材料力学性能第六章..

7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院1材料力学性能裴立宅材料科学与工程学院Email:[e-mail],[e-mail]7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院2第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院3金属机件在加工过程往往产生残余应力，在服役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断裂现象，其中主要是应力腐蚀断裂和氢脆断裂等，这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。本章将阐述金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征及断裂机理，介绍金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标及防止其断裂的措施。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院4第一节应力腐蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件1.应力腐蚀现象定义：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂（StressCorrosionCracking,SCC）。应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破坏与化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加造成的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂，其断裂强度比单个因素分别作用后再迭加起来的要低得多。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院52.产生条件（1）应力在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力，焊接、装配过程中产生的残余拉应力在应力腐蚀中也有重要作用。一般产生应力腐蚀的应力并不大，如果没有化学介质的协同作用，机件可在该应力下长期服役而不断裂。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院6（2）化学介质（3）金属材料7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院7二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征（一）应力腐蚀断裂机理应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆理论。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院8应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I可用下式表示：1()caIVVR7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院9（二）宏观腐蚀断口特征宏观特征与疲劳断口相似，也有亚稳扩展区和最后瞬断区。在亚稳扩展区可见到腐蚀产生和氢化现象，可以呈黑色或灰黑色，具有脆性特征。最后瞬断区一般为快速撕裂破坏，显示出基体材料的特性。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院10断口形貌：一般为沿晶断裂，也可为穿晶解理断裂或准解理断裂，表面可看到“泥状花样”的腐蚀产物。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院11三、应力腐蚀抗力指标通常用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。测试过程：采用一组相同试样，在不同应力水平作用下测定其断裂时间tf，作出σ-tf曲线。从而求出该种材料不发生应力腐蚀的临界应力σscc，据此来研究合金元素、组织结构及化学介质对材料应力腐蚀敏感性的影响。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院12根据断裂力学原理，人们利用预制裂纹的试样，引入应力场强度因子KI的概念来研究金属材料的抗应力腐蚀性能，得到了两个重要的应力腐蚀抗力指标，即应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt，这两个指标可用于机件的选材和设计。（一）KISCC试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子KI初有关。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院13人们将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子称为应力腐蚀临界应力场强度因子（或称为应力腐蚀门槛值），以KISCC表示。对于大多数金属材料，在特定的化学介质中的KISCC值一定，所以KISCC可以作为金属材料的力学性能指标表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下的断裂韧度对于含有裂纹的机件，当KI初≤KISCC时，原始裂纹在化学介质和力共同作用下不会扩展，机件可安全服役因此，KI初KISCC是材料在应力腐蚀条件下的断裂判据7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院14测定金属材料的KISCC值可用恒载荷法或恒位移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所用试样与测定的KIC的三点弯曲试样相同。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院15试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相连，力臂端并没有通过砝码进行加载，试样穿在溶液槽中，使预制裂纹沉浸在化学介质中。整个试验过程中载荷恒定，所以随着裂纹扩展，裂纹尖端的KI增大：7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院16试样实验时必须制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同的恒定载荷F，使裂纹尖端产生不同大小的KI初，记录试样在各种KI初作用下的断裂时间tf，曲线水平部分对应的KI初就是材料的KISCC。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院17（二）应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt当应力腐蚀裂纹尖端的KIKISCC时，裂纹就会不断扩展。单位时间内裂纹的扩展量就称为应力腐蚀裂纹扩展速率，da/dt。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院18四防止应力腐蚀的措施(1)合理选择金属材料针对机件所受应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属材料，这是一个基本原则。例如：铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的机件就应避免使用铜合金。