第六章過程裝備失效與材料的關(guān)系

1、金屬斷裂的物理本質(zhì)金屬斷裂的物理本質(zhì)一、斷裂的基本類型一、斷裂的基本類型 根據(jù)斷裂前金屬是否呈現(xiàn)有明顯的塑性變形，可將斷裂根據(jù)斷裂前金屬是否呈現(xiàn)有明顯的塑性變形，可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂兩大類。分為韌性斷裂與脆性斷裂兩大類。 通常以單向拉伸時(shí)的斷面收縮率大于通常以單向拉伸時(shí)的斷面收縮率大于5%5%者為韌性斷裂，者為韌性斷裂，而小于而小于5%5%者為脆性斷裂。者為脆性斷裂。 此外，按斷裂面相對作用力方向的取向關(guān)系，分正斷與此外，按斷裂面相對作用力方向的取向關(guān)系，分正斷與剪斷兩種形式，垂直于最大正應(yīng)力的斷裂稱正斷，沿最大切剪斷兩種形式，垂直于最大正應(yīng)力的斷裂稱正斷，沿最大切應(yīng)力方向發(fā)生的斷裂

2、為剪斷。應(yīng)力方向發(fā)生的斷裂為剪斷。 通常正斷沿解理面斷裂；剪斷沿滑移面斷裂。通常正斷沿解理面斷裂；剪斷沿滑移面斷裂。 韌性斷裂韌性斷裂 在斷裂前金屬經(jīng)受了較大的塑性變形，在斷裂前金屬經(jīng)受了較大的塑性變形，其斷口呈纖其斷口呈纖維狀，灰暗無光。維狀，灰暗無光。韌性斷裂主要是穿晶斷裂，如果晶界韌性斷裂主要是穿晶斷裂，如果晶界處有夾雜物或沉淀物聚集，則也會(huì)發(fā)生晶間斷裂。處有夾雜物或沉淀物聚集，則也會(huì)發(fā)生晶間斷裂。 韌性斷裂也有不同的表現(xiàn)形式：一種是切變斷裂，韌性斷裂也有不同的表現(xiàn)形式：一種是切變斷裂，例如密排六方金屬單晶體沿基面作大量滑移后就會(huì)發(fā)生例如密排六方金屬單晶體沿基面作大量滑移后就會(huì)發(fā)生這種形

3、式的斷裂，其斷裂面就是滑移面，如圖這種形式的斷裂，其斷裂面就是滑移面，如圖3-68b3-68b所示；所示；另一種是試樣在塑性變形后出現(xiàn)縮頸，一些塑性非常好另一種是試樣在塑性變形后出現(xiàn)縮頸，一些塑性非常好的材料如金、鉛和鋁，可以拉縮成一個(gè)點(diǎn)才斷開，如圖的材料如金、鉛和鋁，可以拉縮成一個(gè)點(diǎn)才斷開，如圖3-68c3-68c所示；對于一般的韌性金屬，斷裂則由試樣中心開所示；對于一般的韌性金屬，斷裂則由試樣中心開始，然后沿圖始，然后沿圖3-68d3-68d所示的虛線斷開，形成杯錐狀斷口。所示的虛線斷開，形成杯錐狀斷口。 宏觀斷裂微觀斷裂正斷與剪斷的宏觀與微觀形式韌性斷裂有如下幾個(gè)特點(diǎn)：韌性斷裂有如下幾個(gè)

4、特點(diǎn)：1 1。韌性斷裂前已發(fā)生了較大的塑性變形，斷裂時(shí)要消耗。韌性斷裂前已發(fā)生了較大的塑性變形，斷裂時(shí)要消耗相當(dāng)多的能量，所以韌性斷裂是一種高能量的吸收過程；相當(dāng)多的能量，所以韌性斷裂是一種高能量的吸收過程；2 2。在小裂紋不斷擴(kuò)大和聚合過程中，又有新裂紋不斷產(chǎn)。在小裂紋不斷擴(kuò)大和聚合過程中，又有新裂紋不斷產(chǎn)生，所以韌性斷裂通常表現(xiàn)為多斷裂源；生，所以韌性斷裂通常表現(xiàn)為多斷裂源；3 3。韌性斷裂的裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力大于裂紋形核的臨界。韌性斷裂的裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力大于裂紋形核的臨界應(yīng)力，所以韌性斷裂是個(gè)緩慢的撕裂過程；應(yīng)力，所以韌性斷裂是個(gè)緩慢的撕裂過程；4 4。隨著變形的不斷進(jìn)行裂紋不斷生成、

5、擴(kuò)展和集聚，變。隨著變形的不斷進(jìn)行裂紋不斷生成、擴(kuò)展和集聚，變形一旦停止，裂紋的擴(kuò)展也將隨著停止。形一旦停止，裂紋的擴(kuò)展也將隨著停止。 1 1脆性斷裂脆性斷裂 在斷面外觀上沒有明顯的塑性變形跡象，直接由彈性變在斷面外觀上沒有明顯的塑性變形跡象，直接由彈性變形狀態(tài)過渡到斷裂，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊，形狀態(tài)過渡到斷裂，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊，如圖如圖3-68a3-68a所示。所示。 脆性斷裂在單晶體試樣中常表現(xiàn)為沿解理面的解理斷裂。脆性斷裂在單晶體試樣中常表現(xiàn)為沿解理面的解理斷裂。所謂解理面，一般都是晶面指數(shù)比較低的晶面，如體心立方所謂解理面，一般都是晶面指數(shù)比較低的晶面，如體

6、心立方的（的（100100）面。）面。 在多晶體試樣中則可能出現(xiàn)兩種情況：在多晶體試樣中則可能出現(xiàn)兩種情況：一是裂紋沿解理面的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；一是裂紋沿解理面的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；二是裂紋沿晶界的晶間斷裂，斷口呈顆粒狀。二是裂紋沿晶界的晶間斷裂，斷口呈顆粒狀。 解理斷裂 cleavage 穿晶脆性斷裂：在一定條件下（低溫高速及應(yīng)力穿晶脆性斷裂：在一定條件下（低溫高速及應(yīng)力集中），當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值，快速沿一定的結(jié)晶集中），當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值，快速沿一定的結(jié)晶面面（解理面）（解理面）而發(fā)生的斷裂。而發(fā)生的斷裂。 例：低碳鋼發(fā)生解理斷裂時(shí)，常沿鐵素體例：低碳鋼發(fā)生解理斷裂時(shí)

