工程材料力學(xué)性能 第六章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆

1、第六章 金屬的應(yīng)力(yngl)腐蝕和氫脆共十九頁與時間有關(guān)系的斷裂： 低應(yīng)力脆斷 疲勞斷裂 腐蝕(fsh)斷裂由應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用引起的 斷裂，叫應(yīng)力腐蝕斷裂；如果與氫接觸氫脆；在腐蝕介質(zhì)中承受交變應(yīng)力作用，則產(chǎn)生腐蝕疲勞。本章主要內(nèi)容：1.應(yīng)力腐蝕；2.氫脆斷裂。共十九頁第一節(jié) 應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及特征應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象 應(yīng)力腐蝕斷裂：金屬(jnsh)在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。 應(yīng)力腐蝕斷裂一般都是在特定的條件下產(chǎn)生的： 拉伸應(yīng)力作用下； 存在特定腐蝕介質(zhì)；共十九頁應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件1、應(yīng)力2、化學(xué)(huxu)介質(zhì)3、金屬材料共十九頁二、應(yīng)力

2、腐蝕斷裂(dun li)機理及斷口特征1. 保護膜破壞機理 滑移-溶解理論：滑移-膜破-陽極溶解-再鈍化. 表面形成一層保護膜鈍化。具有鈍化膜的金屬表面為陰極 附加應(yīng)力使局部地區(qū)的保護膜破裂微電池的陽極，產(chǎn)生陽極溶解 保護膜反復(fù)形成反復(fù)破裂的過程，局部地區(qū)腐蝕加深，形成蝕坑。 應(yīng)力集中，加速了孔洞表面附近的塑性變形和保護膜破裂。 共十九頁應(yīng)力(yngl)腐蝕斷口特征共十九頁共十九頁三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子K1scc應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt（一）K1scc的概念及其測定當(dāng)K1值降低到某一臨界值時，材料就不會由于應(yīng)力腐蝕而發(fā)生斷裂。這一K值 為應(yīng)力腐蝕門檻值，以K1SC

3、C表示;或 應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子 對于一定的材料，在一定的介質(zhì)(jizh)下，K1scc為一常數(shù)。共十九頁用K1scc建立材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的斷裂判據(jù)： K1 K1scc時， 可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂而導(dǎo)致破壞； K1K1scc時，原始裂紋(li wn)不會擴展，機件可以安全服役共十九頁1 KK1SCC時,可長期處于腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生破壞.；2 K1SCC KK1C時,加上初始載荷后試樣立即斷裂。共十九頁（二）應(yīng)力腐蝕(fsh)裂紋擴展速率da/dt單位時間內(nèi)裂紋的擴展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率，用da/dt表示；da/dt和裂紋前端的應(yīng)力場強度因子有關(guān)。即 共十九頁曲線(qxin)一般可

4、分成三段 第階段，幾乎與縱坐標(biāo)軸平行； 第階段，水平段，da/dt與K1幾乎無關(guān)；第階段，裂紋長度已接近臨界尺寸， da/dt又明顯地依賴K1，且隨K1而增加而增大；當(dāng)K1i達到K1c時，便發(fā)生失穩(wěn)擴展，材料斷裂。共十九頁四、防止應(yīng)力腐蝕的措施(cush)（一）降低 拉應(yīng)力 噴丸或其它表面熱處理，退火等。（二）改變介質(zhì)條件 1.減少或消除助長應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子 。例如：通過水的凈化處理降低冷卻水與蒸汽中的氯離子會含量， 可預(yù)防奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂。2.在一些環(huán)境中添加防腐劑。（三）選用合適的合金材料 例如，黃銅對氨的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性很高，避免使用銅合金。 （四）采用電化學(xué)保護

5、陽極保護或陰極保護。共十九頁第二節(jié) 氫脆金屬材料由于受到氫和應(yīng)力的共同作用而引起的斷裂，統(tǒng)稱為氫脆斷裂或氫致開裂一、氫在金屬中的存在(cnzi)形式根據(jù)氫脆的氫來源分成兩大類：一類為內(nèi)部氫脆；二類氫脆稱為環(huán)境氫脆；氫在金屬中的存在形式：氫分子，氫原子，氫化物，間隙固溶體。共十九頁二、氫脆類型及特征1、氫蝕 氫以原子的形式存在 4H+C=CH4 2、 白點以氫分子的形式存在于缺陷處，多呈圓形或橢圓形，而且(r qi)輪廓分明，表面光亮呈銀白色，故稱白點。 低溫長時間保溫，則可消除。 3、 氫化物致脆：與氫有較大親和力的金屬，生成金屬的氫化物。 4、 氫致延滯斷裂 固溶狀態(tài)的氫，在應(yīng)力持續(xù)作用下，

6、孕育后，在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，裂紋逐步擴展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷 裂。 共十九頁特點：（1）只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)；如高強度鋼：100一150之間，而以室溫(sh wn)下最敏感；（2）提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性降低。（3）顯著降低金屬材料的斷后伸長率，斷面收縮率隨含氫量增加不斷下降，且材料強度愈高，下降愈劇烈。（4) 高強度鋼的斷裂具有可逆性。 即低應(yīng)力慢速應(yīng)變后，塑性下降，卸載，停留，再高速加載，塑性恢復(fù)，氫脆消除。 共十九頁3、鋼的氫致延滯斷裂機理1 斷裂過程分為三個階段：孕育階段、裂紋亞穩(wěn)擴展(kuzhn)階段及失穩(wěn)擴展(ku

7、zhn)階段。 裂紋孕育： 氫進入形成固溶體氫遷移氫偏聚； 亞穩(wěn)擴展：拉應(yīng)力促使H溶解，裂尖高氫聚集，形成新裂紋，與原裂紋的尖端匯合擴展、停止，再孕育、擴展； 失穩(wěn)擴展：當(dāng)裂紋亞穩(wěn)擴展達到臨界尺寸時便失穩(wěn)擴展而斷裂共十九頁五、防止氫脆的措施1環(huán)境因素：采用表面涂層、酸洗去氫、電鍍； 2. 力學(xué)因素：采用表面處理，使表面獲得殘余壓應(yīng)力層；努力提高材料的氫脆門檻值K1HEC。 3. 材質(zhì)(ci zh)因素：含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性低。鋼的強度等級愈高，對氫脆愈敏感。細化晶粒。 共十九頁內(nèi)容摘要第六章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆。在腐蝕介質(zhì)中承受交變應(yīng)力作用，則產(chǎn)生腐蝕疲勞。應(yīng)力腐蝕斷裂：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕斷裂一般都是在特定的條件下產(chǎn)生的：?；?膜破-陽極溶解-再鈍化.。這一K值 為應(yīng)力腐蝕門檻值，以K1SCC表示。K1 K1scc時， 可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂而導(dǎo)致破壞。例如：通過水的凈化處理降低冷卻水與蒸汽中的氯離子會含量，