材料的力學(xué)性能09課件

第九章環(huán)境介質(zhì)作用下的金屬力學(xué)性能在特定外界條件下工作的機(jī)件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，但服役一定時(shí)間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種與時(shí)間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱(chēng)為延滯斷裂。外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)，如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂；而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜載延遲斷裂，或稱(chēng)靜疲勞；如果在腐蝕介質(zhì)中承受交變應(yīng)力作用，則產(chǎn)生腐蝕疲勞。(一)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象StressCorrosionCracking

由拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的低應(yīng)力脆性斷裂稱(chēng)為應(yīng)力腐蝕（常用英文的三個(gè)字頭SCC表示）。一.應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其特征第一節(jié)應(yīng)力腐蝕斷裂合金腐蝕介質(zhì)碳鋼荷性鈉溶液，氯溶液，硝酸鹽水溶液，H2S水溶液，海水，海洋大氣與工業(yè)大氣奧氏體不銹鋼氯化物水溶液，海水，海洋大氣，高溫水，潮濕空氣（濕度90%），熱NaCl，H2S水溶液，嚴(yán)重污染的工業(yè)大氣馬氏體不銹鋼氯化的，海水，工業(yè)大氣，酸性硫化物航空用高強(qiáng)度鋼海洋大氣，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸銅合金水蒸汽，濕H2S，氨溶液鋁合金濕空氣，NaCl水溶液，海水，工業(yè)大氣，海洋大氣表10-1合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的特定腐蝕介質(zhì)3．應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展一般在10-9-10-6m/s，象疲勞。亞臨界擴(kuò)展-------臨界尺寸------突然斷裂（二）應(yīng)力腐蝕斷口特征應(yīng)力腐蝕斷裂也是通過(guò)裂紋形成和裂紋擴(kuò)展這兩個(gè)過(guò)程.一般認(rèn)為裂紋形成約占全部時(shí)間的90%左右.裂紋擴(kuò)展僅占10%左右。應(yīng)力腐蝕斷裂可以是沿晶斷裂，也可以是穿晶斷裂。取決于合金成分及腐蝕介質(zhì).二斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕中的應(yīng)用應(yīng)力腐蝕斷裂是一種與時(shí)間有關(guān)的延滯斷裂。用裂紋擴(kuò)展速率da/dt來(lái)描述應(yīng)力腐蝕裂紋的亞臨界擴(kuò)展。

當(dāng)裂紋前端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI大于材料的KISCC時(shí)，材料就可能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂而導(dǎo)致破壞，其開(kāi)裂判據(jù)為：式中KI

裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，公斤力/毫米3/2；KISCC應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，公斤力/毫米3/2；σ斷裂抗力，公斤力/毫米3/2α裂紋的半長(zhǎng)度，毫米Y裂紋形狀系數(shù)?；颍ㄒ唬㎏ISCC的概念當(dāng)K1降低到某一定值后，材料就不會(huì)由于應(yīng)力腐蝕而發(fā)生斷裂（即材料有無(wú)限壽命），此時(shí)的K1就叫做應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，并以KISCC表示。

在lg(da/dt)-K1的坐標(biāo)上，其關(guān)系如圖(p167)，曲線(xiàn)一般可分成三段。（二）應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率當(dāng)裂紋前端的KI>KISCC時(shí)，裂紋就會(huì)隨時(shí)間而長(zhǎng)大。單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率，用da/dt表示，實(shí)驗(yàn)證明，da/dt和裂紋前端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子有關(guān)。即保護(hù)膜破壞機(jī)理滑移——膜破——陽(yáng)極溶解——再鈍化三應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理（二）改變介質(zhì)條件（三）選用合適的合金材料（四）采用電化學(xué)保護(hù)四預(yù)防機(jī)件應(yīng)力腐蝕斷裂的措施（一）降低應(yīng)力

金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的斷裂，統(tǒng)稱(chēng)為氫脆斷裂或氫致開(kāi)裂。一氫脆的類(lèi)型及特征（一）內(nèi)部氫脆與環(huán)境氫脆氫脆可分成兩大類(lèi)：第一類(lèi)為內(nèi)部氫脆，它是由于金屬材料在冶煉、鍛造、焊接或電鍍、酸洗過(guò)程中吸收了過(guò)量的氫氣而造成的；第二類(lèi)氫脆稱(chēng)為環(huán)境氫脆，它是在應(yīng)力和氫氣氛或其它含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種脆性斷裂，如貯氫的壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆。第二節(jié)氫脆（三）環(huán)境氫脆的特征在氫氣氛作用下，材料發(fā)生延滯斷裂的時(shí)間與應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI之間的關(guān)系如下圖所示。隨KI值降低，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)；當(dāng)K1降低到某一臨界值Kth時(shí)，材料便不會(huì)產(chǎn)生斷裂，臨界值Kth就叫門(mén)檻值。（一）氫壓模型

在裂紋或缺口尖端的三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)，形成了很多微孔核心，氫原子在應(yīng)力作用下向這些核心擴(kuò)散，并且結(jié)合成氫分子，由于微孔核心很小，只要有很少的氫氣應(yīng)可產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力。這種內(nèi)壓力大到足以通過(guò)塑性變形或解理斷裂使裂紋長(zhǎng)大或使微孔長(zhǎng)大、連接，最后引起材料過(guò)早斷裂。

二氫脆機(jī)理（二）減聚力氫脆模型

減聚力氫脆模型又稱(chēng)晶格脆化模型，是由Troiano首先提出的，其要點(diǎn)是高濃度的固溶氫，可以降低晶界上或相界上金屬晶體的原子間結(jié)合力。而局部地區(qū)的張應(yīng)力，又通過(guò)間隙原子間的化學(xué)勢(shì)及應(yīng)力狀態(tài)間的熱力學(xué)平衡關(guān)系促使氫原子富集。這種富集區(qū)可能是低塑性材料內(nèi)部的裂紋尖端處，或是位錯(cuò)塞積處，滑移帶交叉處和塑性形不協(xié)調(diào)處。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(méi)有這個(gè)限制，它在任何介質(zhì)中均會(huì)出現(xiàn)。對(duì)應(yīng)力腐蝕來(lái)說(shuō)，有一臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子KISCC

，這是材料固有的性能，當(dāng)外加應(yīng)力強(qiáng)度因子KI<KISCC，材料不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展。但對(duì)腐蝕疲勞，即使KI<KISCC

，疲勞裂紋仍舊