng)力即使低于其屈服強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生突然斷裂的現(xiàn)象，即為環(huán)境斷裂。知識(shí)拓展1第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂1在靜載荷作用下的環(huán)境斷裂有應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂等，因?yàn)樗鼈兪请S時(shí)間延續(xù)而造成的斷裂，故又稱為延滯斷裂或靜載疲勞。

在交變載荷作用下的環(huán)境斷裂主要是腐蝕疲勞。金屬機(jī)件在加工過(guò)程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在服役過(guò)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(huì)產(chǎn)生特殊的斷裂現(xiàn)象，主要有應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂等。這些斷裂形式大多數(shù)為低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險(xiǎn)性。2在靜載荷作用下的環(huán)境斷裂有應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂等§6-1應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件1、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象（1）定義金屬在拉應(yīng)力和特定的介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)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（StressCorrosionCracking,SCC）。應(yīng)力腐蝕斷裂沒(méi)有任何明顯征兆，會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。3§6-1應(yīng)力腐蝕3

⑵特點(diǎn)

◆拉應(yīng)力，特定介質(zhì)，時(shí)間，脆斷。

◆并不是兩種破壞形式的疊加，而是按照特定機(jī)理，比疊加起來(lái)的抗力還要低的多。

◆無(wú)論是韌性材料還是脆性材料，均沒(méi)有明顯的征兆就發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，常常造成災(zāi)難性事故。4⑵特點(diǎn)4

⑶常見(jiàn)的應(yīng)力腐蝕斷裂形式（如表所示）：

◆低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的“堿脆”和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的“硝脆”；

◆奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的“氯脆”；

◆銅合金在氨氣介質(zhì)中的“氨脆”；

◆高強(qiáng)度鋁合金在空氣、蒸餾水介質(zhì)中的脆裂等。5⑶常見(jiàn)的應(yīng)力腐蝕斷裂形式（如表所示）：52、產(chǎn)生條件拉應(yīng)力、特定化學(xué)介質(zhì)和金屬材料是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的三個(gè)條件。⑴拉應(yīng)力：包括殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。焊接、熱處理、裝配等過(guò)程中產(chǎn)生的。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的應(yīng)力一般并不很大。如果沒(méi)有特定腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用，機(jī)件在該應(yīng)力作用下可以長(zhǎng)期服役而不斷裂。62、產(chǎn)生條件6⑵化學(xué)介質(zhì)：指特定化學(xué)介質(zhì)。如果沒(méi)有拉應(yīng)力的共同作用，材料在這種介質(zhì)中的腐蝕速度很慢。也就是說(shuō)，每種材料只對(duì)某種介質(zhì)敏感，這種介質(zhì)可能對(duì)其它材料沒(méi)有明顯的作用。見(jiàn)表所示⑶金屬材料：一般只有合金才產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂，純金屬不會(huì)產(chǎn)生。在每一種合金系列中，都有對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的合金成分。如：鋁鎂合金中當(dāng)含鎂量超過(guò)4％，對(duì)應(yīng)力腐蝕很敏感，而鎂含量小于4％時(shí)，無(wú)論熱處理?xiàng)l件如何，它幾乎都具有抗腐蝕的能力。又如，鋼中在含碳量在0.12％左右時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感性最大。7⑵化學(xué)介質(zhì)：指特定化學(xué)介質(zhì)。如果沒(méi)有拉應(yīng)力的共二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理和斷口形貌特征（一）應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理機(jī)理有多種，目前還沒(méi)有一種理論能夠解釋所有的應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象，應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機(jī)理是滑移溶解理論（或稱鈍化膜破壞理論）和氫脆理論。在此僅介紹兩種為多數(shù)人接受的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂理論。1、以陽(yáng)極溶解為基礎(chǔ)的鈍化膜破壞理論

如圖所示。（該理論只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕）8二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理和斷口形貌特征82、晶界微電池溶解理論在γ體護(hù)環(huán)鋼的龜裂現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)：沉淀于晶界的碳化物其實(shí)為類似珠光體的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與介質(zhì)形成微電池并迅速溶解，導(dǎo)致脆斷。斷裂過(guò)程分為亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)擴(kuò)展區(qū)。92、晶界微電池溶解理論9