7、，常沿鐵素體100晶面發(fā)生。晶面發(fā)生。 密排六方密排六方 0001解釋解釋: T對斷裂應(yīng)力對斷裂應(yīng)力f/屈屈服強(qiáng)度服強(qiáng)度s影響不同影響不同T對對f影響不大影響不大,對對s影響顯著影響顯著TT c. f s ductileT T c. f s brittle二、斷裂過程與物理本質(zhì)二、斷裂過程與物理本質(zhì) 金屬的塑性變形過程和斷裂過程是同時(shí)發(fā)生的，而斷裂金屬的塑性變形過程和斷裂過程是同時(shí)發(fā)生的，而斷裂過程通常又可以分為裂紋生核和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。過程通常又可以分為裂紋生核和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。 從力學(xué)角度看，金屬多晶體在外力的作用下發(fā)生塑性變從力學(xué)角度看，金屬多晶體在外力的作用下發(fā)生塑性變形的初始階段

8、并不是在所有晶粒內(nèi)同時(shí)發(fā)生，而首先在位向形的初始階段并不是在所有晶粒內(nèi)同時(shí)發(fā)生，而首先在位向有利的晶粒（即外力對其滑移系統(tǒng)具有最大切應(yīng)力的晶粒）有利的晶粒（即外力對其滑移系統(tǒng)具有最大切應(yīng)力的晶粒）中以滑移或?qū)\晶方式發(fā)生塑性變形。中以滑移或?qū)\晶方式發(fā)生塑性變形。 從位錯(cuò)理論的觀點(diǎn)來看：金屬的塑性變形實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)從位錯(cuò)理論的觀點(diǎn)來看：金屬的塑性變形實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)和不斷增殖的過程。在滑移面上運(yùn)動(dòng)和不斷增殖的過程。 金屬斷裂的基本過程金屬斷裂的基本過程 一、微裂紋的萌生機(jī)理一、微裂紋的萌生機(jī)理 金屬發(fā)生斷裂，先要形成微裂紋。這些微裂紋主要來自金屬發(fā)生斷裂，先要形成微裂紋。這些微裂紋主要來自

9、兩個(gè)方面：一是材料內(nèi)部原有的，如實(shí)際金屬材料內(nèi)部的氣兩個(gè)方面：一是材料內(nèi)部原有的，如實(shí)際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷；二是在塑性變形過程中，由于位孔、夾雜、微裂紋等缺陷；二是在塑性變形過程中，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和塞積等原因而使裂紋形核。隨著變形的發(fā)展導(dǎo)致錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和塞積等原因而使裂紋形核。隨著變形的發(fā)展導(dǎo)致裂紋不斷長大，當(dāng)裂紋長大到一定尺寸后，便失穩(wěn)擴(kuò)展，直裂紋不斷長大，當(dāng)裂紋長大到一定尺寸后，便失穩(wěn)擴(kuò)展，直至最終斷裂。至最終斷裂。 裂紋形核理論裂紋形核理論 1 1位錯(cuò)塞積理論位錯(cuò)塞積理論 2 2位錯(cuò)反應(yīng)理論位錯(cuò)反應(yīng)理論 3 3位錯(cuò)墻側(cè)移理論位錯(cuò)墻側(cè)移理論 4 4位錯(cuò)消毀理論位錯(cuò)消毀理論

10、位錯(cuò)塞積引起裂口胚芽示意圖2 2位錯(cuò)反應(yīng)理論位錯(cuò)反應(yīng)理論 圖圖3-713-71表示在相交的滑移面上，由于位錯(cuò)反應(yīng)發(fā)生了同表示在相交的滑移面上，由于位錯(cuò)反應(yīng)發(fā)生了同號位錯(cuò)的聚合，便形成了微裂紋。在體心立方中，兩位錯(cuò)相號位錯(cuò)的聚合，便形成了微裂紋。在體心立方中，兩位錯(cuò)相遇反應(yīng)的結(jié)果，可在解理面上形成不易滑移的遇反應(yīng)的結(jié)果，可在解理面上形成不易滑移的001001刃型位刃型位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)的合并即是體心立方的解理面（錯(cuò)，刃型位錯(cuò)的合并即是體心立方的解理面（001001）面上形）面上形成解理裂紋。成解理裂紋。 3 3位錯(cuò)墻側(cè)移理論位錯(cuò)墻側(cè)移理論 由于刃型位錯(cuò)的垂直排列構(gòu)成了位錯(cuò)墻，同時(shí)引起滑移由于刃型位錯(cuò)

11、的垂直排列構(gòu)成了位錯(cuò)墻，同時(shí)引起滑移面的彎折而使裂口形核（圖面的彎折而使裂口形核（圖3-723-72），裂口面將是和滑移面重），裂口面將是和滑移面重合。密排六方金屬沿滑移面斷裂的原因正是這一理論。合。密排六方金屬沿滑移面斷裂的原因正是這一理論。 4 4位錯(cuò)消毀理論位錯(cuò)消毀理論 在外力作用下位錯(cuò)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，若兩個(gè)相距為在外力作用下位錯(cuò)發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，若兩個(gè)相距為h10h10個(gè)個(gè)原子間距的平行滑移面上，存在有異號刃型位錯(cuò)，當(dāng)它們相原子間距的平行滑移面上，存在有異號刃型位錯(cuò)，當(dāng)它們相互接近后，就會(huì)彼此合并而消毀，便在中心處形成孔隙，隨互接近后，就會(huì)彼此合并而消毀，便在中心處形成孔隙，隨著滑移的進(jìn)行，

12、孔隙逐漸擴(kuò)大，形成長條形空洞（圖著滑移的進(jìn)行，孔隙逐漸擴(kuò)大，形成長條形空洞（圖3-733-73）。）。 二、裂紋的擴(kuò)展二、裂紋的擴(kuò)展 金屬材料在塑性變形過程中形成微裂紋（或空洞），并金屬材料在塑性變形過程中形成微裂紋（或空洞），并不意味著材料即將斷裂，從微裂紋形成到導(dǎo)致金屬的最終斷不意味著材料即將斷裂，從微裂紋形成到導(dǎo)致金屬的最終斷裂是一個(gè)擴(kuò)展過程，這個(gè)過程與材料的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等外裂是一個(gè)擴(kuò)展過程，這個(gè)過程與材料的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等外部條件密切相關(guān)。部條件密切相關(guān)。 塑性塑性- -脆性轉(zhuǎn)變脆性轉(zhuǎn)變 塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，像金屬鎢，雖在塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，像金屬鎢，雖在

13、室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑性。在拉伸時(shí)室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑性。在拉伸時(shí)為脆性的金屬，在高靜水壓力下卻呈現(xiàn)塑性。在室溫下拉伸為脆性的金屬，在高靜水壓力下卻呈現(xiàn)塑性。在室溫下拉伸為塑性的金屬，在出現(xiàn)缺口、低溫、高變形速度時(shí)卻可能變?yōu)樗苄缘慕饘伲诔霈F(xiàn)缺口、低溫、高變形速度時(shí)卻可能變得很脆。所以，得很脆。所以，金屬是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種金屬是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內(nèi)在因素和外在條件。內(nèi)在因素和外在條件。 一般的金屬與合金（面心立方者除外）有塑性一般的金屬與合金（面心立方者除外）有塑性- -脆脆性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。如果改變試驗(yàn)溫度，就可以

