材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)行為介紹

1、材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)行為介紹前言 材料在應(yīng)力和環(huán)境條件下的共同作用引起材料力學(xué)性能的下降、發(fā)生的過早脆性斷裂現(xiàn)象稱為材料的環(huán)境誘發(fā)斷裂或環(huán)境敏感斷裂。環(huán)境敏感斷裂的分類：根據(jù)構(gòu)件的受力狀態(tài)：應(yīng)力腐蝕開裂；腐蝕疲勞斷裂；微動(dòng)腐蝕等從破壞機(jī)理看：裂紋頂端陽極溶解引起的應(yīng)力腐蝕斷裂；陰極析氫引起的氫脆或氫致斷裂。從材料的種類看：金屬材料的環(huán)境敏感斷裂；玻璃、陶瓷的環(huán)境敏感斷裂；聚合物的環(huán)境敏感斷裂；從環(huán)境介質(zhì)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)的的環(huán)境敏感斷裂6.1 應(yīng)力腐蝕6.1.1 應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn) 材料或零件在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的破壞叫應(yīng)力腐蝕。 應(yīng)力的危險(xiǎn)性正在于它常發(fā)生在相當(dāng)緩和的介質(zhì)和不大

2、的應(yīng)力狀態(tài)下，而且往往事先沒有明顯的預(yù)兆。 應(yīng)力腐蝕開裂具有以下特征(1) 造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力。這個(gè)應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，也可以是焊接、冷加工或熱處理產(chǎn)生的殘留拉應(yīng)力。最早發(fā)現(xiàn)的冷加工黃銅子彈殼在含有潮濕的氨氣介質(zhì)中的腐蝕破壞，就是由于冷加工造成的殘留拉應(yīng)力的結(jié)果。假如經(jīng)過去應(yīng)力退火，這種事故就可以避免。(2) 應(yīng)力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。(3)只有在特定的合金成分與特定的介質(zhì)相組合時(shí)才會(huì)造成應(yīng)力腐蝕。例如黃銅只有在氨溶液中才會(huì)腐蝕破壞，而黃銅在水中就能破裂。 (4) 應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率一般在10-9-10-6m/s，

3、有點(diǎn)象疲勞，是漸進(jìn)緩慢的，這種亞臨界的擴(kuò)展?fàn)顩r一直達(dá)到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時(shí)，就突然發(fā)生斷裂。 (5) 應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。 (6) 應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產(chǎn)物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。 (7) 應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴(kuò)展時(shí)常有分枝。 (8) 應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標(biāo)記。 典型的應(yīng)力腐蝕照片典型材料的應(yīng)力腐蝕2. 不銹鋼在氯化物溶液中的應(yīng)力腐蝕3. 銅合金在氨水溶液中的應(yīng)力腐蝕6.1.3 應(yīng)

4、力腐蝕抗力指標(biāo)及測試方法 早期對應(yīng)力腐蝕開裂的研究，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)間來評定材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。 進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，采用一組相同的試樣，在不同的應(yīng)力水平作用下測定其斷裂時(shí)間tf ,作出tf 曲線。斷裂時(shí)間隨外加拉伸應(yīng)力的降低而增加 。2. 不能正確得出裂紋擴(kuò)展速率的變化規(guī)律。因?yàn)檫@種傳統(tǒng)的方法是以名義應(yīng)力作為裂紋擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力的，它不能反應(yīng)裂紋頂端的應(yīng)力狀態(tài)。只有把斷裂力學(xué)引如應(yīng)力腐蝕斷裂的研究中后，這問題才能得到解決。3. 費(fèi)時(shí)，不能用于工程設(shè)計(jì)。2、裂紋試樣的評價(jià)指標(biāo)通過對比可以發(fā)現(xiàn)：(1)KK1SCC時(shí)，在應(yīng)力作用下，材料或零件可以長期處于腐蝕環(huán)

