第06章-金属的应力腐蚀和氢脆断裂

第六章1第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂第六章2引言§6.1应力腐蚀§6.2氢脆第六章3残余应力与环境共同作用下的低应力脆断发动机的主轴断裂，1938起落架断裂，导致尾翼着地起火爆炸第六章4§6.1应力腐蚀一、应力腐蚀及其产生条件1、定义与特点金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。拉应力—特定介质—时间脆断。低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆；不锈钢——氯脆；铜合金——氨脆。第六章52、产生条件拉应力：外应力、残余应力；化学介质：一定材料对应一定的化学介质（表）金属材料：合金成分、位错等。第六章6二、应力腐蚀1、机理滑移—溶解理论（钝化膜破坏理论）a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）b）电化学腐蚀（有钝化膜的金属为阴极，新鲜金属为阳极）；c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；闭塞电池理论，氢致开裂理论第六章7d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复，则裂纹逐步向纵深扩展。（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）裂纹向内扩展拉应力腐蚀坑（裂纹）电解液进子阳极金属溶解变成正离微电池形成腐蚀新表面成为表面破裂，出现新鲜表面钝化膜拉应力表面钝化膜腐蚀介质合金入,第六章82、断口特征宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；断口呈黑色或灰色。微观：显微裂纹呈树枝状；“泥状花样”的腐蚀产物和腐蚀坑；沿晶断裂或穿晶断裂。2024铝合金SCC断口上的泥纹花样应力腐蚀裂纹的分叉现象断裂过程：与疲劳断裂相似，包含裂纹萌生、亚稳扩展、失稳扩展第六章9三、力学性能指标1、临界应力场强度因子KISCC恒定载荷，特定介质，测KI～tf曲线。将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KISCC。应力腐蚀的断裂判据:光滑试样第六章102、裂纹扩展速度da/dtKIKISCC，裂纹扩展，速率da/dt～KI曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳），由图6-7（P152）可以估算机件的剩余寿命。第六章11四、防止应力腐蚀的措施1、合理选材；2、减少拉应力；3、改善化学介质；4、采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域。第六章12§6.2氢脆由于氢和应力的共同作用，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）一、氢在金属中存在的形式内含的（冶炼和加工中带入的氢）；外来的（工作中吸H）。间隙原子状固溶在金属中；分子状气泡中；化学物（氢化物）。高强钢电镀充氢后的氢脆沿晶断口第六章13二、氢脆类型及其特征1、氢蚀（或称气蚀）高压气泡（H2，CH4）宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。2、白点（发裂）氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，甚至有白线。第六章143、氢化物形成氢化物（凝固、热加工时形成；或应力作用下，元素扩散而形成）。氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。裂纹沿界面扩展。4、氢致延滞断裂由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。原因：氢显著降低金属材料的断后伸长率。条件：一定温度范围；慢速加载（恒载）第六章15三、钢的氢致延滞断裂机理三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。1）孕育期氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受阻，产生应力集中，萌生裂纹。2）温度的影响ttH氢扩散率很低，不形成氢脆；t=tH最敏感；ttH氢气团扩散，无氢脆。3）应力状况应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进氢溶解。第六章16四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系“相互促进”；阳极溶解、金属开裂；阴极吸氢，延滞断裂。五、防止氢脆的措施1、环境因素切断氢进入金属的途径，如表面涂层。2、力学因素降低残余拉应力，引入压应力。第六章173、材质因素（1）含S、C、P较少的钢，氢脆的敏感性较低；（2）钢强度越高，对氢越敏感；（3）球状珠光体对氢的敏感性较低；（4）细化晶粒度有助于提高抗氢脆能力；（5）冷变形使氢脆敏感性增大。第六章18氢脆与应力腐蚀的区别1、应力腐蚀是阳极溶解过程，阳极电流加速开裂；氢脆是阴极吸氢过程，阴极电流加速开裂。2、裂纹位置，应力腐蚀裂纹在表面（尖角、刻痕、腐蚀坑）；氢脆裂纹在表面以下。3、应力腐蚀裂纹分叉；氢脆裂纹没有分叉。4、氢脆断口没有腐蚀产物，而应力腐蚀断口有明显腐蚀产物。5、氢脆对温度和形变速率很敏感，只在一定温度范围内出现，温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。第六章19