第六章应力腐蚀氢脆2

第六章环境介质作用下的金属力学性能延滞断裂(低应力脆断)特定外界条件下:低于材料屈服强度服役一定时间后突然脆断§1应力腐蚀断裂（静疲劳）一.现象及其特征拉应力（静应力）+腐蚀介质联合作用→低应力脆断★＜＜材料的屈服强度①脆断，无明显塑变②特定的合金成分+特定的介质一、特点①②③③腐蚀介质（很弱）：材料腐蚀很慢（无应力时）SCC（StressCorrosionCracking）*合金产生应力腐蚀，须：应力+特定腐蚀介质合金腐蚀介质碳钢荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H2S水溶液，海水，海洋大气与工业大气奥氏体不锈钢氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度90%），热NaCl，H2S水溶液，严重污染的工业大气马氏体不锈钢氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金水蒸汽，湿H2S，氨溶液铝合金湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气二、应力腐蚀断口特征阴极阳极A应力腐蚀断裂机理附加应力（保护膜增厚）+外加应力（σ）膜裂致阳极溶解+塑性钝化膜裂裂纹扩展滑移——膜破——阳极溶解——再钝化B应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹20钢的应力腐蚀断口20钢断口腐蚀产物典型的应力腐蚀照片发生应力腐蚀奥氏体不锈钢管道内壁⑴应力腐蚀→断口，则：裂纹形成+裂纹扩展形成约占全部时间90%扩展仅占10%左右A、裂纹形成决定寿命B、可以是沿晶断裂，也可以是穿晶断裂。C、裂纹扩展：10-9-10-6m/s，似疲劳：亚临界扩展-----→临界尺寸----→突然断裂⑵宏观形貌①②③④①脆性断裂，时有少量塑性撕裂痕迹②裂纹源可有几个：垂直⊥主应力面裂纹源引起断裂裂纹源（多个）源源③裂纹源、亚稳扩展区-黑色或灰黑色源亚临界扩展④失稳扩展区断口-常有放射花样（羽毛状）或似“人”字纹,光亮色典型的应力腐蚀照片失稳扩展失稳扩展⑶应力腐蚀抗力指标及测试方法㈠早期，特定介质中、于不同应力下，测定试样滞后破坏时间。采用光滑试样得到不足之处：①②③①因数据分散，有时可能得出错误的结论②不能正确得出裂纹扩展速率的变化规律③费时，且不能用于工程设计㈡断裂力学在应力腐蚀中的应用①+②①断裂力学K1应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂K1应力腐蚀临界应力场强度因子材料不因应力腐蚀而断裂（即材料有无限寿命）的K1——KISCC⑴KISCC的概念⑵开裂判据裂纹前端的应力场强度因子KI大于材料的KISCCIsccKK1aYKIscc⑶裂纹扩展速率（da/dt）描述应力腐蚀裂纹的亚临界扩展⑶应力腐蚀裂纹扩展速率先决条件：当裂纹前端的KIKISCC时-应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt，和KI有关1Kfdtdalg(da/dt)-K1曲线Ⅰ段，KIKIscc，平行纵坐标轴Ⅱ段★★，裂尖钝，主要受电化学过程控制Ⅲ段，da/dt随KI而↑。达K1c，失稳扩展断裂★★(Ⅱ)时间越长，材料抗SCC性能越好⑷一种测定K1SCC的方法——载荷恒定，使K1不断增大的方法，——最常用：恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置裂纹⑸另一种测定K1SCC的方法——位移恒定，K1不断↓,——用紧凑拉伸试样和螺栓加载⑹影响应力腐蚀的因素1.环境因素尤其是溶液PH值2.力学因素A,轧制高强度铝合金7075-T6板材•①轧制方向（纵向）•②长横向•③短横向（沿厚度方向）强度差别：①＞②，①＞＞③,②＞＞③纵向max，厚度minB,不同强度40CrNiMo(4340)3.