5、境中而不發(fā)生破壞。(2)K1SCCKK1C時(shí)，加上初始載荷后立即斷裂。盡管初始K值不同，裂紋擴(kuò)展速率和斷裂時(shí)間也不同，但材料的最終破壞都是在K=K1C時(shí)發(fā)生的。 應(yīng)該指出，高強(qiáng)度鋼和鈦合金都有一定的門檻值K1SCC，但鋁合金卻沒有明顯的門檻值，其門檻值只能根據(jù)指定的試驗(yàn)時(shí)間而定。一般認(rèn)為對于這類試驗(yàn)的時(shí)間至少要1000小時(shí)，使用這類K1SCC數(shù)據(jù)時(shí)必須十分小心。特別是如果所設(shè)計(jì)的工程構(gòu)件在腐蝕性環(huán)境中應(yīng)用的時(shí)間比產(chǎn)生K1SCC數(shù)據(jù)的試驗(yàn)時(shí)間長時(shí)，更要小心。 2、除了用K1SCC來表示材料的應(yīng)力腐蝕抗力外，也可測量裂紋擴(kuò)展速率da/dt。 由上可見，當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋頂端的KIKSCC時(shí)，裂紋就會(huì)不

6、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，常用da/dt表示。 試驗(yàn)證明，da/dt與KI有關(guān)。在lg(da/dt)-KI的坐標(biāo)圖上，其關(guān)系曲線如圖所示：3、SCC裂紋構(gòu)件的使用壽命 根據(jù)KISCC和裂紋擴(kuò)展速率da/dt，能夠評估構(gòu)件的安全和壽命。由于KIKISCC，時(shí)，構(gòu)件是安全的，所以可以利用KISCC計(jì)算出臨界裂紋的長度a0.如果aa0，則在工作應(yīng)力下裂紋會(huì)因應(yīng)力腐蝕而不斷擴(kuò)展。此時(shí)，可以根據(jù)裂紋擴(kuò)展速率來預(yù)測構(gòu)件的使用壽命。 試驗(yàn)時(shí)保持一個(gè)恒定載荷之中試樣斷裂，記下斷裂時(shí)間tf，利用上式計(jì)算出初始應(yīng)力強(qiáng)度因子KI。用若干個(gè)試樣在不同載荷下重復(fù)上述試樣，得到一系列的tf和

7、相應(yīng)的KI，畫出KI-tf曲線，對應(yīng)無限斷裂時(shí)間的KI就是KISCC。 實(shí)際測試中可以規(guī)定一個(gè)較長的截止時(shí)間（100300h）作為確定KISCC的基準(zhǔn)。另外，利用懸臂梁彎曲試驗(yàn)，也可以同時(shí)測出da/dt-KI曲線。 一種是載荷恒定，使K1不斷增大的方法，最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗(yàn)裝置。另一種測定K1SCC的方法是位移恒定，使K1不斷減少,用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。 這兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。用懸臂梁彎曲方法可得到完整的K1初始-斷裂時(shí)間曲線，能夠較準(zhǔn)確的確定K1SCC，缺點(diǎn)是所需試樣較多。恒位移法不需特殊試驗(yàn)機(jī)，便于現(xiàn)場測試，原則上用一個(gè)試樣即可測定K1SCC值，缺點(diǎn)是裂紋擴(kuò)展趨向停止的時(shí)

8、間很長。當(dāng)停止試驗(yàn)時(shí)，擴(kuò)展的裂紋前沿有時(shí)不太規(guī)整，在判定裂紋究竟是擴(kuò)展了還是已停止擴(kuò)展發(fā)生困難，因此在計(jì)算K1SCC時(shí)就有一定誤差。6.1.4 影響應(yīng)力腐蝕的因素2.環(huán)境因素 奧氏體不銹鋼對鹵化物元素是十分敏感的；同樣，一些銅合金對含氨的環(huán)境也是很敏感的。奧氏體不銹鋼固然對氯化物產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕很敏感，但氯或鹵素離子并不是唯一的決定因素，產(chǎn)生SCC還必須有氧存在。對加鈮的18-8不銹鋼研究發(fā)現(xiàn)，只要其中有百萬分之幾的氧就能和氯化物共同造成應(yīng)力腐蝕。奧氏體不銹鋼在沸騰的MgCl2溶液中，只有氮濃度超過500X10-6才產(chǎn)生SCC，而在氮濃度小于500X10-6時(shí)，則不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。溶液的PH值對應(yīng)力