(二)應(yīng)力腐蝕斷口特征1、宏觀斷口特征

與疲勞斷口相似；

不同之處是：在裂紋源及亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)到腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象，常呈現(xiàn)黑色或灰黑色具有脆性特征。瞬時(shí)斷裂區(qū)（失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)、最后斷裂區(qū)）一般為快速撕裂破壞，顯示材料的特性。10(二)應(yīng)力腐蝕斷口特征102、微觀特征⑴斷口的微觀形貌一般為沿晶斷裂，也可能為穿晶斷裂。⑵其表面可見(jiàn)到“泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物（見(jiàn)圖6-3a）及腐蝕坑（見(jiàn)圖6-3b）。⑶應(yīng)力腐蝕的顯微裂紋有分叉現(xiàn)象，呈枯樹(shù)枝狀，如圖所示。表明應(yīng)力腐蝕時(shí)，有一主裂紋擴(kuò)展較快，其它分枝擴(kuò)展較慢，根據(jù)這一特征可將其與腐蝕疲勞、晶間腐蝕等斷裂區(qū)分開(kāi)來(lái)。112、微觀特征11

三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)（斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂中的應(yīng)用）通常采用光滑試樣在拉應(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(shí)間來(lái)評(píng)定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能（見(jiàn)圖6-4）。用常規(guī)方法測(cè)定的σ～tf曲線，得到的σSCC不能客觀地反映材料的應(yīng)力腐蝕抗力。（無(wú)裂紋）引入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的概念來(lái)研究金屬材料抗應(yīng)力腐蝕性能，即應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子ΚⅠscc和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt。12三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)（斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂中1、臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC

試驗(yàn)表明：在恒定載荷和特定化學(xué)介質(zhì)作用下，帶有預(yù)制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時(shí)間與初始應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI初有關(guān)。如圖所示將試樣在特定化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場(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（或稱為應(yīng)力腐蝕門檻值），以KISCC表示。對(duì)于大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì)中的ΚⅠscc值是一定的。

131、臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC13測(cè)定金屬材料的KISCC值可用恒載荷法或恒位移法。以恒載荷法的懸臂梁彎曲試驗(yàn)法最常用，所用試樣與測(cè)定的KIC的三點(diǎn)彎曲試樣相同，裝置見(jiàn)圖6-6。裂紋尖端的ΚⅠ可用公式（6-2）計(jì)算。（6-2）通過(guò)做出ΚⅠ初—lgtf的關(guān)系圖線，便可從曲線的水平部分所對(duì)應(yīng)的ΚⅠ初值即為材料的ΚⅠscc。14測(cè)定金屬材料的KISCC值可用恒載荷法或恒位移2、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的KI>KISCC時(shí)，裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展。單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量稱為應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率，da/dt。關(guān)系曲線分三個(gè)階段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ或初始、穩(wěn)定、失穩(wěn)），如圖6-7所示。第Ⅱ階段時(shí)間越長(zhǎng)材料抵抗應(yīng)力腐蝕性能越好。由圖6-7中第Ⅱ階段的da/dt—KI兩個(gè)數(shù)值的關(guān)系，可以估算機(jī)件的剩余壽命。152、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt15四、防止應(yīng)力腐蝕的措施從導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的三要素（三個(gè)條件）下手。

1、合理選擇金屬材料根據(jù)機(jī)件所承受的應(yīng)力和接觸的化學(xué)介質(zhì)，選用耐應(yīng)力腐蝕的金屬材料（避開(kāi)靈敏材料）。即選用KⅠscc較高的合金。如①銅對(duì)氨對(duì)的應(yīng)力腐蝕敏感性高，選用材料時(shí)避免使用銅合金。②在高濃度氯化物介質(zhì)中，采用不含鎳、銅或僅含微量鎳、銅的低碳高鉻鐵素體不銹鋼，或含硅較高的鉻鎳不銹鋼，也可選用鎳基和鐵鎳基耐蝕合金。16四、防止應(yīng)力腐蝕的措施162、減少或消除機(jī)件中的殘余應(yīng)力降低設(shè)計(jì)應(yīng)力、消除或降低殘余拉應(yīng)力、采用表面處理的方法（噴丸、表面熱處理等方法）使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。3、改變介質(zhì)條件

