第六章-金属的应力腐蚀和氢脆断裂

材料性能学第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂Ch1材料在单向静拉伸载荷下的力学性能Ch2材料在其他静载荷下的力学性能Ch3材料的冲击韧性及低温脆性Ch4材料的断裂韧性Ch5金属的疲劳性能Ch6金属的应力腐蚀和氢脆Ch7金属的磨损和接触疲劳Ch8金属的高温力学性能Ch9~Ch11聚合物、陶瓷、复合材料的力学性能材料性能学材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum主要内容应力腐蚀氢脆金属腐蚀概述材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum水平热水管线底部垢下局部腐蚀早期穿孔材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum油田管道焊接接头腐蚀照片材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum油管腐蚀穿孔材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum腐蚀危害巨大造成巨大的经济损失10%钢铁→铁锈，2~4%GDP30%钢铁设备损坏约为水灾、火灾、风灾和地震（平均值）损失的6倍造成金属资源和能源的浪费1000多万吨环境、安全危害有毒有害物料泄漏，涂料和缓蚀剂阻碍新技术的发展先解决腐蚀问题材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§6.1金属腐蚀概述金属与腐蚀介质相互接触由于化学或电化学原因使材料遭受破坏或性能恶化的过程。本质：金属（高能态）→化合物（低能态）△G﹤0，自发过程不可逆过程一、定义材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、分类按相互作用的性质：电化学腐蚀化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀条件金属跟非电解质直接接触不纯金属或合金跟电解质溶液接触现象无电流产生有微弱电流产生本质金属被氧化较活泼金属被氧化材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum按环境：大气腐蚀土壤腐蚀海水腐蚀高温气体化工介质按照破坏形式：全面腐蚀和局部腐蚀局部腐蚀，集中于金属表面某一区域，危害性大。腐蚀速度大几百倍小孔、缝隙、晶间、丝状、应力腐蚀开裂、电偶、氢脆、选择性、冲刷、湍流、气蚀等材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（一）腐蚀原电池（二）电极电位及电动序（三）极化（四）金属的钝化三、金属电化学腐蚀原理材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（一）腐蚀原电池电化学腐蚀的实质：浸在电解质溶液中的金属表面上形成了以金属为阳极的腐蚀原电池。(1)工作原理Zn+H2SO4=ZnSO4+H2↑基本构成：两个电子导体、电解质溶液、导电通路定义：腐蚀原电池是只能导致金属材料破坏而不能对外界作功的短路原电池。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum腐蚀原电池的特点：阳极反应是金属的氧化反应，金属破坏阴、阳极短路，化学能→热能，不对外做功不可逆过程原电池能量转换:化学能→电能材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（2）形成腐蚀原电池的原因金属方面成分不均匀组织结构表面状态应力和形变热处理差异环境方面金属离子浓度差异氧含量差异温度差异电化学不均匀材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（3）腐蚀原电池的种类宏观微观(4)腐蚀过程的产物可溶和不可溶性产物材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum定义：电极反应导致在“金属／介质”两相界面上建立起的离子双电层结构间存在的电位差。（1）电极电位（二）电极电位及电动序材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（2）电动序电动序：将各种金属的标准电位的数值从小到大排列起来作用：粗略地判断金属的腐蚀倾向标准电位标准状态时的平衡电位E0称为标准电位。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum金属在25度时的标准电极电位EO（V，SHE）腐蚀热力学电极反应Eo电极反应EoK=K++eNa=Na++eMg=Mg2++2eAl=Al3++3eTi=Ti2++2eMn=Mn2++2eCr=Cr2++2eZn=Zn2++2eCr=Cr3++3eFe=Fe2++2eCd=Cd2++2eMn=Mn3++3eCo=Co2++2e-2.925-2.714-2.37-1.66-1.63-1.18-0.913-0.762-0.74-0.440-0.402-0.283-0.277Ni=Ni2++2eMo=Mo3++3eSn=Sn2++2ePb=Pb2++2eFe=Fe3++3eH2=2H++2eCu=Cu2++2eCu=Cu++e2Hg=Hg22++2eAg=Ag++eHg=Hg2++2ePt=Pt2++2eAu=Au3++3e-0.250-0.2-0.136-0.126-0.0360.000+0.337+0.521+0.189+0.799+0.854+1.19+1.50材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（三）极化与极化曲线(1)极化当电极上有电流流过时电位显著偏离未通电流时的起始值的现象。