冶金因素成份组织强度⑺预防机件应力腐蚀断裂的措施①②③④①减少或消除零件中的残余应力②改善介质条件③选用合适的合金材料④采用电化学保护视具体的材料-介质而定§2氢脆（一）氢脆来源和特点含氢气氛的作用而引起的断裂氢脆可分成两大类：第一类为内部氢脆:在材料制造（如：熔炼）和随后加工过程吸收了过量的氢气第二类为环境氢脆，在应力和含氢介质联合作用引起脆性断裂，如:贮氢的压力容器中出现的高压氢脆（二）氢脆断口特征⑴内部氢脆断口往往出现“白点”①氢在缺陷处以分子态析出，②产生高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。纵向发裂，横断面多呈圆形或椭圆形白点表面光亮呈银白色是一种内部微细裂纹另一种“白点”,呈鱼眼型以材料内部的宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点⑵环境氢脆的特征环境氢脆KthK1降低到某一临界值Kth→材料不产生断裂，Kth门槛值,KⅠHEC发生环境氢脆两个关键因素H扩散（+临界浓度）与位错的关系氢裂纹扩展Ⅱ阶段-热激活过程，决定于H的扩散速率环境氢脆发生在一定的温度范围，和慢的形变速率：最敏感的温度——室温附近形变速率高→位错运动快→H扩散＜位错运动→不显示脆性减少氢脆：①②①内部氢脆，严格执行工艺规定②环境氢脆，×高强度材料强度越高，对氢脆越敏感第七章磨损与接触疲劳1前言机器运转，相互接触零件间因相对运动（或趋势）而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果2摩擦及磨损的概念•摩擦•两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。•摩擦副：相互接触的......工程中的摩擦问题工程中的摩擦问题工程中的摩擦问题工程中的摩擦问题工程中的摩擦问题摩擦的微观机理摩擦的微观机理•阻碍相对运动的阻力-摩擦力。•摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：①滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。②滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。干摩擦—固体对固体的摩擦；干摩擦时的摩擦力FPWFNFs•摩擦力与施加在摩擦面上的法向压力之比称为摩擦系数，以μ表示。干摩擦时的摩擦力FPWFsFNFsFPO45°FmaxFd运动状态静止状态临界状态NsmaxSFfFF静止状态：F=FsFmax；运动状态：F=Fd临界状态：NddFfFsf静摩擦系数f动摩擦系数摩擦力的方向与物体运动（或运动趋势）的方向相反•磨损，造成表层材料的损耗，零件尺寸变化，直接影响零件使用寿命•定义：p139•机件正常运行的磨损过程一般可分为三个阶段：•跑合（磨合）阶段•稳定磨损阶段•剧烈磨损阶段•磨损曲线P1403磨损及磨损的类型㈠㈡㈢•㈠按环境和介质可分为：流体磨损；湿磨损；干磨损•㈡按表面接触性质可分为：固体--流体磨损；固体--固体磨损；固体--磨料磨损•㈢常用（磨损失效机制）分类，六类：①粘着磨损；②磨料磨损；③腐蚀磨损;④微动磨损；⑤冲蚀磨损;⑥表面疲劳磨损(接触疲劳)四磨损机制及影响因素•1粘著磨损•又称擦伤，咬合磨损。由于零件表面某些接触点在高的局部压力下发生粘合，在相互滑动时，粘着点又被剪切分开，接触面上有金属磨屑被拉拽出来，这种过程反复进行很多次，便导致了表面的损伤•2.磨料磨损•指硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦过程中，使材料表面发生磨耗的现象。•磨粒或凸出物-石英，砂土，矿石等非金属磨料，也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦面而形成的磨粒。3.腐蚀磨损摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。4.微动磨损两接触表面间小幅度的相对切向运动称为微动（Fretting）。在压紧的表面之间由于微动而发生的磨损称为微动磨损。P151在一些机器的紧配合处，它们之间虽然没有明显的相对位移，但在外加循环载荷和振动的作用下，在配合面的某些局部地区将会发生微小的滑动•5冲蚀磨损：流体或固体颗粒以一定的速率和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损D≤1000μm，v≤550m/s,其余称外来损伤6.