金屬的氫損傷

1、氫損傷第一節(jié) 材料腐蝕的基本概念一、腐蝕的基本概念    腐蝕物質(zhì)的表面因發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而受到破壞的現(xiàn)象。腐蝕是物質(zhì)本身質(zhì)的變化化學(xué)變化或電化學(xué)變化。這種質(zhì)的變化是外界環(huán)境、介質(zhì)影響的結(jié)果。因此，也可以把由于環(huán)境介質(zhì)作用于材料或物質(zhì)本身，使之發(fā)生質(zhì)的變化的現(xiàn)象稱為腐蝕。    材料的腐蝕具有雙重性。通常腐蝕對(duì)金屬構(gòu)件是有害的，但有時(shí)可以利用腐蝕現(xiàn)象對(duì)金屬材料進(jìn)行電化學(xué)加工，如制備信息硬件的印刷線路板，制取奧氏體不銹鋼粉末等。故不能片面地把腐蝕視為一種破壞、失效。二、腐蝕的類型  1、根據(jù)金屬腐蝕的機(jī)理不同分類化學(xué)腐蝕金

2、屬表面與非電介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而引起的破壞。電化學(xué)腐蝕金屬表面與電介質(zhì)溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞。 2、根據(jù)腐蝕的環(huán)境分類大氣腐蝕、海水腐蝕、淡水腐蝕、土壤腐蝕、化工介質(zhì)腐蝕、熔融介質(zhì)中的腐蝕 3、根據(jù)腐蝕破壞的外部特征分類（1）全面腐蝕腐蝕分布在整個(gè)表面上并連成一片的腐蝕破壞?？煞譃榫鶆蚋g和不均勻腐蝕。均勻腐蝕腐蝕均勻地發(fā)生在整個(gè)表面上，各部分的腐蝕速度基本相同。    不均勻腐蝕腐蝕雖然發(fā)生在整個(gè)表面上，但各部分的腐蝕速度相差較大。（2）局部腐蝕腐蝕主要發(fā)生在金屬表面的某一個(gè)區(qū)域，而表面的其它部分未被破壞。局部腐蝕比全面腐蝕有更大的

3、危害性，而且更難以預(yù)測(cè)。常見的局部腐蝕：點(diǎn)蝕（又稱孔蝕）、電偶腐蝕、晶間腐蝕、穿晶腐蝕、縫隙腐蝕、選擇性腐蝕、斑點(diǎn)腐蝕、絲狀腐蝕。（3）應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)共同作用下的腐蝕：應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞、氫損傷。三、耐蝕性及其評(píng)定方法     金屬材料在某一環(huán)境介質(zhì)下承受或抵抗腐蝕的能力稱為金屬材料的耐蝕性或抗蝕性。 1、均勻腐蝕的程度與評(píng)定方法（1）腐蝕速度的質(zhì)量指標(biāo)金屬因腐蝕而發(fā)生質(zhì)量變化，在失重時(shí)是指腐蝕前的質(zhì)量與清除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量之間的差值。用下式表示：   V-=(W0-W1)/S×t   V-失重時(shí)的腐

4、蝕速度g/m2h   W0金屬初始質(zhì)量   W1清除腐蝕產(chǎn)物后的質(zhì)量    S金屬的表面積 t腐蝕時(shí)間   在增重時(shí)是指腐蝕后帶有腐蝕產(chǎn)物時(shí)的質(zhì)量與腐蝕前的質(zhì)量之間的差值。用下式表示：   V+=(W2-W0)/S×t   V+增重時(shí)的腐蝕速度g/m2h    W2帶有腐蝕產(chǎn)物的金屬質(zhì)量 （2）金屬腐蝕速度的深度指標(biāo)    把金屬的厚度因腐蝕減少的量，以線量單位表示，并換算成相當(dāng)于單位時(shí)間的數(shù)值。在衡量密度不同的金屬

5、腐蝕程度時(shí)，此種指標(biāo)極為方便?？砂聪率綄⒏g的失重指標(biāo)換算成腐蝕的深度指標(biāo)：   VL= V-×24×365×10/(10000)= V-×8.76/   VL腐蝕的深度指標(biāo) mm/a （毫米/年） 金屬的密度 g/cm3（3）均勻腐蝕金屬耐蝕性的評(píng)定    對(duì)于均勻腐蝕的金屬材料，耐蝕性等級(jí)的劃分大多采用深度指標(biāo)，但金屬腐蝕深度一般是隨時(shí)間變化的，所以從腐蝕手冊(cè)查到的資料難以精確地反映出實(shí)際情況，因此選用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮實(shí)際情況和使用期限。 2、局部腐蝕的程度與評(píng)定方法