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum阳极极化的原因：①V电子迁移V金属溶解（活化极化）②V金属溶解V离子扩散（浓差极化）③阳极钝化，（电阻极化）阴极极化的原因：①V电子迁移V阴极反应（活化极化）②反应物或反应生成物扩散速度慢，（浓差极化）材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum钝化：金属由于表面生成致密钝化膜，阻碍金属氧化产生阳极极化的现象。化学或电化学钝化（四）金属的钝化0102030405060HNO3，%工业纯铁的腐蚀速度与硝酸浓度的关系，温度25度100005000activepassivepassivation材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum§6.2应力腐蚀应力腐蚀断裂SCC（StressCorrosionCracking）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。一、应力腐蚀现象及其产生条件1.现象材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleumSCC（StressCorrosionCracking）材料类型腐蚀介质类型应力腐蚀名称低碳(低合金)钢苛性碱溶液含硝酸根离子介质碱脆硝脆奥氏体不锈钢含氯离子介质氯脆铜合金氨气介质氨脆高强铝合金潮湿空气、蒸馏水中脆裂材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum2.产生条件应力化学介质金属材料铝镁合金：Mg4%，对应力腐蚀敏感铁碳合金：C＝0.12％时应力敏感性最大拉应力（不大），工作应力+残余应力特定的化学介质，弱腐蚀性合金，有敏感成分材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征金属表面处于钝化状态应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂成为阳极，电化学腐蚀应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；若应力集中始终存在，裂纹逐步向纵深扩展。1.断裂机理滑移溶解理论（钝化膜破坏理论）材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum讨论：应力腐蚀速度应力腐蚀电流：acVVR1I－＝极化过程强烈时：（Vc－Va）将变小，腐蚀受抑制→钝化膜去极化过程强烈：（Vc－Va）将变大，腐蚀电流大，全面腐蚀结论：应力腐蚀只有金属在介质中略具钝化膜时才能发生。材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum2.SCC断口特征亚稳扩展区腐蚀产物和氧化现象黑色或灰黑色，具有脆性特征最后瞬断区快速撕裂破坏，基材特性显微裂纹常有分叉现象，枯树枝状裂纹源亚稳区瞬断区最黑较黑较亮材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum微观断口形貌沿晶断裂，也可为穿晶解理或准解理断裂“泥状花样”及腐蚀坑材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleumSCC（StressCorrosionCracking）条件：拉应力、化学介质、金属材料机理：滑移溶解理论断口特征枯树枝状泥状花样材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum三、应力腐蚀抗力指标应力-断裂时间(σ-tf)曲线→不发生应力腐蚀的临界应力σscc不能客观反映SCC抗力tf=t裂纹形成(90%tf)+t扩展光滑试样，拉应力+化学介质→持续时间材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum实际存在裂纹断裂力学原理，预制裂纹，引入KI的概念→应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt不能反映实际SCC抗力?材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（一）KIscctf与KI初有关KI初≥KIC立即断裂KI初↓，tf增长，σ不变，a↑，KI↑，当KI≥KIC，突然断裂应力腐蚀门槛值：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，KISCC断裂判据：KI初≥KISCC材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleumKISCC的测定恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法212333)1()1(112.4WaWaBWMKI材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum（二）da/dt应力腐蚀裂纹扩展速率：单位时间内裂纹的扩展量da/dt=f（KI）Ⅰ阶段：密切依赖于KIⅡ阶段：电化学过程控制，裂尖分叉，与KI无关Ⅲ阶段：依赖于KI材料性能学PropertyofMaterials中国石油大学ChinaUniversityofPetroleum四、防止应力腐蚀的措施合理选择金属材料减少或消除机件中的残余拉应力改善化学介质采用电化学保护材料性能学Pro