課10環(huán)境作用下金屬的力學(xué)行為

1、 第十章 環(huán)境作用下金屬的學(xué)行為 110.1 引言 機(jī)器和工程結(jié)構(gòu)總是在一定環(huán)境介質(zhì)中服役的。腐蝕性很弱的介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用，也會(huì)巨大地影響材料的力學(xué)行為。介質(zhì)與應(yīng)力的協(xié)同作用，常比它們的單獨(dú)作用或者二者簡(jiǎn)單的疊加更為嚴(yán)重，引起的斷裂稱為材料的環(huán)境敏感斷裂。2結(jié)構(gòu)零件的受力狀態(tài)是多種多樣的，如拉伸應(yīng)力、交變應(yīng)力、摩擦力、振動(dòng)力等。不同狀態(tài)的應(yīng)力與介質(zhì)的協(xié)同作用所造成的環(huán)境敏感斷裂形式各不相同。據(jù)此，可以將它們分為應(yīng)力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞、磨損腐蝕和微動(dòng)腐蝕等等。在靜載荷長(zhǎng)時(shí)作用下的環(huán)境敏感斷裂有應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。在交變載荷作用下的環(huán)境敏感斷裂，則稱之為腐蝕疲勞。310.2 應(yīng)力腐蝕斷裂及

2、其評(píng)定指標(biāo) 10.2.1 應(yīng)力腐蝕斷裂的行為特性應(yīng)力腐蝕斷裂（Stress Corrosion Cracking, 簡(jiǎn)稱SCC）:材料在靜應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的脆性斷裂。應(yīng)力腐蝕斷裂并不是應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)兩個(gè)因素分別對(duì)材料性能損傷的簡(jiǎn)單疊加。通常，發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂所需要的應(yīng)力是很小的；若不是處于特定的腐蝕介質(zhì)中，這樣小的應(yīng)力不可能引起材料的斷裂。反之，如果沒(méi)有任何應(yīng)力存在，則材料在這種環(huán)境介質(zhì)中所受的腐蝕也是輕微的。應(yīng)力腐蝕斷裂的危險(xiǎn)性正在于它常常發(fā)生在相當(dāng)緩和的介質(zhì)中和不大的應(yīng)力狀態(tài)下，而且往往事先沒(méi)有明顯的預(yù)兆，因此常造成災(zāi)難性事故。4應(yīng)力腐蝕斷裂有如下三個(gè)基本特征：(1) 必須有應(yīng)

3、力、特別是拉伸應(yīng)力的作用。 拉伸應(yīng)力愈大，斷裂所需的時(shí)間愈短。SCC斷裂所需的應(yīng)力，一般都遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度。 所謂應(yīng)力，不僅指結(jié)構(gòu)零件在服役過(guò)程中所承受的工作應(yīng)力，也包含結(jié)構(gòu)件在加工和裝配過(guò)程中所產(chǎn)生的殘留內(nèi)應(yīng)力，以及腐蝕產(chǎn)物體積膨脹所帶來(lái)的附加應(yīng)力。5(2) 對(duì)于一定成分的合金，只有在特定介質(zhì)中才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。例如黃銅只有在氨水溶液中才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，而黃銅在水介質(zhì)中就能發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。又如奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中具有很高的應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性（俗稱“氯脆”），而鐵素體不銹鋼對(duì)此卻不敏感。金 屬 材 料環(huán) 境 介 質(zhì)低碳鋼Ca(NO3)2，NH4NO3，NaOH低合結(jié)構(gòu)鋼Na