14、發(fā)現(xiàn)存在如果改變試驗(yàn)溫度，就可以發(fā)現(xiàn)存在有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度TcTc，在，在TcTc以上，斷裂是韌性的，在以上，斷裂是韌性的，在TcTc以下，斷裂就是脆性的。以下，斷裂就是脆性的。 圖圖3-74a3-74a表示了不同金屬斷面收縮率隨溫度變化的表示了不同金屬斷面收縮率隨溫度變化的情況，在轉(zhuǎn)變溫度處斷面收縮率突然下降。如果溫度情況，在轉(zhuǎn)變溫度處斷面收縮率突然下降。如果溫度保持不變，而將其他參數(shù)改變，例如改變晶粒度、屈保持不變，而將其他參數(shù)改變，例如改變晶粒度、屈服強(qiáng)度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)（用不同深度的缺口來服強(qiáng)度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)（用不同深度的缺口來影響應(yīng)力狀態(tài)，缺口越深、轉(zhuǎn)變溫度越高、

15、造成所謂影響應(yīng)力狀態(tài)，缺口越深、轉(zhuǎn)變溫度越高、造成所謂缺口脆性）等，如圖缺口脆性）等，如圖3-74b3-74b所示，同樣也可以出現(xiàn)塑性所示，同樣也可以出現(xiàn)塑性- -脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。 生活經(jīng)驗(yàn)生活經(jīng)驗(yàn) 用力拉一根鐵絲很難拉斷，反復(fù)地彎這根鐵絲用力拉一根鐵絲很難拉斷，反復(fù)地彎這根鐵絲卻能將它折斷。卻能將它折斷。 u工程中的零件或構(gòu)件的破壞工程中的零件或構(gòu)件的破壞80%以上是由于疲以上是由于疲勞引起。勞引起。491. 1. 疲勞斷裂失效的基本形式疲勞斷裂失效的基本形式 機(jī)械零件疲勞斷裂失效形式很多。機(jī)械零件疲勞斷裂失效形式很多。 按交變載荷的形式不同按交變載荷的形式不同，可分為拉壓疲勞、

16、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞，可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞等；、接觸疲勞、振動(dòng)疲勞等； 按疲勞斷裂的總周次的大?。ò雌跀嗔训目傊艽蔚拇笮。∟ Nf f）可分為高周疲勞（可分為高周疲勞（N Nf f10105 5）和）和低周疲勞（低周疲勞（N Nf f10104 4）；）； 按零件服役的溫度及介質(zhì)條件按零件服役的溫度及介質(zhì)條件可分為機(jī)械疲勞（常溫、空氣中的可分為機(jī)械疲勞（常溫、空氣中的疲勞）、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。疲勞）、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。 但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞及由正應(yīng)力但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的

17、切斷疲勞及由正應(yīng)力引起的正斷疲勞。引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂，都是由這兩種基本形式在不同條其它形式的疲勞斷裂，都是由這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。件下的復(fù)合。疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征504.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征511.11.1、切斷疲勞失效、切斷疲勞失效 切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。切應(yīng)力引起疲勞初裂紋萌生的力切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。切應(yīng)力引起疲勞初裂紋萌生的力學(xué)條件是：切應(yīng)力缺口切斷強(qiáng)度學(xué)條件是：切應(yīng)力缺口切斷強(qiáng)度1；正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度；正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度1。 切斷疲勞的特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平

18、面應(yīng)力狀態(tài)；初切斷疲勞的特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)力狀態(tài)；初裂紋的所在平面與應(yīng)力軸約成裂紋的所在平面與應(yīng)力軸約成45角，并沿其滑移面擴(kuò)展。角，并沿其滑移面擴(kuò)展。 由于由于面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)的單相金屬材料的切斷強(qiáng)度一般略低于正斷強(qiáng)度，而的單相金屬材料的切斷強(qiáng)度一般略低于正斷強(qiáng)度，而在單向壓縮、拉伸及扭轉(zhuǎn)條件下，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值（即軟性在單向壓縮、拉伸及扭轉(zhuǎn)條件下，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值（即軟性系數(shù)）分別為系數(shù)）分別為2.0、0.5、0.8，所以對于這類材料，其零件的表層比較容易滿，所以對于這類材料，其零件的表層比較容易滿足上述力學(xué)條件，因而多以切斷形式破壞

19、。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞足上述力學(xué)條件，因而多以切斷形式破壞。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞初裂紋，絕大多數(shù)以這種方式形成和擴(kuò)展。初裂紋，絕大多數(shù)以這種方式形成和擴(kuò)展。低強(qiáng)度高塑性材料制作的中小型低強(qiáng)度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及較高的溫度條件都將有利于這種及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及較高的溫度條件都將有利于這種破壞形式的產(chǎn)生。破壞形式的產(chǎn)生。4.1 4.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征521.21.2、正斷疲勞失效、正斷疲勞失效 正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起的。初裂紋產(chǎn)生的力學(xué)條件是：正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起的。初

20、裂紋產(chǎn)生的力學(xué)條件是：正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度1，切應(yīng)力缺口切斷強(qiáng)度，切應(yīng)力缺口切斷強(qiáng)度1。 正斷疲勞的特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)變狀態(tài)；正斷疲勞的特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)變狀態(tài)；初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地沿著結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展。沿著結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展。 大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以此種形式進(jìn)行的大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以此種形式進(jìn)行的。特別是體。特別是體心立方金屬及其合金以這種形式破壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試心立方金屬及其合金以

21、這種形式破壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試件的內(nèi)部裂紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較深的缺口件的內(nèi)部裂紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較深的缺口、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生 高強(qiáng)度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振幅、低的加載頻率及高強(qiáng)度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振幅、低的加載頻率及腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。 4.1 4.1 疲勞斷裂的基本形式和特征疲勞斷裂的基本形式和特征14. .4 S

22、- -N曲線及曲線及疲勞極限的測定疲勞極限的測定 試驗(yàn)表明試驗(yàn)表明：在某一循環(huán)特性下，若最大應(yīng)力不超：在某一循環(huán)特性下，若最大應(yīng)力不超過過某一極限值某一極限值，則材料可經(jīng)受，則材料可經(jīng)受無限次無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞。生疲勞。 通常將最大應(yīng)力的這一極限值稱為材料在循環(huán)特性通常將最大應(yīng)力的這一極限值稱為材料在循環(huán)特性r 時(shí)的時(shí)的疲勞極限疲勞極限（持久極限持久極限），用表示），用表示 r。 疲勞極限是衡量材料疲勞失效的強(qiáng)度指標(biāo)疲勞極限是衡量材料疲勞失效的強(qiáng)度指標(biāo) 疲勞極限與循環(huán)特性有關(guān)疲勞極限與循環(huán)特性有關(guān) 對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限最小對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限最小 對稱循環(huán)是交變應(yīng)力中的最