9、腐蝕的敏感性也有很大的影響。 應(yīng)力腐蝕斷裂的機(jī)理 經(jīng)過多年的試驗(yàn)研究和理論分析，雖然已對應(yīng)力腐蝕斷裂提出了許多機(jī)理，但是迄今沒有一種機(jī)制能夠滿意地解釋各種應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象。盡管如此，從材料和環(huán)境介質(zhì)相互作用的觀點(diǎn)講，滑移溶解機(jī)理目前被廣泛接受的模型。 由應(yīng)力腐蝕斷裂的電化學(xué)因素可知，應(yīng)力腐蝕斷裂常在鈍化膜不穩(wěn)定的電位區(qū)中發(fā)生，這表明SCC和鈍化膜的破壞有密切關(guān)系。 該機(jī)理認(rèn)為：金屬或合金在腐蝕介質(zhì)中可能會(huì)形成一層鈍化膜，如應(yīng)力能使膜局部破裂，局部地區(qū)露出無膜的金屬，它相對膜未破裂的部位是陽極相，會(huì)發(fā)生瞬時(shí)溶解。新鮮金屬在溶液中會(huì)發(fā)生再鈍化，鈍化膜重新形成后溶解就停止，已經(jīng)溶解的區(qū)域由于存在應(yīng)力

10、集中，因而使該處的再鈍化膜再一次破裂，又發(fā)生瞬時(shí)溶解，這種破裂、金屬溶解、再鈍化過程的循環(huán)重復(fù)，就導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕裂紋的形核和擴(kuò)展。 應(yīng)力腐蝕機(jī)理就是滑移-溶解理論。它可以簡單地歸結(jié)為四個(gè)過程，這就是滑移-膜破-陽極溶解-再鈍化。這一機(jī)理所提出的基本概念廣為多數(shù)人接受。 但是，滑移-溶解機(jī)理只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕，而對穿晶型斷裂如奧氏體不銹鋼的氯脆，卻遇到了很大困難。因?yàn)榇┚嗔研偷膽?yīng)力腐蝕，其斷裂表面不是在滑移面上，斷裂具有類似解理的特征。6.2 氫 脆 6.2.1 金屬中的氫 金屬中氫的來源可將氫脆分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。所謂內(nèi)部氫脆就是材料在使用前內(nèi)部已含有足夠的氫并導(dǎo)致了脆性，它

11、可以是材料在冶煉、熱加工、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等制造過程中產(chǎn)生。 而環(huán)境氫脆則是指材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環(huán)境與介質(zhì)中產(chǎn)生。這樣的環(huán)境通常有(1)在純氫氣氛中(有少量的水分，甚至干氫)由分子氫造成氫脆；(2)由氫化物致脆；(3)由H2S致脆；(4)高強(qiáng)鋼在中性水或潮濕的大氣中致脆。無論是內(nèi)部氫脆還是環(huán)境氫脆，其脆化的本質(zhì)都是一樣的。6.2.4 氫致斷裂和應(yīng)力腐蝕的關(guān)系 應(yīng)力腐蝕和氫致延滯斷裂都是由于應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象，兩者關(guān)系十分密切。如圖是鋼在特定化學(xué)介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕和氫致滯后斷裂的電化學(xué)原理。由圖可見，氫致斷裂和應(yīng)力腐蝕相比，其特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方

12、面： (3)斷裂的主裂紋沒有分枝的情況，這和應(yīng)力腐蝕的裂紋是截然不同的。氫脆的斷裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者從一種裂紋擴(kuò)展型式轉(zhuǎn)變成另一種型式，但就具體的金屬-環(huán)境組合來說，氫脆有特定的裂紋形態(tài)。 (4)氫脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或者其量極微。 (5)大多數(shù)的氫脆斷裂(氫化物的氫脆除外)，都表現(xiàn)出對溫度和形變速率有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。氫脆只在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)氫脆的溫度區(qū)間決定于合金的化學(xué)成分和形變速率。形變速度愈大，氫脆的敏感性愈小，當(dāng)形變速率大于某一臨界值后，則氫脆完全消失。氫脆對材料的屈服強(qiáng)度影響較小，但對斷面收縮率則影響較大。 6.2.5 氫致斷裂的測試與評價(jià)6.2.6 氫致

