第-7-章-应力腐蚀

第7章应力作用下的腐蚀7.1应力腐蚀断裂7.2金属的氢脆和氢损伤7.4腐蚀疲劳7.5腐蚀磨损7.3晶须增强铝复合材料应力腐蚀行为的研究7.1应力腐蚀断裂应力腐蚀－普遍而历史悠久的现象古代波斯王国青铜少女头像上具有SCC现象黄铜弹壳开裂、黄铜冷凝管SCC现象蒸汽机车锅炉碱脆铝合金在潮湿大气中的SCC；奥氏体不锈钢的SCC；含S的油、气设备出现的SCC；航空技术中出现的钛合金的SCC腐蚀领域研究最多的课题－应力腐蚀开裂问题引出工程结构失效的重要原因一.应力腐蚀断裂产生的条件及特征1.必须有应力，拉伸应力越大，则断裂所需的时间越短。断裂所需应力，一般低于材料的屈服强度2.腐蚀介质是特定的，只有某些金属－介质的组合，才会发生应力腐蚀断裂3.断裂速度介于无应力时的腐蚀速度及单纯力学因素引起的断裂速度拉伸应力来源：1.残余应力－加工、冶炼、装配过程中产生的2.外应力及工作所承受的载荷3.体积效应所造成的不均匀应力7.1应力腐蚀断裂应力－力学因素应力应力在特定破裂体系中起以下作用应力引起塑性变形；应力使腐蚀产生的裂纹向纵深扩展应力使能量集中于局部工作应力残余应力热应力结构应力应力－力学因素7.1应力腐蚀断裂凡是能促使钝化膜不稳定的电势区域，都易产生应力腐蚀断裂在活化－钝化以及钝化－再活化过渡区的很窄电位区内容易发生应力腐蚀1.晶界吸附－晶界偏聚2.晶界沉淀－过饱和固溶体脱溶沉淀时，在晶界择优不均匀长大3.位错与金属结构交互作用4.表面膜对位错运动的影响7.1应力腐蚀断裂腐蚀－电化学因素金属断裂－金属学因素1.孕育期，因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果使裂纹形核2.腐蚀裂纹扩展期，裂纹形核后，在腐蚀介质和拉应力共同作用下扩展3.失稳断裂，由于拉应力局部集中，裂纹急剧生长导致零件破坏7.1应力腐蚀断裂二.应力腐蚀过程的三个阶段三.应力腐蚀机理1.快速溶解理论－裂尖形变，位错连续到达；裂纹的前沿是阳极区2.表面膜破裂理论－位错沿滑移面产生滑移，形成滑移台阶；表面膜不能变形3.电化学阳极溶解自催化理论－腐蚀优先沿已存在的阳极溶解活化通道进行4.氢脆理论－氢扩散到裂纹尖端，局部区域脆化，裂尖溶液酸化，氢析出提供可能5.吸附理论－环境中的侵蚀性物质吸附在金属表面，削弱金属原子间的结合力金属－应力－腐蚀－开裂MSCC7.1应力腐蚀断裂四.应力腐蚀试验方法1.恒载荷试验I型及II型2.恒应变试验C环3.预制裂纹试验双悬臂梁4.慢应变速率拉伸试验应力腐蚀开裂模型应力腐蚀一.黄铜的应力腐蚀现象：弹壳破裂机理：锌在黄铜晶界上的富集－形成阳极原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂通过退火消除应力通过表面镀层应力腐蚀二.高强度铝合金的应力腐蚀现象：沿晶界腐蚀机理：析出相及固溶体为阴极，纯铝为阳极原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂铝锌及铝镁硅合金中加入铬可大大提高应力腐蚀敏感性提高了晶界电位，降低了晶界腐蚀趋势提高再结晶温度，避免晶界软化应力腐蚀三.钛合金的应力腐蚀钛合金在水溶液中的应力腐蚀钛合金有机溶液中的应力腐蚀钛合金在热盐中的应力腐蚀钛合金在气体介质中的应力腐蚀穿晶及沿晶混合型应力腐蚀应力腐蚀四.不锈钢的应力腐蚀现象：NaCl及高温水中机理：阳极溶解型在应力的协同作用下，加速金属内活化区的溶解而导致断裂的机理应力腐蚀五.高强钢的应力腐蚀现象：海水及硫化物破裂机理：环境氢脆原因：氢渗入材料内部一.