金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂課件

第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂一、應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象最先發(fā)現(xiàn)于黃銅零件中一次大戰(zhàn)中，冷沖子彈殼，開裂現(xiàn)象┗含微量氨氣的海風(fēng)——子彈殼開裂現(xiàn)象：潤滑用肥皂水中含微量銨離子第一節(jié)應(yīng)力腐蝕第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂一、應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象第一節(jié)1又例：1967年12月美國俄亥俄橋突然塌陷，死46人，鋼梁：應(yīng)力＋大氣中微量H2S。鉚接鍋爐爆炸：水中含少量NaOH，造成低碳鋼的堿脆。飛機(jī)起落架斷裂┗低合金超高強(qiáng)度鋼的氫脆另：奧氏體不銹鋼的氯脆

共性：應(yīng)力與某種腐蝕介質(zhì)共存——應(yīng)力腐蝕斷裂又例：2二、應(yīng)力腐蝕斷裂定義及產(chǎn)生條件1定義：材料在拉應(yīng)力和特定的環(huán)境介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時(shí)間，所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。

危害：緩和的介質(zhì)＋較小的應(yīng)力導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的介質(zhì)為不腐蝕或輕微腐蝕；導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕破壞的應(yīng)力為極小應(yīng)力二、應(yīng)力腐蝕斷裂定義及產(chǎn)生條件危害：緩和的介質(zhì)＋較小的應(yīng)32應(yīng)力腐蝕的特征①造成應(yīng)力腐蝕破壞的應(yīng)力一般是拉應(yīng)力；實(shí)質(zhì)：壓應(yīng)力腐蝕破壞速度極?、谥挥刑囟ǖ暮辖鸪煞峙c特定的介質(zhì)相組合才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕破壞——表6－1；Al-Mg合金系：WMg>4%時(shí)——①、②亦為產(chǎn)生的條件2應(yīng)力腐蝕的特征4③只有合金才產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，純金屬極少。例如：a、氫氧化銨溶液中純銅————無脆化現(xiàn)象含0.004%P的銅——脆化現(xiàn)象b、硝酸鹽中：純鐵無脆化，工業(yè)純鐵脆化④應(yīng)力腐蝕斷裂速度(10－4-10－1cm/h)遠(yuǎn)大于工業(yè)上正常純腐蝕速度(10－5cm/h)③只有合金才產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，純金屬極少。④應(yīng)力腐蝕斷裂速度5三、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理1鈍化膜破壞機(jī)理：(1)拉應(yīng)力→引起滑移→局部保護(hù)膜破裂；應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理簡圖(2)陽極反應(yīng)——蝕坑M→M+n+ne┗裂紋產(chǎn)生(3)尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，使陽極電位下降，溶解加速——裂紋擴(kuò)展三、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理簡圖(2)陽極反應(yīng)——62應(yīng)力腐蝕斷裂過程(1)孕育階段：裂紋產(chǎn)生前(2)裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋緩慢擴(kuò)展(3)裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段：最后的機(jī)械破壞2應(yīng)力腐蝕斷裂過程73斷口形貌(1)宏觀形貌特征：與疲勞斷口相似，裂紋起源于表面，有亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)——宏觀上是脆性斷裂。(2)微觀形貌特征:a、泥狀花樣及腐蝕坑b、多為沿晶斷裂，少量穿晶解理斷裂；c、應(yīng)力腐蝕的顯微裂紋有分叉現(xiàn)象。3斷口形貌(2)微觀形貌特征:8金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂課件9光滑試樣的應(yīng)力腐蝕的σ－tf關(guān)系曲線90%tf缺點(diǎn)：t裂紋形成≈90%tf不能真實(shí)反映帶裂紋試樣四、應(yīng)力腐蝕力學(xué)性能指標(biāo)1、不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力σSCC早期：光滑試樣，(應(yīng)力＋介質(zhì))環(huán)境下，測定σ-tf(不同應(yīng)力水平-斷裂時(shí)間)關(guān)系曲線σSCC光滑試樣的應(yīng)力腐蝕的σ－tf關(guān)系曲線90%tf缺點(diǎn)：四、應(yīng)力10

2、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC

采用預(yù)制裂紋的試樣：裂紋＋應(yīng)力——應(yīng)力場強(qiáng)度因子某種鈦合金預(yù)制裂紋試樣的KI－tf曲線

不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的最大應(yīng)力場強(qiáng)度因子——KISCC2、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC某種鈦合金預(yù)制裂紋11引入：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC（1）定義：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(qiáng)度因子，也稱為應(yīng)力腐蝕門檻值。（2）意義：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?！W(xué)性能指標(biāo)，引入：應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強(qiáng)度因子KISCC12（3）斷裂判據(jù)：①裂紋尖端KI初始≥KIC時(shí)，立即斷裂。┗斷裂判據(jù)②當(dāng)KISCC<KI初始<KIC時(shí)，隨KI初始↓，斷裂時(shí)間↑。③KI初始<KISCC時(shí)，不斷裂（3）斷裂判據(jù)：13（4）KISCC測定方法：①預(yù)制裂紋試樣＋化學(xué)介質(zhì)，②在恒定載荷(拉伸應(yīng)力)下，測定發(fā)生斷裂時(shí)間與初始應(yīng)力場強(qiáng)度因子(KI初始)的關(guān)系;③施加不同的載荷F，使裂紋前端產(chǎn)生不同大小的初始應(yīng)力場強(qiáng)度因子KI,→KI初始－tf曲線。（4）KISCC測定方法：14五、預(yù)防應(yīng)力腐蝕斷裂的措施1、消除或減少機(jī)件中的殘余拉應(yīng)力。（1）退火消除殘余應(yīng)力。（2）改變應(yīng)力狀態(tài)：