(2)减少或消除机件中的残余拉应力残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，主要是由于金属机件的设计和加工工艺不合理产生。因此，应尽量减少机件上的应力集中效应，加热和冷却均匀。必要时采用退火工艺消除应力。如果能采用喷丸或其它表面处理方法，使机件表层中产生一定的残余压应力，则更为有效。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院19(3)改善化学介质一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体不锈钢十分有效。另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入加入一定量的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。(4)采用电化学保护由于金属在化学介质中只有在一定的电极电位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此，采用外加电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种措施。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院20第二节氢脆定义：由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆。H的来源(1)内含的金属在熔炼过程中及随后的加工过程（如焊接、酸洗、电镀）中吸收的氢(2)外来的机件在服役过程中从含氢环境中吸收的H7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院21（一）氢在金属中的存在形式：(1)一般氢以间隙原子状态固溶在金属中，其溶解度随温度降低而降低(2)扩展聚集在较大的缺陷（如空洞、气泡、裂纹等）处，以氢分子存在(3)与一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物，或与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的H可与渗碳体中的碳作用形成甲烷等。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院22（二）氢脆类型及其特征氢脆对金属性能的影响都是有害的，由于氢在金属中存在的状态不同以及氢与金属交互作用性质的不同，氢可通过不同的机件使金属脆化，因而氢脆的种类很多。常见的几种氢脆及其特征：(1)氢蚀这是由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。这种氢脆现象的断裂源产生在机件与高温、高压氢气相接触的部位。对碳钢来说，低于220℃时不发生氢蚀。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院23(2)白点（发裂）当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成H2分子。此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，形成微裂纹。这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，所以称为白点。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院24(3)氢化物致脆对于IVB族或VB族金属（如钛、α-钛合金、Ni、V、Zr、Nd及其合金），由于与H有较大的亲和力，容易生成脆性氢化物，使金属脆化。(4)氢致延滞断裂高强度钢或钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段时间孕育后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂，工程上的氢脆多为此类。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院25(1)只在一定温度范围内出现，如高强度钢多出现在-100~150℃之间，在室温下最敏感。(2)提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低，因此，只有在慢速加载试验中才能显示这类脆性。(3)可显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化。(4)高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。氢致延滞断裂特点：7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院26三、钢的氢致延滞断裂机理钢的表面单纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，氢必须进行α-Fe晶格中并偏聚到一定浓度后才能形成裂纹。因此，由环境介质中的氢引起氢致延滞断裂必须经过三个步骤：氢原子进入钢中、氢在钢中的迁移和氢的偏聚。这三个步骤都需要时间，这就是氢致延滞断裂的孕育阶段。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院27由于氢使晶格膨胀，所以拉应力将促进氢的溶解。在外加应力作用下，金属中已形成裂纹的尖端是三向拉应力区，因而氢原子易于通过位错运动向裂纹尖端区域聚集。氢原子一般偏聚在裂纹尖端塑性区与弹性区的界面上，当偏聚浓度再次达到临界值时，便使这个区域明显脆化而形成新裂纹。新裂纹与原裂纹的尖端相汇合，裂纹便扩展一段距离，随后又停止，见右图(a)。以后是再孕育、再扩展，最后，当裂纹经亚稳扩展达到临界尺寸时便失稳扩展而断裂。因此，氢致延滞断裂的扩展方式是步进式，这是与应力腐蚀裂纹渐进式扩展方式不同的。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院28四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系两者的区别在于应力腐蚀为阳极溶解过程（图a），形成所谓的阳极活性通道而使金属开裂；而氢致延滞断裂是阴极吸氢过程。一般采用极化试验方法来判断具体合金-化学介质系统的断裂究竟属于哪种断裂类型：当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀（图c），当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂（图d）。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院297/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院30五防止氢脆的措施1.环境因素设法切断氢进入金属的途径，或者控制这条途径上的某个关键环节，延缓在这个环节上的反应速度，使氢不进入或少进入金属中。如采用表面涂层，使机件表面与环境介质中的氢隔离。2.力学因素在机件设计和加工过程中，应排除各种产生残余拉应力的因素，相反，采用表面处理使表面获得残余压应力层，对防止氢致延滞断裂有良好的作用。3.材质因素含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性较低。钢的强度越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中工作的高强度钢的强度应有所限制。7/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院31作业P1371237/4/2020安徽工业大学材料科学与工程学院32