6、（1）局部腐蝕程度的表示方法    金屬的局部腐蝕其質(zhì)量及外形尺寸一般沒有明顯變化，但其力學(xué)性能下降。為判斷金屬局部腐蝕的程度，可以進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)測(cè)定金屬腐蝕后的性能變化加以評(píng)定：   腐蝕強(qiáng)度指標(biāo)：指材料腐蝕前后的強(qiáng)度極限變化率。   K=(b-b)/ b ×100% (腐蝕時(shí)間t后)   K腐蝕強(qiáng)度指標(biāo) b腐蝕前強(qiáng)度 b腐蝕后強(qiáng)度   腐蝕的延伸率指標(biāo)：指材料腐蝕前后延伸率的變化。   K=(-)/ ×100% (腐蝕時(shí)間t后)（2）局部腐

7、蝕耐蝕性評(píng)定局部腐蝕的種類和測(cè)試方法很多，評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，所以應(yīng)根據(jù)局部腐蝕的類型選擇表示腐蝕程度的指標(biāo)，按其使用條件與要求選用評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第二節(jié) 應(yīng)力腐蝕開裂一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件 1、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象    金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)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，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂。（Stress Corrosion Cracking, 縮寫為SCC）。常見的有：    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”。    奧化體不銹鋼在

8、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。     不常見的如：油漆中的珠砂（HgS）顏料可導(dǎo)致黃銅開裂。 2、產(chǎn)生條件（1）應(yīng)力：機(jī)件所承受的應(yīng)力包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力（2）化學(xué)介質(zhì)：只有在特定的化學(xué)介質(zhì)中，某種金屬材料才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。（3）金屬材料：一般純金屬不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對(duì)應(yīng)力腐蝕均有不同程度的敏感性。常用金屬材料引起應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理     關(guān)于應(yīng)力腐蝕的機(jī)理曾提出許多學(xué)說，如活性通路電化學(xué)理論，膜破裂理論、氫脆理論，“化學(xué)脆變脆性破裂”理論，腐蝕產(chǎn)物楔入理論、隧洞形蝕

9、孔撕裂理論，應(yīng)力吸附破裂理論，快速溶解理論，環(huán)境破裂三階段理論等，至今尚未得到統(tǒng)一的見解。三、應(yīng)力腐蝕力學(xué)性能指標(biāo)     單位時(shí)間內(nèi)的應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展量稱應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率即da/dt，實(shí)驗(yàn)證明：                    da/dt = f(KI)  應(yīng)力腐蝕的斷裂力學(xué)研究得出如圖示規(guī)律：（1）存在一個(gè)門坎值KISCC。當(dāng)KIKISCC時(shí)，da/d

10、t =0 或微不足道。（2）曲線的III段實(shí)質(zhì)是接近于過載斷裂，腐蝕因素的作用較小。（3）第II段da/dt 決定于環(huán)境而受應(yīng)力強(qiáng)度的影響較小，這表明，此時(shí)是腐蝕過程決定著裂紋擴(kuò)展，而K只是一個(gè)必要的參予和保證因素。（4）k稍大于KISSC的第I階段，da/dt 小，但受K之影響較大。    根據(jù)（3）（4）兩點(diǎn)，我們可把有實(shí)際意義的應(yīng)力腐蝕過程（I、II）在整體上（宏觀上）視為應(yīng)力參與和促進(jìn)的腐蝕過程來研究。 應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子應(yīng)力腐蝕門檻值四、影響應(yīng)力腐蝕的各種因素  1、材料成分的影響 （1）特純的金屬一般不發(fā)生應(yīng)力腐蝕

11、 （2）不同合金系的金屬其應(yīng)力腐蝕體系和規(guī)律大不相同。 （3）很不純的金屬，構(gòu)成比例相差不多的互相隔斷的兩相或多相合金時(shí)，可能主要出現(xiàn)均勻腐蝕，也不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。 （4）金屬或合金中，尤其是單相合金中某敏感雜質(zhì)，由于在晶界偏劇或出現(xiàn)沿晶第二相時(shí)，往往使應(yīng)力腐蝕敏感性增強(qiáng)。如：超純鐵素體不銹鋼抗SCC能力很強(qiáng)，而微量C、N、O影響很壞。 2、組織結(jié)構(gòu)的影響 （1）兩相或多相合金中，各種相的分布狀態(tài)有很大影響。當(dāng)兩相比較分散且分布均勻時(shí)，應(yīng)力腐蝕抗力較好。 （2）完全均勻的單相合金，應(yīng)力腐蝕抗力很高，但實(shí)際的單相合金，往往含有雜質(zhì)元素使其

