材料失效分析(第六章-腐蝕環(huán)境)教材

第六章腐蝕失效分析

（環(huán)境斷裂失效）

§1應(yīng)力腐蝕斷裂

§2氫脆斷裂

§3蠕變斷裂

§4其它的環(huán)境斷裂1概述環(huán)境斷裂：主要指金屬材料在腐蝕介質(zhì)、溫度環(huán)境等條件的影響下，產(chǎn)生的沿晶或穿晶的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象常見的環(huán)境斷裂：SCC、氫脆、蠕變斷裂液態(tài)或固態(tài)金屬脆、中子脆過熱、過燒斷裂靜載延遲斷裂：材料在特定的外界條件下，雖然所受的應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，但服役一段時(shí)間，也可以發(fā)生突然的低應(yīng)力脆斷，這類與時(shí)間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。2§1、應(yīng)力腐蝕斷裂一、引言1、定義由拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的低應(yīng)力脆斷。2、共同特征◆只有在拉應(yīng)力作用下才能引起SCC。這種拉應(yīng)力可能是殘余拉應(yīng)力或工作應(yīng)力。一般情況下，產(chǎn)生SCC時(shí)拉應(yīng)力都很低，若沒有腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用是不會(huì)產(chǎn)生斷裂的。◆要有一定的腐蝕介質(zhì)。其腐蝕介質(zhì)的濃度都很低，并且腐蝕介質(zhì)一般都是特定的（選擇性）。◆一般只有合金才產(chǎn)生SCC，純金屬不會(huì)產(chǎn)生SCC。3應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件及涉及的學(xué)科43、斷裂過程

裂紋形成：占全部時(shí)間的90%

裂紋擴(kuò)展：占全部時(shí)間的10%5引起表面膜局部破裂的因素：◆環(huán)境因素：可能存在破壞鈍化膜的活性離子，如Cl-、

Br-等◆冶金因素：金屬表面的缺陷，如夾雜物、位錯(cuò)露頭等◆力學(xué)因素：在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的突出表面的滑移臺階◆機(jī)械破損6二、SCC機(jī)理1、保護(hù)膜破裂機(jī)理認(rèn)為產(chǎn)生SCC是電化學(xué)反應(yīng)起控制作用形成保護(hù)膜→保護(hù)膜破裂→陽極溶解→重新形成保護(hù)膜→重新破壞→新的陽極溶解72、應(yīng)力吸附機(jī)理（氫致脆化機(jī)理）

認(rèn)為[H]吸附于裂紋尖端，使金屬晶體原子鍵的親和力減弱，即表面能降低。從Griffith缺口強(qiáng)度理論可知：

σc∝γ1/2∵γ↓∴σc↓

從而脆化金屬，使材料產(chǎn)生早期斷裂8三、SCC斷口形貌特征1、宏觀形貌特征●呈現(xiàn)脆性特征，有時(shí)帶有少量塑性撕裂痕跡●裂源是多源的，由于介質(zhì)的腐蝕作用，裂紋形成區(qū)或亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)呈暗色或灰黑色●最終斷裂區(qū)具有金屬光澤，常有放射狀花樣或人字紋92、微觀形貌典型斷口：沿晶斷口，晶面有撕裂脊；有時(shí)也可觀察到韌窩、腐蝕坑、二次裂紋，也可能有穿晶斷裂，斷口有河流、扇形、泥狀、塊狀花樣等沿晶斷口10穿晶斷口泥紋狀斷口：在平坦面上分布直線狀裂紋（如河底干沽狀）11四、SCC的影響因素與預(yù)防措施1、影響因素◆應(yīng)力：拉應(yīng)力◆環(huán)境介質(zhì)：材料對介質(zhì)具有選擇性◆成分：高強(qiáng)鋼中的碳含量、鋁鎂合金中Mg含量◆熱處理工藝：T6、T76、T77(RRA)2、預(yù)防措施◆降低應(yīng)力◆表面處理（噴丸、滲碳、氮化），使表面產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力◆改變腐蝕介質(zhì)◆選材