23、危險(xiǎn)情況對稱循環(huán)是交變應(yīng)力中的最危險(xiǎn)情況一、一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)14. .4 S- -N曲線及曲線及疲勞極限的測定疲勞極限的測定疲勞疲勞極限極限的測定：的測定： 2. .第一根試樣承受第一根試樣承受 max 0.7 b ； 通常在通常在純彎曲純彎曲變形下測定變形下測定對稱循環(huán)對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限時(shí)的疲勞極限 -1-1測定步驟測定步驟： 1. .準(zhǔn)備準(zhǔn)備610個(gè)個(gè)d = =710 mm光滑小試樣；光滑小試樣； 3. .逐步減小逐步減小 max，直到循環(huán)次數(shù)很大時(shí)，得到，直到循環(huán)次數(shù)很大時(shí)，得到 - -1= = max。二、二、疲勞極限的測定方法疲勞極限的測定方法14. .4 S- -

24、N曲線及曲線及疲勞極限的測定疲勞極限的測定F522431Fa/21試樣2夾頭3計(jì)數(shù)器4電機(jī)5傳動(dòng)軸6重物+aa6二、二、疲勞極限的測定方法疲勞極限的測定方法疲勞疲勞極限極限的測定：的測定： 通常在通常在純彎曲純彎曲變形下測定變形下測定對稱循環(huán)對稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限時(shí)的疲勞極限 -1-114. .4 S- -N曲線及曲線及疲勞極限的測定疲勞極限的測定 以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)( (壽命壽命) )為橫坐為橫坐標(biāo)，將疲勞試驗(yàn)結(jié)果描繪成的曲線，稱為標(biāo)，將疲勞試驗(yàn)結(jié)果描繪成的曲線，稱為應(yīng)力應(yīng)力壽壽命曲線命曲線或或S- -N曲線曲線。N max max 1 max 2 1NN

25、=1072NS-N曲線二、二、疲勞極限的測定方法疲勞極限的測定方法14. .4 S- -N曲線及曲線及疲勞極限的測定疲勞極限的測定常溫試驗(yàn)結(jié)果表明：常溫試驗(yàn)結(jié)果表明： 若鋼材經(jīng)過若鋼材經(jīng)過107次循環(huán)仍未疲勞，則再增加循環(huán)次次循環(huán)仍未疲勞，則再增加循環(huán)次數(shù)，也不會(huì)疲勞。數(shù)，也不會(huì)疲勞。鋼材的疲勞極限鋼材的疲勞極限經(jīng)經(jīng)107次循環(huán)仍未發(fā)生疲勞的最大次循環(huán)仍未發(fā)生疲勞的最大 循環(huán)基數(shù)循環(huán)基數(shù)N0=107循環(huán)次數(shù)循環(huán)次數(shù) 應(yīng)力應(yīng)力二、二、疲勞極限的測定方法疲勞極限的測定方法N max max 1 max 2 1NN=1072NS-N曲線SJTU上海交通大學(xué)材料力學(xué)材料力學(xué) Mechanics of

26、Materials 疲疲 勞勞 Fatigue疲疲 勞勞 FatigueSJTU上海交通大學(xué)材料力學(xué)材料力學(xué) Mechanics of Materials 疲疲 勞勞 Fatigue耐蝕性 指材料抵抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕 的能力腐蝕性 指環(huán)境介質(zhì)腐蝕材料的強(qiáng) 弱程度腐蝕過程的本質(zhì) 金屬 金屬化合物 G0， 自發(fā)過程 不可逆過程腐蝕的危害 造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失造成金屬資源和能源的浪費(fèi)造成設(shè)備的破壞事故阻礙新技術(shù)的發(fā)展經(jīng)濟(jì)損失包括直接損失和間接損失 直接損失：指采用防護(hù)技術(shù)的費(fèi)用和發(fā)生腐蝕破壞以后的維修、更換費(fèi)用和勞務(wù)費(fèi)用。 間接損失：指設(shè)備發(fā)生腐蝕破壞造成停工、停產(chǎn)；跑、冒、滴、漏造成物料流失；腐蝕使產(chǎn)品

27、污染，質(zhì)量下降，設(shè)備效率降低，能耗增加；在計(jì)算壁厚時(shí)需增加腐蝕裕度，造成鋼材浪費(fèi)等。孔蝕孔蝕 孔蝕即小孔腐蝕，亦稱點(diǎn)蝕。腐蝕破壞形態(tài)是孔蝕即小孔腐蝕，亦稱點(diǎn)蝕。腐蝕破壞形態(tài)是金屬表面局部位置形成蝕孔或蝕坑，一般孔深金屬表面局部位置形成蝕孔或蝕坑，一般孔深大于孔徑。大于孔徑。 腐蝕的破壞特征腐蝕的破壞特征 破壞高度集中破壞高度集中 蝕孔的分布不均勻蝕孔的分布不均勻蝕孔通常沿重力方向發(fā)展蝕孔通常沿重力方向發(fā)展 蝕孔口很小，而且往往覆蓋有固體沉積物，因蝕孔口很小，而且往往覆蓋有固體沉積物，因此不易發(fā)現(xiàn)。此不易發(fā)現(xiàn)。 (1) 孔蝕發(fā)生有或長或短的孕育期孔蝕發(fā)生有或長或短的孕育期(或誘導(dǎo)期或誘導(dǎo)期)。

28、孔蝕的引發(fā)孔蝕的引發(fā) 孔蝕的形成可分為引發(fā)和成長孔蝕的形成可分為引發(fā)和成長(發(fā)展發(fā)展)兩個(gè)階段。兩個(gè)階段。在鈍態(tài)金屬表面上，蝕孔優(yōu)先在一些敏感位置上形在鈍態(tài)金屬表面上，蝕孔優(yōu)先在一些敏感位置上形成，這些敏感位置成，這些敏感位置(即腐蝕活性點(diǎn)即腐蝕活性點(diǎn))包括：包括： 晶界晶界(特別是有碳化物析出的晶界特別是有碳化物析出的晶界)，晶格缺陷，晶格缺陷 。非金屬夾雜，特別是硫化物非金屬夾雜，特別是硫化物,如如FeS、MnS，是最，是最為敏感的活性點(diǎn)。為敏感的活性點(diǎn)。 (1) 鈍化膜的薄弱點(diǎn)鈍化膜的薄弱點(diǎn)(如位錯(cuò)露頭、劃傷等如位錯(cuò)露頭、劃傷等)。 孔蝕的影響因素孔蝕的影響因素 金屬材料金屬材料 能夠鈍