4、OH高強(qiáng)度鋼雨水、海水、H2S奧氏體不銹鋼熱濃的含C1溶液黃銅NH4+高強(qiáng)度鋁合金海水鈦合金（A1=0.06, V=0.04）液態(tài)N2O46(3)對(duì)于確定的金屬與環(huán)境介質(zhì)組合來(lái)說(shuō)，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速度取決于應(yīng)力或應(yīng)力強(qiáng)度因子的水平，通常約在10-310-1cm/h數(shù)量級(jí)范圍。(4) 應(yīng)力腐蝕斷口一般屬于脆斷型。7(5) 應(yīng)力腐蝕斷裂通常只有一條主裂紋，但形成許多分支。裂紋可以是沿晶界擴(kuò)展的（沿晶型），也可以是穿過(guò)晶粒內(nèi)部擴(kuò)展的（穿晶型），甚至是兼有這兩種形式的混合型。810.2.2 應(yīng)力腐蝕斷裂的評(píng)定指標(biāo):用經(jīng)典力學(xué)方法:以試件在介質(zhì)中的拉伸應(yīng)力與斷裂時(shí)的關(guān)系曲線為依據(jù)。9斷裂時(shí)間tf是隨著外

5、加拉伸應(yīng)力的提高而降低。當(dāng)外加應(yīng)力低于某一定值時(shí)，應(yīng)力腐蝕斷裂時(shí)間tf趨于無(wú)限長(zhǎng)，此應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力c。若斷裂時(shí)間tf是隨著外加應(yīng)力降低而持續(xù)不斷地緩慢增長(zhǎng)，則采取在給定的時(shí)間基數(shù)下發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的應(yīng)力，作為條件臨界應(yīng)力。 10運(yùn)用斷裂力學(xué)方法： 采用預(yù)制裂紋試樣，主要是測(cè)定應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率。 斷裂時(shí)間tf是隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子KI的降低而增加的。當(dāng)KI值降低到某一臨界值時(shí)，應(yīng)力腐蝕斷裂實(shí)際上就不發(fā)生了，這時(shí)的KI值稱之為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子或門檻值，以KISCC表示。11高強(qiáng)度鋼和鈦合金都有一定的檻值KISCC。有些材料，例如某些鋁合金，卻沒(méi)有明顯的門檻值；其門檻值定義為在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)

6、間內(nèi)不發(fā)生腐蝕斷裂的上限KI值。當(dāng)裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子KI高于KISCC時(shí)，裂紋將擴(kuò)展。 12應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt與應(yīng)力強(qiáng)度因子K1的關(guān)系可以分為三個(gè)階段。 13在第階段，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt主要取決于應(yīng)力強(qiáng)度因子，同時(shí)也取決于環(huán)境介質(zhì)和溫度。這時(shí)起主導(dǎo)作用的是力學(xué)因素，da/dt隨著K1的增大而迅速增加。在第階段，da/dt保持恒定，不隨應(yīng)力強(qiáng)度因子K1而改變，這時(shí)化學(xué)因素起決定性作用。第階段，da/dt隨著K1值的增加而迅速增大，當(dāng)K1達(dá)到KIC時(shí)，裂紋便失穩(wěn)擴(kuò)展而引起斷裂。 14應(yīng)力腐蝕斷裂的斷裂力學(xué)測(cè)試方法主要有兩種類型，即恒載荷法和恒位移法：（1）恒載荷法 給試

7、樣施加一恒定的載荷，在試驗(yàn)過(guò)程中隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1逐漸增大。 15（2）恒位移法 在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，裂紋張開(kāi)位移（試樣刀口處）保持恒定，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子K1逐漸減小。 1610.3 應(yīng)力腐蝕斷裂的機(jī)理 關(guān)于應(yīng)力腐蝕斷裂的機(jī)制曾提出了許多學(xué)說(shuō)，但是迄今沒(méi)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)，可以將應(yīng)力腐蝕斷裂的機(jī)制分為陽(yáng)極溶解型和氫脆型兩大類。 1710.4 金屬氫脆的行為特性 10.4.1 氫脆的分類氫脆也稱為氫損傷。它是一種氫介質(zhì)引起的材料塑性下降或開(kāi)裂的現(xiàn)象。前面談到應(yīng)力腐蝕斷裂的一種機(jī)制便是氫