◆電化學(xué)保護(hù)12§2氫脆斷裂一、引言1、定義:金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的低應(yīng)力脆斷2、類型內(nèi)部氫脆：材料在熔煉、焊接、高溫鍛造、軋制和熱處理等過程中吸收了過量的氫氣而造成的環(huán)境氫脆：在應(yīng)力和含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種低應(yīng)力脆斷。如貯氫壓力容器、酸洗、電鍍材料發(fā)生的斷裂兩者區(qū)別：氫的來源不同，而脆化本質(zhì)是否相同目前尚未定論。13二、氫脆斷口特征1、內(nèi)部氫脆宏觀特征：白點(diǎn)：是大型鍛件和熱軋鋼坯中常見的缺陷它是鋼中氫與組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力、熱應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的細(xì)長裂紋，尺寸一般為幾毫米到幾十毫米。14白點(diǎn)形貌魚眼型白點(diǎn)魚眼的微觀形貌15發(fā)裂白點(diǎn)（不可逆白點(diǎn)）：斷口上呈現(xiàn)白點(diǎn)，呈銀白色，輪廓分明，表面光亮形狀為圓形或橢圓形實(shí)際上是一種內(nèi)部微細(xì)裂紋魚眼型白點(diǎn)（可逆白點(diǎn)）：是以材料內(nèi)部的宏觀缺陷（氣孔、夾渣）為核心的銀白色斑點(diǎn)形狀為圓形或橢圓形核心愈大，白色愈大，白色區(qū)齊平略為下凹16微觀特征：

穿晶解理型或準(zhǔn)解理型花樣，以準(zhǔn)解理較為多見浮云狀波紋狀條狀172、環(huán)境氫脆宏觀形貌：與一般的脆性斷口形態(tài)相似，有時(shí)可見到一些反光的小刻面、結(jié)晶狀顆?；蚍派錉罨硬讳P鋼螺栓氫脆斷口螺釘氫脆斷口18微觀形貌：典型為沿晶斷口與準(zhǔn)解理斷口，有時(shí)看到解理及局部韌斷。19在不同K值下高強(qiáng)鋼的斷裂形式氫脆的沿晶斷口20四、SCC與氫脆的關(guān)系聯(lián)系：

●廣義的SCC包括氫脆斷裂，通常應(yīng)力腐蝕總伴有氫脆。它們共同存在，一般難以區(qū)別。

●微觀斷口形貌也十分相似21區(qū)別：●從電化學(xué)反應(yīng)來看，SCC是陽極溶解控制過程

Fe-2e→Fe+

氫脆是陰極反應(yīng)控制過程

H++e→[H]2[H]→H2↑22●裂源：SCC從表面開始，裂紋分叉氫脆從次表面或內(nèi)部開始，裂紋幾乎不分叉SCC裂紋氫脆裂紋23五、影響氫脆的外部因素1、溫度氫脆多發(fā)生在溫度為-100℃—150℃之間，一般最敏感的溫度是室溫溫度太低，氫不易擴(kuò)散和聚結(jié)溫度太高，氫自由地向大氣中擴(kuò)散，減少了氫含量2、[H]濃度發(fā)生氫脆時(shí)不一定要求氫氣氛或含氫介質(zhì)有很高的濃度如當(dāng)[H]＜1ppm時(shí)就能引起高強(qiáng)鋼的氫脆。243、置放時(shí)間

對于內(nèi)部可逆氫脆，能否出現(xiàn)白點(diǎn)還與置放時(shí)間有關(guān)。置放時(shí)間太長或太短都不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)。25§3蠕變斷裂一、引言1、定義

蠕變：金屬材料在長時(shí)間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使

σ＜σ0.2，也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象蠕變斷裂：由于蠕變變形而最后導(dǎo)致材料的低應(yīng)力脆斷2、發(fā)生條件