29、化的金屬容易發(fā)生孔蝕，故不能夠鈍化的金屬容易發(fā)生孔蝕，故不銹鋼銹鋼 比碳鋼對孔蝕的敏感性高。金屬鈍態(tài)比碳鋼對孔蝕的敏感性高。金屬鈍態(tài)愈穩(wěn)定，抗孔蝕性能愈好?？孜g最容易發(fā)愈穩(wěn)定，抗孔蝕性能愈好。孔蝕最容易發(fā)生在生在 鈍態(tài)不穩(wěn)定的金屬表面。鈍態(tài)不穩(wěn)定的金屬表面。 對不銹鋼，對不銹鋼，Cr、Mo和和N有利于提高抗有利于提高抗孔蝕能力?？孜g能力。 (2) 環(huán)境環(huán)境 活性離子能破壞鈍化膜，引發(fā)孔蝕。一般認(rèn)為，活性離子能破壞鈍化膜，引發(fā)孔蝕。一般認(rèn)為，金屬發(fā)生孔蝕需要金屬發(fā)生孔蝕需要Cl- 濃度達(dá)到某個(gè)最低值濃度達(dá)到某個(gè)最低值(臨界臨界氯離子濃度氯離子濃度)。這個(gè)臨界氯離子濃度可以作為比較。這個(gè)臨界氯離子

30、濃度可以作為比較金屬材料耐蝕性能的一個(gè)指標(biāo)，臨界氯離子濃度金屬材料耐蝕性能的一個(gè)指標(biāo)，臨界氯離子濃度高，金屬耐孔蝕性能好高，金屬耐孔蝕性能好 。 緩蝕性陰離子緩蝕性陰離子:緩蝕性陰離子可以抑制孔蝕的發(fā)生。緩蝕性陰離子可以抑制孔蝕的發(fā)生。 pH值值 在較寬的在較寬的pH值范圍內(nèi)，孔蝕電位值范圍內(nèi)，孔蝕電位Eb與溶液與溶液pH值關(guān)值關(guān)系不大。當(dāng)系不大。當(dāng)PH10，隨，隨PH值升高，孔蝕電位增值升高，孔蝕電位增大，即在堿性溶液中，金屬孔蝕傾向較小。大，即在堿性溶液中，金屬孔蝕傾向較小。 溫度溫度溫度升高，金屬的孔蝕傾向增大。當(dāng)溫度低于某溫度升高，金屬的孔蝕傾向增大。當(dāng)溫度低于某個(gè)溫度，金屬不會(huì)發(fā)生孔

31、蝕。這個(gè)溫度稱為臨界個(gè)溫度，金屬不會(huì)發(fā)生孔蝕。這個(gè)溫度稱為臨界孔蝕溫度孔蝕溫度(CPT) ，CPT愈高，則金屬耐孔蝕性能愈高，則金屬耐孔蝕性能愈好。愈好。 流動(dòng)狀態(tài)流動(dòng)狀態(tài) 在流動(dòng)介質(zhì)中金屬不容易發(fā)生孔蝕，而在在流動(dòng)介質(zhì)中金屬不容易發(fā)生孔蝕，而在停滯液體中容易發(fā)生，停滯液體中容易發(fā)生，這是因?yàn)榻橘|(zhì)流動(dòng)這是因?yàn)榻橘|(zhì)流動(dòng)有利于消除溶液的不均勻性，所以輸送海有利于消除溶液的不均勻性，所以輸送海水的不銹鋼泵在停運(yùn)期間應(yīng)將泵內(nèi)海水排水的不銹鋼泵在停運(yùn)期間應(yīng)將泵內(nèi)海水排盡。盡。 縫隙腐蝕縫隙腐蝕 縫隙腐蝕是指腐蝕破壞發(fā)生在金屬表面上的縫隙縫隙腐蝕是指腐蝕破壞發(fā)生在金屬表面上的縫隙部位，在縫隙內(nèi)區(qū)域，腐蝕破

32、壞形態(tài)可以是蝕孔部位，在縫隙內(nèi)區(qū)域，腐蝕破壞形態(tài)可以是蝕孔，蝕坑，也可能是全面腐蝕。，蝕坑，也可能是全面腐蝕。 縫隙種類縫隙種類 機(jī)器和設(shè)備上的結(jié)構(gòu)縫隙機(jī)器和設(shè)備上的結(jié)構(gòu)縫隙 固體沉積固體沉積(泥沙、腐蝕產(chǎn)物等泥沙、腐蝕產(chǎn)物等)形成的縫隙。形成的縫隙。 (1) 金屬表面的保護(hù)模金屬表面的保護(hù)模 (如瓷漆、清漆、磷化層、如瓷漆、清漆、磷化層、金屬涂層金屬涂層)與金屬基體之間形成的縫隙。與金屬基體之間形成的縫隙。 縫隙尺寸縫隙尺寸 造成縫隙腐蝕的縫隙是狹縫，一般認(rèn)為其造成縫隙腐蝕的縫隙是狹縫，一般認(rèn)為其尺寸在尺寸在0.025 0.1毫米范圍。毫米范圍。寬度太小則溶液不能進(jìn)入，不會(huì)造成縫內(nèi)寬度太小則

33、溶液不能進(jìn)入，不會(huì)造成縫內(nèi)腐蝕；寬度太大則不會(huì)造成物質(zhì)遷移困難，腐蝕；寬度太大則不會(huì)造成物質(zhì)遷移困難，縫內(nèi)腐蝕和縫外腐蝕無大的差別?？p內(nèi)腐蝕和縫外腐蝕無大的差別。 影響因素影響因素 （1）金屬材料）金屬材料 幾乎所有的金屬材料都會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕幾乎所有的金屬材料都會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕 ，鈍態(tài)的金屬對縫隙腐蝕最為敏感鈍態(tài)的金屬對縫隙腐蝕最為敏感 。（2）環(huán)境）環(huán)境幾乎所有溶液中都能發(fā)生縫隙腐蝕，以含幾乎所有溶液中都能發(fā)生縫隙腐蝕，以含溶解氧的中性氯化物溶液最常見溶解氧的中性氯化物溶液最常見 。評定方法評定方法 （同孔蝕）（同孔蝕） 86420 12 24 36 48-0.9-0.7-0.5-0.1 0

34、0.1 2 4 6 8縫隙寬度: 1 3.5mm 2 2.7mm 3 2.0mm氧濃度(升/毫克)時(shí)間(小時(shí))縫隙內(nèi)海水中氧濃度的變化 玻璃-鈦縫隙123氧濃度(毫克/升)海水中氧的濃度對鋁合金和鈦合金電位的影響轉(zhuǎn)引自P48.49鋁合金 閉塞腐蝕電池理論閉塞腐蝕電池理論 閉塞電池的概念閉塞電池的概念由于閉塞的幾何條件（縫隙、孔蝕、裂紋由于閉塞的幾何條件（縫隙、孔蝕、裂紋）造成溶液的停滯狀態(tài)，使物質(zhì)的遷移困）造成溶液的停滯狀態(tài)，使物質(zhì)的遷移困難，結(jié)果使閉塞區(qū)內(nèi)腐蝕條件強(qiáng)化，閉塞難，結(jié)果使閉塞區(qū)內(nèi)腐蝕條件強(qiáng)化，閉塞區(qū)內(nèi)外電化學(xué)條件形成很大的差異，結(jié)果區(qū)內(nèi)外電化學(xué)條件形成很大的差異，結(jié)果閉塞區(qū)內(nèi)金屬

