第06章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

第六章

金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂1

引言§6.1應(yīng)力腐蝕§6.2氫脆

2殘余應(yīng)力與環(huán)境共同作用下的低應(yīng)力脆斷發(fā)動(dòng)機(jī)的主軸斷裂，1938起落架斷裂，導(dǎo)致尾翼著地起火爆炸3§6.1應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕及其產(chǎn)生條件

1、定義與特點(diǎn)

金屬在拉應(yīng)力和特定的介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。

拉應(yīng)力—特定介質(zhì)—時(shí)間

脆斷。

低碳鋼、低合金鋼——堿脆、硝脆；

不銹鋼——氯脆；銅合金——氨脆。42、產(chǎn)生條件

拉應(yīng)力：外應(yīng)力、殘余應(yīng)力；

化學(xué)介質(zhì)：一定材料對(duì)應(yīng)一定的化學(xué)介質(zhì)（表）

金屬材料：合金成分、位錯(cuò)等。5二、應(yīng)力腐蝕

1、機(jī)理

滑移—溶解理論（鈍化膜破壞理論）a）應(yīng)力作用下，滑移臺(tái)階露頭且鈍化膜破裂（在表面或裂紋面）

b）電化學(xué)腐蝕（有鈍化膜的金屬為陰極，新鮮金屬為陽(yáng)極）；c）應(yīng)力集中，使陽(yáng)極電極電位降低，加大腐蝕；閉塞電池理論，氫致開(kāi)裂理論6d）若應(yīng)力集中始終存在，則微電池反應(yīng)不斷進(jìn)行，鈍化膜不能恢復(fù)，則裂紋逐步向縱深擴(kuò)展。

（該理論只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕）72、斷口特征宏觀：

有亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，最后瞬斷區(qū)（與疲勞裂紋相似）；斷口呈黑色或灰色。微觀：

顯微裂紋呈樹(shù)枝狀；“泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物和腐蝕坑；沿晶斷裂或穿晶斷裂。2024鋁合金SCC斷口上的泥紋花樣應(yīng)力腐蝕裂紋的分叉現(xiàn)象斷裂過(guò)程：與疲勞斷裂相似，包含裂紋萌生、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展8三、力學(xué)性能指標(biāo)1、臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC

恒定載荷，特定介質(zhì)，測(cè)KI～tf曲線。

將不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，稱為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC。應(yīng)力腐蝕的斷裂判據(jù):光滑試樣92、裂紋擴(kuò)展速度da/dt

KI>KISCC，裂紋擴(kuò)展，速率da/dt～KI

曲線上的三個(gè)階段（初始、穩(wěn)定、失穩(wěn)），由圖6-7（P152）可以估算機(jī)件的剩余壽命。10四、防止應(yīng)力腐蝕的措施

1、合理選材；

2、減少拉應(yīng)力；

3、改善化學(xué)介質(zhì)；

4、采用電化學(xué)保護(hù)，使金屬遠(yuǎn)離電化學(xué)腐蝕區(qū)域。11§6.2氫脆

由于氫和應(yīng)力的共同作用，而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂（簡(jiǎn)稱氫脆）

一、氫在金屬中存在的形式

內(nèi)含的（冶煉和加工中帶入的氫）；外來(lái)的（工作中吸H）。

間隙原子狀固溶在金屬中；

分子狀氣泡中；

化學(xué)物（氫化物）。高強(qiáng)鋼電鍍充氫后的氫脆沿晶斷口12二、氫脆類(lèi)型及其特征

1、氫蝕（或稱氣蝕）

高壓氣泡（H2，CH4）

宏觀斷口：呈氧化色，顆粒狀（沿晶）；

微觀斷口：晶界明顯加寬，沿晶斷裂。

2、白點(diǎn)（發(fā)裂）

氫的溶解度↓，形成氣泡體積↑，將金屬的局部脹裂。

宏觀：斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，甚至有白線。13

3、氫化物

形成氫化物（凝固、熱加工時(shí)形成；或應(yīng)力作用下，元素?cái)U(kuò)散而形成）。

氫化物很硬、脆，與基體結(jié)合不牢。

裂紋沿界面擴(kuò)展。

4、氫致延滯斷裂

由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象。

原因：氫顯著降低金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率。

條件：一定溫度范圍；慢速加載（恒載）14三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理

三個(gè)階段：孕育，亞穩(wěn)擴(kuò)展，失穩(wěn)擴(kuò)展。

1）孕育期

氫固溶，在位錯(cuò)線周?chē)?，形成氣團(tuán)；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋。

2）溫度的影響

t<tH

氫擴(kuò)散率很低，不形成氫脆；t=tH

最敏感；

t>tH

氫氣團(tuán)擴(kuò)散，無(wú)氫脆。

3）應(yīng)力狀況應(yīng)變速率高，不會(huì)出現(xiàn)氫脆。拉應(yīng)力促進(jìn)氫溶解。15四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系

“相互促進(jìn)”；

陽(yáng)極溶解、金屬開(kāi)裂；陰極吸氫，延滯斷裂。五、防止氫脆的措施

1、環(huán)境因素切斷氫進(jìn)入金屬的途徑，如表面涂層。2、力學(xué)因素降低殘余拉應(yīng)力，引入壓應(yīng)力。163、材質(zhì)因素（1）含S、C、P較少的鋼，氫脆的敏感性較低；（2）鋼強(qiáng)度越高，對(duì)氫越敏感；（3）球狀珠光體對(duì)氫的敏感性較低；（4）細(xì)化晶粒度有助于提高抗氫脆能力；（5）冷變形使氫脆敏感性增大。17氫脆與應(yīng)力腐蝕的區(qū)別1、應(yīng)力腐蝕是陽(yáng)極溶解過(guò)程，陽(yáng)極電流加速開(kāi)裂；氫脆是陰極吸氫過(guò)程，陰極電流加速開(kāi)裂。2、裂紋位置，應(yīng)力腐蝕裂紋在表面（尖角、刻痕、腐蝕坑）；氫脆裂紋在表面以下。