12、抗應(yīng)力腐蝕能力降低。 （3）一般，晶粒粗大對(duì)應(yīng)力腐蝕性能不利。 （4）合金淬火后，隨回火溫度提高及時(shí)間加長(zhǎng)應(yīng)力腐蝕抗力 （5）硫化物等各類夾雜物總是有害的。 3、介質(zhì)的影響 （1）濃度： 濃度應(yīng)力腐蝕壽命 （2）pH值 pH即酸性增強(qiáng) 碳鋼在硝酸及H2S中的應(yīng)力腐蝕    不銹鋼的氯脆鈦合金在Cl-、Br-、I-離子中的應(yīng)力腐蝕 （3）緩蝕劑和促進(jìn)劑    介質(zhì)中添加緩蝕劑，可減輕應(yīng)力腐蝕，但同時(shí)應(yīng)注意到微量雜質(zhì)可成為促進(jìn)劑。 4、溫度 

13、0; 一般溫度應(yīng)力腐蝕斷裂壽命，但也有試驗(yàn)證明存在一個(gè)應(yīng)力腐蝕敏感溫度區(qū)。 5、金屬?gòu)?qiáng)度水平    對(duì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和馬氏體不銹鋼，sKISCC，對(duì)熱處理強(qiáng)化鋁合金和鈦合金也有類似的結(jié)果。 6、載荷（應(yīng)力）水平的影響    應(yīng)力腐蝕只能出現(xiàn)在拉應(yīng)力部位    不銹鋼在42%MgCl2沸騰水溶液中的拉應(yīng)力對(duì)斷裂壽命的影響。 五、應(yīng)力腐蝕斷裂斷口分析  1、應(yīng)力腐蝕斷裂斷口宏觀特征 （1）即使是塑韌性非常好的材料，其應(yīng)力腐蝕斷裂的宏觀形貌都是完全脆性的。 （2）

14、斷口往往是粗糙的。 （3）斷口上有腐蝕產(chǎn)物帶來的顏色變化，但深裂紋的裂夾區(qū)的顏色可能很淺，不易為肉眼辨認(rèn)。 （4）由于斷裂總是從與介質(zhì)接觸的表面開始，故啟裂區(qū)表面附近的斷口顏色最深，有時(shí)由于腐蝕進(jìn)展的變化會(huì)在斷口上留下海灘花樣。 （5）與介質(zhì)接觸表面往往有點(diǎn)蝕或蝕斑。 （6）應(yīng)注意，有腐蝕產(chǎn)物不是判定應(yīng)力腐蝕的充分條件。因?yàn)橐灿锌赡苡捎趧e的機(jī)制導(dǎo)致斷裂后，斷口受到隨后的腐蝕。 2、應(yīng)力腐蝕斷裂途徑（圖示） （1）根據(jù)金屬和合金的種類及介質(zhì)不同，SCC可以是沿晶的或穿晶的，      &

15、#160;     碳鋼和鉻不銹鋼多系沿晶            奧氏體不銹鋼多為穿晶            鋁、鈦、鎳也多為沿晶 但也有例外的。  （2）裂紋擴(kuò)展的宏觀方向與應(yīng)力有關(guān)，大體垂直于主應(yīng)力，但裂紋常有分支 3、應(yīng)力腐蝕斷口微觀特征  （1）若腐蝕產(chǎn)物不是很厚或被清洗掉后，在適當(dāng)（如數(shù)百倍）倍率下，沿晶斷口的形貌是顆

16、粒狀。 （2）穿晶型的應(yīng)力腐蝕斷口有羽毛狀花樣或明顯的類似解理形貌。 （3）在腐蝕產(chǎn)物很厚的情況下，斷口形貌可能被掩蓋。 （4）腐蝕產(chǎn)的的形貌同金屬基體形貌不同，常見的是泥紋花樣。 （5）清洗過的SCC斷口能看出被腐蝕的跡象，尤其是沿晶型，更易辨認(rèn)，這是同單純氫脆及其它沿晶斷口相區(qū)別的重要依據(jù)。 應(yīng)力腐蝕斷口微觀特征六、防止應(yīng)力腐蝕的措施 1、合理選擇金屬材料2、養(yǎng)活或消除機(jī)件中中的殘余應(yīng)力3、改善化學(xué)介質(zhì)4、采用電化學(xué)保護(hù) 第三節(jié) 金屬的氫損傷一、氫損傷的種類 1、氫脆 （1）氫應(yīng)力開裂，又叫內(nèi)氫脆。它主要在碳鋼、低合金鋼