氢的来源及在金属中的存在形式7.2金属的氢脆和氢损伤1.氢的来源：内氢，外氢（1）H2S等与金属接触，氢分子通过物理化学吸附在金属表面，分解产生活化氢原子（2）水溶液腐蚀时析出氢，水化质子在金属表面上分解成原子氢（3）含氢物质与金属表面发生反应放出氢2.氢的存在形式（1）化合物氢在金属中，如超过固溶度，可形成三类化合物氢分子－在晶界等内部缺陷处聚集氢化物－钢中Fe3C在高温高压的氢气中，分解成CH4；TiHx氢气团－氢与位错结合（2）固溶体氢以三种形态固溶于金属中－增加原子间斥力，导致晶格力降低氢损伤（氢脆）－指由于氢的存在或氢与材料相互作用，引起材料脆化，导致材料力学性能变坏的现象二.氢脆和氢损伤类型7.2金属的氢脆和氢损伤1.第一类氢脆在材料加负载前内部存在某种氢脆源，在应力作用下加快裂纹的形成及扩展，造成金属永久性损伤。其敏感性随应变速率增高而增高（1）氢腐蚀－高温高压下，氢进入金属，产生化学反应钢中C与H2反应生成甲烷，造成表面严重脱C，使材料强度大大降低。甲烷不能通过扩散逸出，在晶界夹杂处形成CH4气泡。使金属失去力学性能（2）氢鼓泡－由于氢进入金属内部而产生金属内的原子氢在金属的夹杂物、气孔、微缝隙等处形成分子氢，产生很高的氢压，导致金属鼓泡，并形成内部裂纹（3）氢化物氢与Ti、Zr、Nb等金属亲和力较大，易形成金属的氢化物，导致材料脆断2.第二类氢脆在材料加负载前并不存在断裂源，而是在应力作用下由于氢与应力的交互作用逐步形成断裂源而导致脆性断裂，其敏感性随应变速率增高而降低（1）不可逆氢脆含有过饱和状态氢的合金在应力作用下析出氢化物而导致断裂，应力不可逆（2）可逆氢脆处于固溶状态的氢合金，在慢速变形情况下产生的脆性断裂，对应力可逆。过程：金属中的氢在应力梯度作用下向高的三向拉应力处富集，当偏聚氢浓度达到临界值时，便会在应力场的联合作用下导致开裂7.2金属的氢脆和氢损伤二.氢脆和氢损伤类型7.2金属的氢脆和氢损伤二.氢脆和氢损伤类型2.第二类氢脆（2）可逆氢脆特点：•是一种滞后破坏，在上、下临界应力之间作用时，金属发生滞后破坏•温度的影响：发生在－100℃～150℃，室温-30℃～30℃氢脆最敏感•材料强度的影响：材料的抗拉强度越大，氢脆越敏感•应变速率的影响：形变速度越小，氢脆越敏感，当应变速率大于某一值时，氢脆可完全消失•含氢量的影响：含氢量增加，下限临界应力值降低•对延伸率影响较小，对断面收缩率影响较大•其裂纹扩展不连续，裂纹源一般不在表面，裂纹较少有分枝现象7.2金属的氢脆和氢损伤氢脆和应力腐蚀在产生原因和机理上的区别SCC扩展是由于裂尖的阳极溶解，其扩展途径既可以是合金内部已存在的活性通道，也可是裂纹前沿因塑性变形而形成的活性区；阴极反应消耗电子，释放氢，除了对阳极过程所产生的电子起作用外，对应力腐蚀裂纹的扩展并不产生直接影响HE是由于合金在阴极区吸收了阴极反应产物氢原子，诱导氢脆而产生开裂和扩展的；阳极过程仅提供电子而对氢脆不产生影响阳极过程的SCC可因阴极防护而停止，阴极过程的HE可因阳极保护而不在进行7.2金属的氢脆和氢损伤三.氢脆机理应力腐蚀过程是否发生氢致开裂，涉及3个问题：1.阴极反应是否析氢？2.所析出的氢能否进入金属？进入多少？3.氢进入金属后如何引起开裂？1.阴极析氢包括几个步骤2.析出的氢易于从裂纹尖端的新鲜表面进入金属，但进入的量既取决于腐蚀量（总的析氢量），也与逸出氢气泡的过程有关3.通过机理解释第三个问题三.氢脆机理7.2金属的氢脆和氢损伤1.氢压理论－氢超过固溶度后析出，在结合氢分子处产生较高的氢压2.弱键理论－导致原子间结合力下降3.