8、脆，然而決不可以認(rèn)為氫脆只是應(yīng)力腐蝕的一種情況。實(shí)際上由氫所引起的脆化，有著較應(yīng)力腐蝕斷裂更廣泛的含意。內(nèi)部氫脆：在材料冶煉或零件加工過(guò)程中（如焊接、酸洗、電鍍、熱處理等）吸收了大量的氫而造成的；環(huán)境氫脆：構(gòu)件在含氫環(huán)境中使用時(shí)吸收了氫所造成的。18氫脆按其與外力作用的關(guān)系又分為第一類氫脆和第二類氫脆兩類。第一類氫脆是在加載荷之前材料內(nèi)部已存在某種氫脆斷裂源。在應(yīng)力作用下裂紋迅速形成與擴(kuò)展，因而隨著加載速度的增加，氫脆的敏感性增大。白點(diǎn)、氫蝕、氫化物致脆等都屬于這個(gè)類型。第二類氫脆則是在負(fù)荷之前，材料內(nèi)部并不存在氫脆斷裂源，加載后由于氫與應(yīng)力的交互作用才形成斷裂源，裂紋逐漸擴(kuò)展而導(dǎo)致脆斷，因而

9、氫脆的敏感性是隨著加載速度的降低而增大。 19第二類氫脆中尚有可逆性氫脆與不可逆性氫脆之分。所謂可逆性氫脆是指材料經(jīng)低速變脆后，如果卸載并停留一段時(shí)間再進(jìn)行正常速度形變，原先已脆化材料的塑性可以得到恢復(fù)。通常中、高強(qiáng)度鋼的環(huán)境氫脆及低含氫量狀況下的內(nèi)部氫脆具有可逆性。不可逆性氫脆則是指已脆化的材料，卸載后再進(jìn)行正常速度形變時(shí)，其塑性不能恢復(fù)。應(yīng)力感生氫化物致脆便屬于此類。2010.4.2 氫蝕:在高溫高壓下氫與鋼中的固溶體或滲碳體發(fā)生下列反應(yīng)C(Fe)+4HCH4， 或 Fe3C3Fe+C ， C+2H2CH4所生成的甲烷在晶界處聚集達(dá)到一定濃度后，由于內(nèi)壓升高將會(huì)使鋼發(fā)生沿晶裂紋，從而使鋼的

10、塑性大幅度降低。在合成氨、合成甲醇、石油加氫及其它一些化工和石油工業(yè)中常常發(fā)生氫蝕問(wèn)題。 2110.4.3 氫化物致脆:在純鈦、鈦合金、釩、鋯、鈮及其合金中氫易形成氫化物，使材料的塑性、韌性降低，產(chǎn)生脆化。 2210.4.4 可逆氫脆的控制: 材料的強(qiáng)度水平對(duì)氫脆敏感性有著重要的影響。強(qiáng)度高于700MPa的鋼便具有較明顯的氫脆敏感性；并且隨著強(qiáng)度的升高，氫脆敏感性增高。因此氫脆成為高強(qiáng)度鋼應(yīng)用中一個(gè)尖銳的問(wèn)題。含硫化氫油氣田所用的鋼管，為避免應(yīng)力腐蝕斷裂，規(guī)定應(yīng)控制硬度在22HRC以下。 2384 腐蝕疲勞在循環(huán)載荷和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，金屬材料所產(chǎn)生的破壞稱為腐蝕疲勞（Corrosion Fatigue，簡(jiǎn)稱CF）。腐蝕介質(zhì)有氣體介質(zhì)和液體介質(zhì)。相對(duì)于真空而言，空氣也應(yīng)看作腐蝕介質(zhì)。 24841 腐蝕疲勞的特點(diǎn)腐蝕疲勞不同于一般疲勞之處是： 疲勞極限無(wú)水平線，對(duì)一般的金屬結(jié)構(gòu)材料，在腐蝕疲勞條件下，其疲勞壽命縮短，疲勞極限降低 ；條件疲勞極限與靜強(qiáng)度不存在同步關(guān)系；對(duì)加載有強(qiáng)烈的頻率效應(yīng)。頻率越低，腐蝕疲勞性能就越低；25隨著應(yīng)力比（R）增加，腐蝕疲勞性能變差；腐蝕疲勞斷口常以多源、沿晶斷裂及多齒狀為特征；在裂紋擴(kuò)展區(qū)疲勞條紋不再連續(xù)出現(xiàn)，常伴有網(wǎng)狀裂紋和腐蝕痕跡。26