接触疲劳也称表面疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮等类零件，在表面接触压应力长期反复作用下所引起的一种表面疲劳现象。•接触疲劳是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象接触应力概念两物体相互接触，表面上产生局部压力-接触应力一般出现如下两种情况：(1)两接触物体在加载前为线接触(如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触)(2)两接触物体在加载前为点接触(如滚珠轴承)接触疲劳类型和损伤过程接触疲劳破坏分为三种主要类型：点蚀、浅层剥落、深层剥落(1)点蚀：深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。•（2)浅层剥落：其剥落深度一般为0.2-0.4mm•(3)深层剥落：剥落坑较深(＞0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。影响接触疲劳抗力的因素(1)材料的冶金质量夹杂大、分布不均，危害大①马氏体含碳量：0.5%C、隐针（晶）M②未溶碳化物的影响：细小(2)热处理和组织状态③硬度：HRC58-64，硬度接近，或者，滚动元件高出滚道10%，最好•④在一定表层深度范围内存在压应力，可提高•⑤残余A含量↑马氏体针越粗大↑，则↓•磨损类型并非固定不变，•在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。五耐磨性评价表示磨损量的方法㈠㈡㈢，㈠可用①摩擦表面法向尺寸减少量来表示，称为线磨损量、也可用②体积和重量法来表示，称为体积磨损量/重量磨损量㈡由于磨损量是摩擦行程或时间的函数，也用耐磨强度或耐磨率表示其磨损特性，前者-单位行程磨损量，单位为μm/m或mg/m;后者-单位时间的磨损量,单位为μm/hr或mg/hr•㈢还经常用磨损量的倒数和相对耐磨性（ε）表材料的耐磨性。ε=标准试样磨损量/被测试样磨损量六磨损试验方法p152•1)MMG-10型高温高速摩擦磨损试验机。•2)洛氏硬度计1台。•3)分析天平(感量为1／10000)1台•4)装夹工具。•测定在相同磨损时间(30min)，不同压力下的△m-F关系曲线。•磨损试验条件•压力：50N、100N、200N、400N•时间：均为30min•转速：200r／min•介质，干摩擦第八章金属高温机械性能温度对应力-应变曲线的影响-196℃25℃400℃古典力学：弹性、塑性与时间没有关系瞬时行为（instantaneously）20#钢•抗拉强度为353~500MPa•屈服强度为275MPa•延伸率为25%20#钢，工作温度450℃•短时，σb：320MPa•225MPa下，持续300h断裂，穿晶•115MPa下，持续10000h断裂，沿晶高温新特性不断变形（应力恒定）强度与时间有关只要涉及高温，就应注意：•不能简单采用室温短时的应力-应变曲线•必须考虑温度和时间（也即应变速率）的影响高温力学性能：•与时间（t）相关性•TimeDependent•高压蒸汽锅炉•汽（燃气）轮机•柴油机•化工炼油设备•航空发动机长期在高温下运转高温下，材料通常：•蠕变Creep•应力松弛StressRelaxation？蠕变Creep：•应力恒定，•材料在应力的持续作用下，•不断变形的现象蠕变Creep：长时间的恒温、恒应力，小于屈服强度，缓慢产生塑性变形——蠕变。导致的断裂——蠕变断裂Creep造成①强度：•随载荷作用时间的↑、•产生一定变形速率(或变形量)•形变（及断裂）抗力↓TaWMoFeNi•②塑性：应变速率↓载荷作用时间↑塑性下降↑而↓NiTaFeMoW③高温应力松驰：高温长时间下紧固螺栓使用一段时间后松弛了：预紧力逐渐↓？应力随时间增加不断下降的现象叫做应力松弛。④疲劳损伤——高温疲劳强度↓⑤蠕变时组织变化873K160MPa，971h100MPa，34141h120MPa，12858h∴•T对材料性能影响很大•T和t影响材料的断裂形式比较不同温度下材料的力学行为的方法？约比温度T/TmTm———材料的熔点＞