17、，尤其在高強(qiáng)鋼中發(fā)生。當(dāng)鋼中含有0.110ppm氫并受到慢速應(yīng)變（或承受一定水平以上的拉應(yīng)力）時(shí)出現(xiàn)裂紋而脆化、脆斷。一般有一個(gè)孕育期，發(fā)生溫度范圍為100100。典型如氫致延遲斷裂。 （2）氫環(huán)境脆化是指鋼、鎳基合金、鈦合金等在氫壓0.01102MPa環(huán)境中，慢速應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)的脆化。發(fā)生溫度范圍為100700，無孕育期。 （3）氫致拉伸延性喪失涉及材料為鐵素體鋼、馬氏體鋼和奧氏體鋼等。當(dāng)其溶有氫時(shí)，其延伸率、斷面收縮率均隨含氫量增多而有所下降，屈服強(qiáng)度不變，而斷裂強(qiáng)度有所降低。在低應(yīng)變速率時(shí)，表現(xiàn)更為明顯。這種氫損傷的溫度范圍為100700。  2、氫化物氫脆主要

18、指Ti、Zr等金屬內(nèi)部含H過飽和，沉淀析出氫化物而脆化。 3、氫鼓泡發(fā)生于0150。當(dāng)鋼因腐蝕或電解、電鍍而氫活度很高，以致在內(nèi)部產(chǎn)生很高的氫氣壓，將金屬膨脹起來，成為氣泡。 4、氫腐蝕發(fā)生的溫度較氫鼓泡高，在205595。其本質(zhì)是氫與鋼中的碳結(jié)合生成CH4而鼓泡。由于其受損的外形與氫鼓泡相似，故早期常將這兩者混為一談。 5、發(fā)紋或白點(diǎn)通常發(fā)生于大型鋼鍛件中的一種缺陷。一般認(rèn)為冶煉或熱加工時(shí)溶入的氫在鋼冷卻時(shí)在空隙、微縮孔等缺陷處沉淀析出，過量的氫與鍛件冷卻的內(nèi)應(yīng)力共同作用導(dǎo)致內(nèi)部微裂，即為白點(diǎn)。 6、流變特性退化當(dāng)鋼鐵或鎳基合金含有內(nèi)氫或處于氫環(huán)境中，

19、其流變強(qiáng)度下降，特別表現(xiàn)在蠕變溫度下的蠕變速率增大。7、顯微穿孔    在氣態(tài)氫壓特別高，如2000大氣壓以上時(shí)，溫度20100，鋼中出現(xiàn)特別小的發(fā)紋以致氣體透出。     上述各種氫損傷中，常見且研究較多是發(fā)紋式或白點(diǎn)，氫應(yīng)力開裂，氫腐蝕和氫鼓泡。二、氫的來源及其在金屬中的存在形態(tài)  1、內(nèi)氫的來源    冶煉、熱加工、焊接、電鍍、酸洗等時(shí)氫侵入金屬中。 2、環(huán)境氫    零件或構(gòu)件處于含氫的環(huán)境中工作，簡(jiǎn)稱為“臨氫”。 3、氫在金屬中的存在形

20、態(tài)    溶解氫：固溶于金屬中的氫；    化合氫：形成各種氫化物；    分子氫：氣態(tài)H2存在于金屬內(nèi)部的氣孔、裂縫中；    氫還可以與各種合金元素溶質(zhì)原子、晶體缺陷、各種化合物相發(fā)生程度不同的結(jié)合。如與位錯(cuò)結(jié)合成為Cottrell氣團(tuán)。這些氫同理想溶解態(tài)氫是有區(qū)別的。 4、氫的擴(kuò)散    擴(kuò)散氫、殘余氫 三、鋼中氫損傷機(jī)理  1、氣體壓力致裂 2、氫化物氫脆 3、氫致馬氏體脆化 4、氫腐蝕&

21、#160;5、延遲氫脆 四、氫損傷的斷裂和斷口分析  1、宏觀分析 2、微觀分析 五、影響氫損傷的因素及相應(yīng)的控制措施  1、控制內(nèi)氫的來源及濃度 2、在環(huán)境氫損傷情況下，設(shè)法阻礙氫進(jìn)入鋼中 3、在設(shè)計(jì)、制造、選材方面 六、應(yīng)力腐蝕、氫致延遲斷裂區(qū)分  1、裂源位置：應(yīng)力腐蝕裂源在表面，氫致延遲斷裂大多在表皮下，偶爾在表面應(yīng)力集中處。 2、裂紋擴(kuò)展：應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展有許多分枝，而氫致延遲斷裂為單枝或極少。 3、斷口宏觀特征：應(yīng)力腐蝕斷口顏色較暗，裂源區(qū)顏色最深。氫致延遲斷裂斷口顏色較光亮，但在實(shí)際工況下很少有不受污染的斷口，斷后可能受均勻腐蝕，要注意區(qū)分。 4、應(yīng)力腐蝕一般為沿晶斷裂，也有穿晶解理斷裂，有較多的腐蝕產(chǎn)物，裂源