13、斷裂的保護(hù)措施6.3 腐蝕疲勞6.3.1 腐蝕疲勞特點(diǎn) 材料或零件在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下造成的失效叫做腐蝕疲勞。這里需注意的是，腐蝕疲勞和應(yīng)力疲勞不同，雖然兩者都是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用，但作用的應(yīng)力是不同的，應(yīng)力腐蝕指的是靜應(yīng)力，而且主要是指拉應(yīng)力，因此也叫靜疲勞。而后者則強(qiáng)調(diào)的是交變應(yīng)力。腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕相比，主要有以下不同點(diǎn)： (1)應(yīng)力腐蝕是在特定的材料與介質(zhì)組合下才發(fā)生的，而腐蝕疲勞卻沒有這個(gè)限制，它在任何介質(zhì)中均會(huì)出現(xiàn)。 (2)對應(yīng)力腐蝕來說，有一臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1SCC，這是材料固有的性能，當(dāng)外加應(yīng)力強(qiáng)度因子K1K1SCC，材料不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展。但對腐蝕疲

14、勞，即使KmaxK1SCC，疲勞裂紋仍舊會(huì)擴(kuò)展。 (3)應(yīng)力腐蝕破壞時(shí)，只有一兩個(gè)主裂紋，主裂紋上有分支小裂紋，而腐蝕疲勞裂紋源有多處，裂紋沒有分支。 (4)在一定的介質(zhì)中，應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的溶液酸度是較高的，總是高于整體環(huán)境的平均值。而腐蝕疲勞在交變應(yīng)力作用下，裂紋不斷的張開與閉合，促使介質(zhì)的流動(dòng)，所以裂紋尖端溶液的酸度與周圍環(huán)境的平均值差別不大。 另一方面，腐蝕疲勞與真空中或惰性氣體甚至是在一般實(shí)驗(yàn)室大氣介質(zhì)中的疲勞行為相比較，我們常把后者稱為純機(jī)械疲勞或大氣疲勞。所以與大氣疲勞相比，腐蝕疲勞又具有以下特點(diǎn)： (1)作腐蝕疲勞的S-lgN曲線，沒有象大氣疲勞那樣，有明顯的水平臺(tái)，亦即沒有明

15、確的疲勞極限，一般用指定周次來作為條件疲勞極限。 (2)腐蝕疲勞極限與靜強(qiáng)度之間沒有直接的關(guān)系。 (3)在大氣環(huán)境中，當(dāng)加載頻率小于1000Hz時(shí)，對疲勞極限基本上無影響。但腐蝕疲勞對加載頻率十分敏感，頻率越低，疲勞強(qiáng)度與壽命也越低。 (4)腐蝕疲勞條件下裂紋極易萌生，故裂紋擴(kuò)展是疲勞壽命的主要組成部分。而大氣環(huán)境下光滑試樣的裂紋萌生構(gòu)成疲勞壽命的主要部分。 6.3.2 影響腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展的因素 1.環(huán)境因素在空氣介質(zhì)中，氧和水蒸汽是引起腐蝕的主要成分，因而能很大程度地降低材料的腐蝕疲勞強(qiáng)度。對于銅、黃銅和碳鋼等韌性材料，起腐蝕作用的主要是氧。而對高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋁合金等對應(yīng)力腐蝕敏感的材料，水蒸氣對裂紋擴(kuò)展速率有很大影響。其原因是水蒸汽與金屬表面反應(yīng)，生成了金屬氧化物和氫，而氫擴(kuò)散到裂紋頂端產(chǎn)生了氫脆。 另外，溶液的溫度、氧含量和PH值等，都會(huì)對