0K—Tm范圍內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生蠕變，但只有高于0.3Tm時(shí)才較顯著263、蠕變曲線典型的蠕變曲線27二、斷裂過程

蠕變斷裂主要是沿晶斷裂，包括裂紋形成與擴(kuò)展裂紋形成：楔形裂紋：通常萌生于三個(gè)晶粒相遇的晶粒處，然后沿晶進(jìn)行傳播。裂紋一般在垂直于應(yīng)力方向的晶界上各種楔形裂紋形成示意圖28孔洞型裂紋：

空穴位于與拉伸方向垂直且成大角度的晶界上，在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑動(dòng)，蠕變斷裂是由這些小空穴相互連接形成的?？锥葱土鸭y形成示意圖29顯微空洞的形成30裂紋擴(kuò)展在蠕變斷裂中，很多情況下不存在非常明顯的裂紋擴(kuò)展階段的情況31三、蠕變斷口形貌特征宏觀形貌：斷口附近有明顯的塑性變形，表面有許多龜裂，并被一層氧化膜覆蓋高溫鎳基合金N-73832微觀形貌研究得不廣泛，因在高溫下進(jìn)行，所以斷面上附著一層很厚的氧化膜，遮蓋著細(xì)節(jié)。有時(shí)斷口上布有漣波條紋（滑移線）或沿晶斷口耐熱鋼HK40的蠕變斷口33高溫合金蠕變斷口，漣波條紋耐熱鋼蠕變斷口，其上具有氧化膜顯微特征34§4其它的環(huán)境斷裂一、液態(tài)或固態(tài)金屬脆1、定義：某些高強(qiáng)鋼或合金與一些液態(tài)金屬或固態(tài)金屬接觸時(shí)，使金屬引起顯著脆化。如：銅合金與水銀接觸而產(chǎn)生的液態(tài)汞脆鋁合金被液體Na、Sn脆化鋼與Cd接觸出現(xiàn)鎘脆2、發(fā)生條件●兩種金屬?zèng)]有相互有效的溶解度

●兩種金屬不能形成高熔點(diǎn)的金屬化合物

●固態(tài)金屬表面能被液態(tài)金屬所浸潤353、裂紋形式多枝裂紋網(wǎng)狀裂紋364、斷口形貌特征

宏觀形貌：兩個(gè)區(qū)（緩慢斷裂區(qū)、瞬斷區(qū)）

微觀形貌：大多數(shù)為沿晶脆斷，也有穿晶解理液態(tài)汞脆黃銅的Sn脆37二、過熱斷口與過燒斷口過熱斷口1、定義

材料在熱鍛、熱軋或熱處理加熱時(shí)在高溫長時(shí)間停留由于晶粒粗大而引起的低應(yīng)力脆斷2、斷口形貌特征宏觀形貌：過熱鋼呈石狀，顏色淺灰，無金屬光澤石狀顆粒愈多、愈大，過熱愈嚴(yán)重微觀形貌：典型的延性沿晶斷口38過燒斷口1、過燒：材料在超過過熱溫度下加熱產(chǎn)生的缺陷。

過燒鋼的顯微組織特點(diǎn)：

晶界上出現(xiàn)氧化物、裂紋或局部熔化，晶粒粗大及魏氏組織2、斷口形貌宏觀形貌：全部為石狀，顆粒粗大，顏色灰暗嚴(yán)重過燒出現(xiàn)豆腐渣狀斷口鋁合金過燒后，表面出現(xiàn)許多氣泡，晶界熔化成網(wǎng)絡(luò)狀熔化節(jié)39微觀形貌：冰糖狀，晶界局部熔化出現(xiàn)孔洞，晶界面變寬，內(nèi)有氧化物，晶粒失去棱邊變成表面圓滑的顆粒2214鋁合金的過燒斷口40