采用噴丸、表面熱處理——表面壓應(yīng)力；

構(gòu)件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)——減小應(yīng)力集中五、預(yù)防應(yīng)力腐蝕斷裂的措施152、改善介質(zhì)條件：消除或減少助長應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子。離子交換法、添加緩沖劑等。3、合理選材：根據(jù)介質(zhì)，避開敏感合金(表6－1)4、采用電化學(xué)保護(hù)外加電位，使偏離腐蝕電位2、改善介質(zhì)條件：16鈍化膜破壞機(jī)理——陽極反應(yīng)敏感型應(yīng)力腐蝕兩極反應(yīng)：陽極：Fe→Fe2＋＋2e陰極：H+＋e→H；2H→H2↑

第二節(jié)氫脆

原子態(tài)氫：溶入鋼中會(huì)引起脆性故：陰極反應(yīng)是否引起脆性取決于溶入金屬的原子態(tài)氫數(shù)量、擴(kuò)散能力、基體受力狀況等陰極反應(yīng)引起脆性時(shí)┗陰極反應(yīng)敏感型應(yīng)力腐蝕鈍化膜破壞機(jī)理第二節(jié)氫脆原子態(tài)氫：溶入鋼中會(huì)引起17a應(yīng)力腐蝕斷裂b氫致延滯斷裂a(bǔ)應(yīng)力腐蝕斷裂b氫致延滯斷裂18

一、氫脆概念由于氫和應(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(氫脆)。類型：

氫蝕、白點(diǎn)(發(fā)裂)、氫化物致脆氫致延滯斷裂一、氫脆概念類型：19類型脆化機(jī)制氫蝕氫與材料中第二相反應(yīng)生成高壓氣體(例：鋼中氫與碳化物生成CH4)，氣體在晶界聚集造成脆性。白點(diǎn)(發(fā)裂)過飽和氫在金屬中偏聚形成氫氣，體積膨脹引起大的內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋，裂紋斷面呈銀白色橢圓狀。氫脆類型及脆化機(jī)制類型脆化機(jī)制氫蝕氫與材料中第二相反應(yīng)生成高壓氣體(例：鋼中氫20類型脆化機(jī)制氫化物致脆氫和金屬原子形成脆性氫化物。氫致延滯斷裂含一定量固溶態(tài)氫的金屬，在低于材料屈服強(qiáng)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)部尤其是三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋、裂紋逐步擴(kuò)展、最后突然脆性斷裂的現(xiàn)象。氫脆類型及脆化機(jī)制類型脆化機(jī)制氫化物致脆氫和金屬原子形成脆性氫化物。氫致延滯斷21二、氫致延滯斷裂產(chǎn)生機(jī)理：當(dāng)原子態(tài)氫結(jié)合成H2受阻時(shí)，原子態(tài)H進(jìn)入金屬，氫在刃型位錯(cuò)處聚集，形成氫氣團(tuán)拉應(yīng)力下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→氫氣團(tuán)釘扎作用→應(yīng)變硬化位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻→位錯(cuò)塞積，氫原子聚集→產(chǎn)生應(yīng)力集中→產(chǎn)生裂紋→擴(kuò)展→斷裂→氫脆。二、氫致延滯斷裂產(chǎn)生機(jī)理：22三、氫致延滯斷裂的特點(diǎn)(1)對應(yīng)變速度敏感變形速度愈慢，脆性發(fā)展愈明顯；靜載荷能夠反映氫的影響，而標(biāo)準(zhǔn)拉伸試驗(yàn)速度下不呈現(xiàn)脆性?！獙?yīng)變速度的敏感性是氫脆區(qū)別于其它脆性的明顯標(biāo)志之一?！岣邞?yīng)變速度可降低材料對氫脆敏感度三、氫致延滯斷裂的特點(diǎn)23(2)對溫度敏感只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)。高強(qiáng)度鋼：－100～150℃，尤室溫敏感——?dú)浯鄥^(qū)別于其它脆性的標(biāo)志之二。(3)具可逆性有氫脆的材料通過調(diào)整溫度、脫氫或沖氫處理、應(yīng)變速率的調(diào)整，可使氫脆現(xiàn)象消除或重現(xiàn)。

——但是已產(chǎn)生微裂紋的無法恢復(fù)(2)對溫度敏感24形變速率與溫度的綜合作用：形變速率↑，則出現(xiàn)氫脆的溫度↑，這是由于↑溫度才能使H的擴(kuò)散速率跟上位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)速度，從而起到“釘扎”作用?！?dú)浯鄬囟?、?yīng)變速率敏感的原因形變速率與溫度的綜合作用：25結(jié)束語當(dāng)你盡了自己的最大努力時(shí)，失敗也是偉大的，所以不要放棄，堅(jiān)持就是正確的。WhenYouDoYourBest,Failu