35、表面發(fā)生活性溶解腐蝕，使閉塞區(qū)內(nèi)金屬表面發(fā)生活性溶解腐蝕，使孔蝕和縫隙腐蝕以很大的速度擴(kuò)展?？孜g和縫隙腐蝕以很大的速度擴(kuò)展。閉塞腐蝕電池的工作過程閉塞腐蝕電池的工作過程 （1）縫隙內(nèi)氧的貧乏）縫隙內(nèi)氧的貧乏 由于縫隙內(nèi)貧氧，縫隙內(nèi)外形成氧濃差電池?？p由于縫隙內(nèi)貧氧，縫隙內(nèi)外形成氧濃差電池?？p隙內(nèi)金屬表面為陽極，縫外自由表面為陰極。隙內(nèi)金屬表面為陽極，縫外自由表面為陰極。（2）金屬離子水解、溶液酸化）金屬離子水解、溶液酸化（3） 縫隙內(nèi)溶液縫隙內(nèi)溶液pH值下降，達(dá)到某個(gè)臨界值，值下降，達(dá)到某個(gè)臨界值，不銹鋼表面鈍化膜破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)榛顟B(tài)，縫隙內(nèi)金不銹鋼表面鈍化膜破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)榛顟B(tài)，縫隙內(nèi)金屬溶解速度大

36、大增加。屬溶解速度大大增加。（4）上述過程反復(fù)進(jìn)行，互相促進(jìn)，整個(gè)腐蝕）上述過程反復(fù)進(jìn)行，互相促進(jìn)，整個(gè)腐蝕過程具有自催化特性。過程具有自催化特性。 eeeeeeeeo2OH-OH-M+M+o2Na+Na+Na+Cl-M+o2OH-o2OH-M+o2OH-M+Cl-Na+eeeo2OH-OH-o2M(OH)2M+M+M+M+M+M+Cl-M+M+Cl-M+M+M+Cl-Cl-M+Cl-Cl-Na+o2Cl-o2o2OH-初期階段后期階段金屬在海水中（中性氯化物溶液）縫隙腐蝕局部腐蝕 孔蝕和縫隙腐蝕的比較孔蝕和縫隙腐蝕的比較 孔蝕和縫隙腐蝕有許多孔蝕和縫隙腐蝕有許多相同之處相同之處。首先，腐蝕。

37、首先，腐蝕依賴于鈍態(tài)的金屬材料在含氯化物的溶液中容易依賴于鈍態(tài)的金屬材料在含氯化物的溶液中容易發(fā)生，造成典型的局部腐蝕。其次，孔蝕和縫隙發(fā)生，造成典型的局部腐蝕。其次，孔蝕和縫隙腐蝕成長階段的機(jī)理都可以用閉塞電池自催化效腐蝕成長階段的機(jī)理都可以用閉塞電池自催化效應(yīng)說明。應(yīng)說明。 但孔蝕和縫隙腐蝕也有許多但孔蝕和縫隙腐蝕也有許多不同之處不同之處。第一，孔蝕的閉塞區(qū)是在腐蝕過程中形成的，閉第一，孔蝕的閉塞區(qū)是在腐蝕過程中形成的，閉塞程度較大；而縫隙腐蝕的閉塞區(qū)在開始就存在塞程度較大；而縫隙腐蝕的閉塞區(qū)在開始就存在，閉塞程度較小。，閉塞程度較小。 第二，孔蝕發(fā)生需要活性離子第二，孔蝕發(fā)生需要活性離子

38、(如如Cl- 離子離子)，縫隙腐，縫隙腐蝕則不需要，雖然在含蝕則不需要，雖然在含Cl- 離子的溶液中更容易發(fā)離子的溶液中更容易發(fā)生，生，第三，孔蝕的臨界電位第三，孔蝕的臨界電位Eb較縫隙腐蝕臨界電位較縫隙腐蝕臨界電位Eb高，高，Eb與與Erp之間的差值較縫隙腐蝕小之間的差值較縫隙腐蝕小(在相同試驗(yàn)條件在相同試驗(yàn)條件下測量下測量)，而且在，而且在Eb與與Erp之間的電位范圍內(nèi)不形成之間的電位范圍內(nèi)不形成新的孔蝕，只是原有的蝕孔繼續(xù)成長，但在這個(gè)新的孔蝕，只是原有的蝕孔繼續(xù)成長，但在這個(gè)電位范圍內(nèi)縫隙腐蝕既可以發(fā)生也可以成長。電位范圍內(nèi)縫隙腐蝕既可以發(fā)生也可以成長。 晶間腐蝕晶間腐蝕 晶間腐蝕晶間

39、腐蝕指腐蝕主要發(fā)生在金屬材料的晶指腐蝕主要發(fā)生在金屬材料的晶粒間界區(qū)，沿著晶界發(fā)展，即晶界區(qū)溶解粒間界區(qū)，沿著晶界發(fā)展，即晶界區(qū)溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒溶解速度。速度遠(yuǎn)大于晶粒溶解速度。 發(fā)生晶間腐蝕的電化學(xué)發(fā)生晶間腐蝕的電化學(xué) 條件條件（1）晶粒和晶界區(qū)的組織不同，因而電化）晶粒和晶界區(qū)的組織不同，因而電化學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。內(nèi)因內(nèi)因（2）晶粒和晶界的差異要在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下）晶粒和晶界的差異要在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下才能顯露出來。才能顯露出來。 外因外因 不銹鋼的晶間腐蝕不銹鋼的晶間腐蝕 敏化熱處理敏化熱處理 不銹鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的熱處理以不銹鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的

40、熱處理以后發(fā)生的，使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的熱處理叫后發(fā)生的，使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的熱處理叫做做敏化熱處理敏化熱處理。奧氏體不銹鋼的敏化熱處理范圍為奧氏體不銹鋼的敏化熱處理范圍為450 C850 C。當(dāng)當(dāng)奧氏體不銹鋼在這個(gè)溫度范圍較長時(shí)間加熱奧氏體不銹鋼在這個(gè)溫度范圍較長時(shí)間加熱(如焊接如焊接)或緩慢冷卻，就產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性?；蚓徛鋮s，就產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性。鐵素體不銹鋼的敏化溫度在鐵素體不銹鋼的敏化溫度在900 C以上，而在以上，而在700-800 C退火可以消除晶間腐蝕傾向。退火可以消除晶間腐蝕傾向。 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和環(huán)境腐蝕的聯(lián)合作用造應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和環(huán)境腐蝕