吸附氢降低表面能理论－裂尖吸附氢，使表面能下降4.氢气团钉扎理论四.减小析氢腐蚀敏感性的途径aEf2含氢金属在形变过程中，有可能形成Cottrell气团，并伴随位错运动，位错对其起钉扎作用，外力作用下产生新位错，才能继续塑性变形。运动着的位错及氢气团遇到晶界，就会产生位错塞积及氢气聚集，应力足够大，位错塞积处形成裂纹，以致开裂。氢脆只在一定的温度和形变速度范围内发生－解释可逆氢脆RelationshipbetweenfractureelongationandthetimeofhydrogenchargingDependenceofrateofcrackpropagationonKIJournalofMaterialsScienceLetter裂纹尖端存在塑性变形裂纹尖端脆化SEMmicrographsshowingthecracktipmicrostructureofthenormalspecimen(a)themicrostructureofthecracktipafterloadingand(b)themicrostructureofthebluntedcracktipJournalofMaterialsScienceLetter一.产生条件金属在交变应力（或循环应力）和腐蚀介质的联合作用下引起的破坏可在大多数水介质中产生不需金属－环境的特殊配合，更具有普遍性二.形成机理1.生成疲劳源（点蚀坑）－发生腐蚀疲劳的必要条件2.在应力作用下，点蚀坑处优先发生滑移，形成滑移台阶3.滑移台阶上发生金属阳极溶解4.在反方向应力作用下金属表面上形成初始裂纹5.反复加载，裂纹不断扩展7.3腐蚀疲劳1.温度温度升高，腐蚀疲劳寿命降低；若引起孔蚀增多，降低应力集中，将改善耐腐蚀疲劳性7.3腐蚀疲劳三.影响腐蚀疲劳的因素2.pH值随pH值下降，腐蚀疲劳寿命降低3.交变应力随交变应力幅度增加，腐蚀速度增加，裂纹易于扩展4.溶液中含氧量氧含量提高，降低了阴极极化，腐蚀疲劳寿命降低。主要影响裂纹的扩展一.磨损腐蚀的概念由于腐蚀介质和金属表面间的相对运动引起金属的加速破坏或腐蚀流动介质：气体、水溶液、液态金属、悬浮在液体中的固体颗粒机械磨耗或磨损：金属表面呈现带有沟槽的痕迹1.湍流腐蚀7.3磨损腐蚀二.磨损腐蚀的几种形式特征：金属表面具有沟槽、凹谷或波浪形外观水电站的涡轮机、船舶上的推机器，以及泵、搅拌器、离心机和各种导管的弯曲部分，都发现湍流腐蚀金属和介质之间的相对运动速度，对腐蚀行为有明显影响。一方面，静态向动态变化，将消除浓差极化，使腐蚀增强；另一方面，电解质的流动增加了溶解氧等气体的传递，促进了金属保护模的形成；增加了缓蚀剂的效率；防止淤泥或其它物体在金属表面上的聚集，从而消除缝隙腐蚀和减少孔隙率在高速流液和腐蚀的共同作用下产生的－空蚀特点:在接近金属表面的液体中不断有蒸汽泡的形成和崩溃它是机械和化学两因素共同作用的结果易出现在船舶推进器、涡轮叶片、泵叶片的端部7.3磨损腐蚀1.湍流腐蚀2.空泡腐蚀两种金属相接触的交界面在负荷的条件下，发生微小的振动或往复运动而导致金属破坏。特征：金属表面出现麻点或沟纹。常发生在大气条件下。该腐蚀在机械磨损与氧化腐蚀的共同作用下。易于发生在铁轨螺栓上的紧固垫片及轴承套与轴之间，引起轴承套松脱3.微振腐蚀7.3磨损腐蚀两种机理磨损氧化：两金属在突出点处接触，形成金属碎屑，它们在摩擦过程中因生热而氧化，随着反复相对运动的进行，金属就不断被磨损。氧化磨损：金属表面生成一层氧化膜，相互接触的金属表面，由于反复磨损运动，使氧化膜破裂，产生绣屑，暴露的金属重新被氧化，这种过程往复进行，金属就不断受损