一是通過(guò)減少或消除應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的有害離子是一種較為有效的方法。如通過(guò)水凈化處理，降低冷卻水與蒸汽中的氯離子含量，對(duì)降低奧氏體不銹鋼的氯脆十分有效。二是在化學(xué)介質(zhì)中添加緩蝕劑。如在高溫水中加入300ppm磷酸鹽，可使鉻鎳奧氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能大為提高。172、減少或消除機(jī)件中的殘余應(yīng)力174、采用電化學(xué)保護(hù)使金屬遠(yuǎn)離電化學(xué)腐蝕敏感電位區(qū)域因?yàn)榻饘僭诨瘜W(xué)介質(zhì)中只有在一定的電極電位范圍內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，因此采用外加電位的方法，使金屬在化學(xué)介質(zhì)中的電位遠(yuǎn)離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域，也是一種防止措施。一般采用陰極保護(hù)法。此方法不適用于高強(qiáng)度鋼和其它氫脆敏感材料。184、采用電化學(xué)保護(hù)使金屬遠(yuǎn)離電化學(xué)腐蝕敏感電位§6-2氫脆

一、氫在金屬中的存在形式

氫脆斷裂（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。1、氫的來(lái)源可分為內(nèi)含的和外來(lái)的兩種。前者是指金屬在熔煉過(guò)程中及隨后的加工制造過(guò)程（如焊接、酸洗、電鍍等）中吸收的氫；后者是金屬機(jī)件在服役時(shí)環(huán)境介質(zhì)中含有的氫。19§6-2氫脆192、氫在金屬中的存在形式⑴以間隙原子狀態(tài)固溶在金屬中，對(duì)大多數(shù)工業(yè)合金，氫的溶解度隨溫度的降低而降低。⑵氫在金屬中可通過(guò)擴(kuò)散聚集在較大缺陷（如空洞、氣泡、裂紋）處，以氫分子狀態(tài)存在。⑶還可能與一些過(guò)渡族、稀土或堿土金屬元素作用生成氫化物。⑷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。202、氫在金屬中的存在形式20二、氫脆類型及其特征由于氫在金屬中存在的狀態(tài)不同以及氫與金屬交互作用性質(zhì)的不同，氫可通過(guò)不同的機(jī)件使金屬脆化，因而氫脆的種類很多。常見(jiàn)的幾種氫脆及其特征：1、氫蝕（或稱氣蝕）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。這種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在與高溫、高壓氫氣相接觸的部位。碳鋼在低于220℃時(shí)，不產(chǎn)生氫脆。

宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀（沿晶）。微觀斷口上晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。21二、氫脆類型及其特征212、白點(diǎn)（發(fā)裂、發(fā)紋）氫的溶解度↓，形成氣泡體積↑，如果過(guò)飽和的氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。

宏觀特征：斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，故稱白點(diǎn)。甚至有白線。如圖所示

消除：一般出現(xiàn)在大鍛件中。采用精煉除氣、鍛后緩冷或等穩(wěn)退火以及在鋼中加入稀土或其它微量元素等方法，使白點(diǎn)減弱或消除。222、白點(diǎn)（發(fā)裂、發(fā)紋）223、氫化物致脆

⑴形成原因：對(duì)于IVB族或VB族金屬（如鈦、α-鈦合金、Ni、V、Zr、Nd及其合金），由于與H有較大的親和力，容易生成脆性氫化物，使金屬脆化。⑵形成機(jī)理：因凝固、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。⑶氫化物硬而脆且與基體結(jié)合不牢，裂紋易于沿界面擴(kuò)展。

氫化物的形狀、分布及基體晶粒大小對(duì)氫化物致脆有明顯影響。233、氫化物致脆234、氫致延滯斷裂高強(qiáng)度鋼或α＋β鈦合金中，含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫（原來(lái)存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收的），在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)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(kuò)展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。⑴定義：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(shuō)的氫脆多為此類氫脆。244、氫致延滯斷裂24⑵特點(diǎn)：

◆只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強(qiáng)度鋼多出現(xiàn)在-100~150℃之間，在室溫下最敏感。

◆提高應(yīng)變速率，材料對(duì)氫脆的敏感性降低，因此，只有在慢速加載（恒載）試驗(yàn)中才能顯示這類脆性。

◆可顯著降低金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率，但含氫量超過(guò)一定數(shù)值后，斷后伸長(zhǎng)率不再變化。