41、的聯(lián)合作用造成的金屬破壞。在固定成的金屬破壞。在固定(靜止靜止)應(yīng)力情況，稱為應(yīng)應(yīng)力情況，稱為應(yīng)力腐蝕破裂力腐蝕破裂(或應(yīng)力腐蝕開裂或應(yīng)力腐蝕開裂)，記為，記為SCC；在循；在循環(huán)應(yīng)力情況，稱為腐蝕疲勞，環(huán)應(yīng)力情況，稱為腐蝕疲勞， 記為記為CF。 特征特征 主要是合金發(fā)生主要是合金發(fā)生SCC，純金屬極少發(fā)生，純金屬極少發(fā)生 對環(huán)境的選擇性對環(huán)境的選擇性(1) 形成了所謂形成了所謂“SCC的材料的材料環(huán)境組合環(huán)境組合”。 金屬或合金腐 蝕 介 質(zhì)軟鋼碳鋼和低合金鋼奧氏體不銹鋼銅和銅合金鎳和鎳合金蒙乃爾合金鋁合金鉛鎂NaOH,硝酸鹽溶液,(硅酸納+硝酸鈣)溶液42%Mgcl2溶液,HCNNaCIO

42、溶液,海水,H2S水溶液氯化物溶液,高溫高壓蒸餾水氨蒸氣,汞鹽溶液,含SO2大氣NaOH水溶液,HF酸,氟硅酸溶液熔融Nacl,Nacl水溶液,海水,水蒸氣,含SO2大氣Pb(AC)2溶液海洋大氣,蒸餾水,Kcl-K2CrO4溶液產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的材料-介質(zhì)組合介質(zhì)組合 (局部腐蝕局部腐蝕)(3) 只有拉應(yīng)力才引起只有拉應(yīng)力才引起SCC，壓應(yīng)力反而會(huì)，壓應(yīng)力反而會(huì)阻止或延緩阻止或延緩SCC的發(fā)生。的發(fā)生。 (4) 裂縫方向宏觀上和拉引力垂直，其形態(tài)有裂縫方向宏觀上和拉引力垂直，其形態(tài)有晶間型，穿晶型，混合型。晶間型，穿晶型，混合型。 (5) SCC有孕育期，因此有孕育期，

43、因此SCC的破斷時(shí)間的破斷時(shí)間tf可分可分為孕育期，發(fā)展期和快斷期三部分。為孕育期，發(fā)展期和快斷期三部分。 (6)發(fā)生發(fā)生SCC的合金表面往往存在鈍化膜或其的合金表面往往存在鈍化膜或其他保護(hù)膜，在大多數(shù)情況下合金發(fā)生他保護(hù)膜，在大多數(shù)情況下合金發(fā)生SCC時(shí)時(shí)均勻腐蝕速度很小，因此金屬失重甚微。均勻腐蝕速度很小，因此金屬失重甚微。 低于某個(gè)臨界值低于某個(gè)臨界值 th時(shí)，材料不發(fā)生破裂，時(shí)，材料不發(fā)生破裂， th稱為稱為SCC臨界應(yīng)力。臨界應(yīng)力。 th愈大，材料耐愈大，材料耐SCC性能愈好。性能愈好。 腐蝕因素腐蝕因素（1）SCC對環(huán)境有選擇性對環(huán)境有選擇性（2）氧化劑的存在有決定性作）氧化劑的存

44、在有決定性作 用用（3）溫度有著重要的影響。一般來說，溫度升高，）溫度有著重要的影響。一般來說，溫度升高，材料發(fā)生材料發(fā)生SCC的傾向增的傾向增 大。大。 （4）干濕交替環(huán)境使有害離子濃縮，）干濕交替環(huán)境使有害離子濃縮，SCC更容易發(fā)更容易發(fā)生生 。 冶金因素冶金因素 合金的化學(xué)成分、熱處理、組織結(jié)構(gòu)、加工狀合金的化學(xué)成分、熱處理、組織結(jié)構(gòu)、加工狀態(tài)對其態(tài)對其SCC敏感性都有影響。敏感性都有影響。 對于奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的對于奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的SCC來說，來說，提高提高Ni含量，加入硅、銅，有利于提高抗含量，加入硅、銅，有利于提高抗SCC性能。性能。 增加碳含量也有利于提高耐

45、增加碳含量也有利于提高耐SCC性能，但含碳性能，但含碳量大則容易產(chǎn)生晶間性量大則容易產(chǎn)生晶間性SCC。 應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理 SCC的機(jī)理有兩種：的機(jī)理有兩種：陽極溶解陽極溶解(AD)機(jī)理機(jī)理氫致開裂氫致開裂(HIC)機(jī)理。機(jī)理。 氫損傷氫損傷 金屬材料在高溫氫氣作用下發(fā)生機(jī)械性能劣化的金屬材料在高溫氫氣作用下發(fā)生機(jī)械性能劣化的現(xiàn)象叫做氫損傷?，F(xiàn)象叫做氫損傷。 （1）氫脆）氫脆 把氫對金屬的物理作用所引起的損傷叫做氫脆。把氫對金屬的物理作用所引起的損傷叫做氫脆。即氫溶解于金屬中形成固溶體，氫原子在金屬的即氫溶解于金屬中形成固溶體，氫原子在金屬的缺陷中復(fù)合為氫分子。缺陷中復(fù)合為氫

46、分子。 （2）氫腐蝕氫腐蝕 把氫與金屬化學(xué)作用引起的損傷叫做氫腐蝕。氫把氫與金屬化學(xué)作用引起的損傷叫做氫腐蝕。氫與鋼中碳化物等第二相反應(yīng)生成甲烷等氣體。氫與鋼中碳化物等第二相反應(yīng)生成甲烷等氣體。氫腐蝕比氫脆的破壞作用大得多。腐蝕比氫脆的破壞作用大得多。 腐蝕疲勞腐蝕疲勞 在循環(huán)應(yīng)力在循環(huán)應(yīng)力(交變應(yīng)力交變應(yīng)力)和腐蝕環(huán)境的聯(lián)合作用下金和腐蝕環(huán)境的聯(lián)合作用下金屬材料發(fā)生的嚴(yán)重腐蝕破壞叫做腐蝕疲勞屬材料發(fā)生的嚴(yán)重腐蝕破壞叫做腐蝕疲勞(簡記為簡記為CF)。 SN曲線和疲勞極限曲線和疲勞極限 在腐蝕環(huán)境中疲勞極限不存在，在腐蝕環(huán)境中疲勞極限不存在，即在低應(yīng)力下造成即在低應(yīng)力下造成斷裂的循環(huán)數(shù)仍與應(yīng)力有

47、關(guān)。為了便于對各種金屬斷裂的循環(huán)數(shù)仍與應(yīng)力有關(guān)。為了便于對各種金屬材料耐腐蝕疲勞性能進(jìn)行比較，一般是規(guī)定一個(gè)循材料耐腐蝕疲勞性能進(jìn)行比較，一般是規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)環(huán)次數(shù)(如如107) ，從而得出名義的腐蝕疲勞極限，記，從而得出名義的腐蝕疲勞極限，記為為 -1c。 腐蝕疲勞的特征腐蝕疲勞的特征 任何金屬任何金屬(包括純金屬包括純金屬)在任何介質(zhì)中都能發(fā)生在任何介質(zhì)中都能發(fā)生腐蝕疲勞，即不要求特定的材料環(huán)境組合。腐蝕疲勞，即不要求特定的材料環(huán)境組合。 環(huán)境條件環(huán)境條件(腐蝕介質(zhì)條件種類、溫度、腐蝕介質(zhì)條件種類、溫度、pH、氧、氧含量等含量等)對材料的腐蝕疲勞行為都有顯著影響。對材料的腐蝕疲勞行為都有

48、顯著影響。 純疲勞性能與循環(huán)頻率無關(guān)，腐蝕疲勞性能與純疲勞性能與循環(huán)頻率無關(guān)，腐蝕疲勞性能與頻率有關(guān)。頻率有關(guān)。 與應(yīng)力腐蝕破裂相比，腐蝕疲勞裂紋主要為穿與應(yīng)力腐蝕破裂相比，腐蝕疲勞裂紋主要為穿晶型。晶型。 對金屬材料進(jìn)行陰極極化對金屬材料進(jìn)行陰極極化,可使裂紋擴(kuò)展速度明可使裂紋擴(kuò)展速度明顯降低。顯降低。 腐蝕疲勞機(jī)理腐蝕疲勞機(jī)理 一般是用金屬材料的疲勞機(jī)理和電化學(xué)腐蝕作用一般是用金屬材料的疲勞機(jī)理和電化學(xué)腐蝕作用結(jié)合來說明腐蝕疲勞的機(jī)理。結(jié)合來說明腐蝕疲勞的機(jī)理。 孔蝕或其他局部腐蝕造成缺口，縫隙，引起應(yīng)力孔蝕或其他局部腐蝕造成缺口，縫隙，引起應(yīng)力集中，造成滑移?；婆_階的腐蝕溶解使逆向加集

49、中，造成滑移?；婆_階的腐蝕溶解使逆向加載時(shí)表面不能復(fù)原，成為裂紋源。反復(fù)加載使裂載時(shí)表面不能復(fù)原，成為裂紋源。反復(fù)加載使裂紋不斷擴(kuò)展，腐蝕作用使裂紋擴(kuò)展速度加快。紋不斷擴(kuò)展，腐蝕作用使裂紋擴(kuò)展速度加快。 在交變應(yīng)力作用下，滑移具有累積效應(yīng)，表面膜在交變應(yīng)力作用下，滑移具有累積效應(yīng)，表面膜更容易遭到破壞。更容易遭到破壞。 磨損腐蝕磨損腐蝕 定義定義 高速流動(dòng)的腐蝕介質(zhì)高速流動(dòng)的腐蝕介質(zhì)(氣體或液體氣體或液體)對金屬材料造對金屬材料造成的腐蝕破壞叫做磨損腐蝕成的腐蝕破壞叫做磨損腐蝕(erosion-Corrosion)，簡稱磨蝕，也叫做沖刷腐蝕。簡稱磨蝕，也叫做沖刷腐蝕。 影響因素影響因素 耐磨

50、損腐蝕性能與它的耐蝕性和耐磨性都有關(guān)耐磨損腐蝕性能與它的耐蝕性和耐磨性都有關(guān)系。系。(1) 表面膜的保護(hù)性能和損壞后的修復(fù)能力，對材表面膜的保護(hù)性能和損壞后的修復(fù)能力，對材料耐磨損腐蝕性能有決定性的作用。料耐磨損腐蝕性能有決定性的作用。 (3)流速對金屬材料腐蝕的影響是復(fù)雜的，當(dāng)液體流動(dòng)流速對金屬材料腐蝕的影響是復(fù)雜的，當(dāng)液體流動(dòng)有利于金屬鈍化時(shí)，流速增加將使腐蝕速度下降。有利于金屬鈍化時(shí)，流速增加將使腐蝕速度下降。流動(dòng)也能消除液體停滯而使孔蝕等局部腐蝕不發(fā)生。流動(dòng)也能消除液體停滯而使孔蝕等局部腐蝕不發(fā)生。只有當(dāng)流速和流動(dòng)狀態(tài)影響到金屬表面膜的形成、只有當(dāng)流速和流動(dòng)狀態(tài)影響到金屬表面膜的形成、

51、破壞和修復(fù)時(shí)，才會(huì)發(fā)生磨損腐蝕。破壞和修復(fù)時(shí)，才會(huì)發(fā)生磨損腐蝕。 (4)液體中含量懸浮固體顆粒液體中含量懸浮固體顆粒(如泥漿、料漿如泥漿、料漿)或氣泡，或氣泡，氣體中含有微液滴氣體中含有微液滴 (如蒸氣中含冷凝水滴如蒸氣中含冷凝水滴)，都使磨，都使磨損腐蝕破壞加重。損腐蝕破壞加重。 典 型 腐 蝕 率 (mdd)1英尺/每秒(1)4英尺/每秒(2)27英尺/每秒(3)材 料碳鋼鑄鐵硅青銅海革黃銅Hydraulic青銅G青銅鋁青銅(10%Al)鋁黃銅GO-10CuNi(0.8%Fe)TO-30CuNi(0.05%Fe)Monel(Ni70Cu30)316型不銹鋼Hastelloy C鈦 34 4

52、5 1 2 4 7 5 2 5 211110 72-22012-110-25427034317033923610599199394130 (1)浸入海潮中 (2)浸入人工海水溝中 (3)掛在浸沒的轉(zhuǎn)盤上不 同 流 速 的 海 水 對 金 屬 的 腐 蝕 磨損腐蝕的兩種重要形式磨損腐蝕的兩種重要形式 湍流腐蝕和沖擊腐蝕湍流腐蝕和沖擊腐蝕 高速流體或流動(dòng)截面突然變化形成了湍流或沖高速流體或流動(dòng)截面突然變化形成了湍流或沖擊，對金屬材料表面施加切應(yīng)力，使表面膜破擊，對金屬材料表面施加切應(yīng)力，使表面膜破壞，不規(guī)則的表面使流動(dòng)方向更為紊亂，產(chǎn)生壞，不規(guī)則的表面使流動(dòng)方向更為紊亂，產(chǎn)生更強(qiáng)的切應(yīng)力，在磨損和腐蝕的協(xié)同作用下形更強(qiáng)的切應(yīng)力，在磨損和腐蝕的協(xié)同作用下形成腐蝕坑成腐蝕