◆高強(qiáng)度鋼的氫致延滯斷裂還具有可逆性。25⑵特點(diǎn)：25⑶斷口：宏觀斷口與一般脆性斷口相似。其微觀形貌大多為沿原奧氏體晶界的沿晶斷裂，且晶界上常有許多撕裂棱。⑷原因：除力學(xué)因素外，可能更主要的是與雜質(zhì)偏聚的晶界吸附了較多的氫，使晶界強(qiáng)度削弱有關(guān)。⑸影響因素

溫度：t<tH氫擴(kuò)散率很慢，不形成氫脆；t=tH最敏感；t>tH氫氣團(tuán)擴(kuò)散，無(wú)氫脆。

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)H溶解。26⑶斷口：宏觀斷口與一般脆性斷口相似。26三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理鋼的表面單純吸附氫原子是不會(huì)產(chǎn)生氫脆的，氫必須進(jìn)行α-Fe晶格中并偏聚到一定濃度后才能形成裂紋。因此，由環(huán)境介質(zhì)中的氫引起氫致延滯斷裂的孕育階段必須經(jīng)過(guò)需要時(shí)間的三個(gè)步驟：

氫原子進(jìn)入鋼中、氫在鋼中的遷移和氫的偏聚。氫原子數(shù)量↑，氫固溶→擴(kuò)散，在位錯(cuò)線周圍偏聚，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。詳見(jiàn)圖所示27三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理27四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系1、機(jī)理區(qū)別：應(yīng)力腐蝕為陽(yáng)極溶解過(guò)程（圖a），形成所謂的陽(yáng)極活性通道而使金屬開(kāi)開(kāi)裂；而氫致延滯斷裂是陰極吸氫過(guò)程（圖b）。

2、斷口形貌的區(qū)別：見(jiàn)表6-2。3、判斷：一般采用極化試驗(yàn)方法來(lái)判斷具體合金-化學(xué)介質(zhì)系統(tǒng)的斷裂究竟屬于哪種斷裂類型：當(dāng)外加小的陽(yáng)極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是應(yīng)力腐蝕（圖c），當(dāng)外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是氫致延滯斷裂（圖d）。28四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系28五、防止氫脆的措施1、環(huán)境因素減少吸氫的可能性。如采用表面涂層，使機(jī)件表面與環(huán)境介質(zhì)中的氫隔離。2、力學(xué)因素減小殘余拉應(yīng)力，采用表面處理使表面獲得殘余壓應(yīng)力層，對(duì)防止氫致延滯斷裂有良好的作用。3、材質(zhì)因素含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性較低；鋼的強(qiáng)度越高，對(duì)氫脆越敏感；降低含氫量；細(xì)化組織。29五、防止氫脆的措施29作業(yè)P1371；2；3；7。思考題：P138830作業(yè)30

即當(dāng)你用不到5秒鐘的時(shí)間來(lái)讀這塊牌子時(shí)，將近1噸的鐵變?yōu)閺U物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年由于腐蝕造成的金屬損失在1億噸以上，占世界金屬總產(chǎn)量的20％～40％。1937年由殼牌公司（TheCompany）在布魯塞爾舉辦的一次腐蝕展覽會(huì)上，有如下的一塊展牌：31即當(dāng)你用不到5秒鐘的時(shí)間來(lái)讀這塊牌子時(shí)，將近1金屬與環(huán)境介質(zhì)之間的化學(xué)或電化學(xué)作用，而引起變質(zhì)和破壞，這個(gè)過(guò)程稱為金屬的腐蝕，其中包括上述因素與機(jī)械或生物等因素的共同作用。在大多數(shù)情況下，腐蝕是具有破壞性的，它不僅使金屬材料遭到破壞，有時(shí)甚至危及生命。在經(jīng)濟(jì)上，腐蝕造成的損失是巨大的。間接損失無(wú)法估算，且數(shù)目很大。間接損失來(lái)源于裝置的損壞、爆炸和停產(chǎn)、產(chǎn)品的損失及環(huán)境的污染，甚至生命安全。32金屬與環(huán)境介質(zhì)之間的化學(xué)或電化學(xué)作用，而引起變金屬的腐蝕現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，腐蝕的種類很多。根據(jù)金屬腐蝕的特征不同，可以把腐蝕分為全面腐蝕和局部腐蝕。