第八章材料在環(huán)境介質(zhì)中力學(xué)性能_材料宏微觀力學(xué)性能

1、本章內(nèi)容本章內(nèi)容8.1 引言引言8.2 應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂8.3 氫脆氫脆8.4 腐蝕疲勞腐蝕疲勞8.5 材料在環(huán)境介質(zhì)作用下力學(xué)性能的研究方法材料在環(huán)境介質(zhì)作用下力學(xué)性能的研究方法 工程實(shí)例：工程實(shí)例：引言引言環(huán)境介質(zhì)與外環(huán)境介質(zhì)與外力的共同作用力的共同作用1. 環(huán)境介質(zhì)環(huán)境介質(zhì)a.構(gòu)件總是在一定的環(huán)境介質(zhì)下服役構(gòu)件總是在一定的環(huán)境介質(zhì)下服役b.環(huán)境介質(zhì)：固體、氣體、液體環(huán)境介質(zhì)：固體、氣體、液體c.環(huán)境介質(zhì)的作用分類環(huán)境介質(zhì)的作用分類化學(xué)介質(zhì)：化學(xué)介質(zhì)：海水，酸，潮濕空氣海水，酸，潮濕空氣輻射環(huán)境輻射環(huán)境：電磁腐蝕電磁腐蝕熱環(huán)境：熱環(huán)境：高溫高溫引言引言2.環(huán)境敏感斷裂環(huán)境敏感斷裂應(yīng)

2、力與化學(xué)環(huán)境介質(zhì)協(xié)同作用引起材料力學(xué)性能下降、甚應(yīng)力與化學(xué)環(huán)境介質(zhì)協(xié)同作用引起材料力學(xué)性能下降、甚至出現(xiàn)提早斷裂的現(xiàn)象至出現(xiàn)提早斷裂的現(xiàn)象 3.研究的重要性研究的重要性近代工業(yè)對(duì)材料力學(xué)性能的要求越來(lái)越高，而環(huán)境介質(zhì)卻近代工業(yè)對(duì)材料力學(xué)性能的要求越來(lái)越高，而環(huán)境介質(zhì)卻越來(lái)越苛刻，往往潛存著環(huán)境敏感斷裂的威脅越來(lái)越苛刻，往往潛存著環(huán)境敏感斷裂的威脅 材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能是一個(gè)廣泛涉及各個(gè)工材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的力學(xué)性能是一個(gè)廣泛涉及各個(gè)工業(yè)部門的重要實(shí)際問題，日益受到工程設(shè)計(jì)人員及材料科業(yè)部門的重要實(shí)際問題，日益受到工程設(shè)計(jì)人員及材料科學(xué)工作者的重視學(xué)工作者的重視 引言引言靜應(yīng)力交變應(yīng)

3、力摩擦力振動(dòng)力零件的受力狀態(tài)環(huán)境介質(zhì)腐蝕疲勞磨損腐蝕微動(dòng)腐蝕環(huán)境敏感斷裂分類環(huán)境敏感斷裂分類：本章研究?jī)?nèi)容引言引言環(huán)境介質(zhì)應(yīng)力腐蝕氫脆應(yīng)力腐蝕斷裂定義、產(chǎn)生條件和斷裂特征應(yīng)力腐蝕斷裂定義、產(chǎn)生條件和斷裂特征 應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理 防止應(yīng)力腐蝕的措施防止應(yīng)力腐蝕的措施 8.2 應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂1.應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕(Stress Corrosion Cracking，SCC) 材料在特定腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力共同作用下發(fā)生的材料在特定腐蝕介質(zhì)和靜應(yīng)力共同作用下發(fā)生的脆性斷裂脆性斷裂 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 要點(diǎn)：要點(diǎn)：靜應(yīng)力很小，介質(zhì)腐蝕性不一定強(qiáng)靜應(yīng)力很小

4、，介質(zhì)腐蝕性不一定強(qiáng)應(yīng)力腐蝕定義、產(chǎn)生條件和斷裂特征應(yīng)力腐蝕定義、產(chǎn)生條件和斷裂特征2.應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生條件敏感材料：敏感材料：特定介質(zhì)：特定介質(zhì)：應(yīng)力：應(yīng)力：合金比純金屬更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂合金比純金屬更容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂 對(duì)于某種材料，只有在特定的介質(zhì)中，才對(duì)于某種材料，只有在特定的介質(zhì)中，才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕 工作應(yīng)力或者殘余應(yīng)力，應(yīng)力多為拉應(yīng)力，工作應(yīng)力或者殘余應(yīng)力，應(yīng)力多為拉應(yīng)力，也有壓應(yīng)力也有壓應(yīng)力如純鐵在熱硝酸鹽中不發(fā)生腐蝕，含碳量如純鐵在熱硝酸鹽中不發(fā)生腐蝕，含碳量達(dá)達(dá)0.04發(fā)生腐蝕發(fā)生腐蝕應(yīng)力腐蝕定義、產(chǎn)生條件和斷裂特征應(yīng)力腐蝕定義、產(chǎn)生條件和斷裂

5、特征常用金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)常用金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕的敏感介質(zhì)合金腐蝕介質(zhì)低碳鋼 熱硝酸鹽溶液、碳酸鹽溶液、過(guò)氧化氫 碳鋼和低合金鋼 氫氧化鈉、三氯化鐵溶液、氫氰酸、海水、沸騰氯化鎂(w(MgCl2)=42%)溶液、高強(qiáng)度鋼 蒸餾水、潮濕大氣、氯化物溶液、硫化氫 奧氏體不銹鋼 氯化物溶液、高溫高壓含氧高純水、海水、F-、Br - 、NaOH-H2S水溶液、 NaCl-H2SO2水溶液 銅合金 氨蒸汽、汞鹽溶液、含SO2大氣、氨溶液、三氯化鐵、硝酸溶液鎳合金 氫氧化鈉溶液、高純水蒸氣 鋁合金 氯化鈉水溶液、海水、水蒸氣、含SO2 大氣、熔融氯化鈉、含Br - 、I-水溶液 鎂合金 硝酸、氫氧化

6、鈉、氰氟酸溶液、蒸餾水、 NaOH- H2O2溶液、 NaCl-K2CrO4溶液、海洋大氣、 SO2-CO2濕空氣 鈦合金 含Cl- 、Br - 、I-水溶液、 N2O4 、甲醇、三氯乙烯、有機(jī)酸 3.應(yīng)力腐蝕斷裂特征應(yīng)力腐蝕斷裂特征宏觀上：宏觀上： 脆性斷裂、脆性斷裂、無(wú)頸縮、無(wú)杯錐狀現(xiàn)象無(wú)頸縮、無(wú)杯錐狀現(xiàn)象斷口表面呈黑色或灰黑色斷口表面呈黑色或灰黑色常有分叉現(xiàn)象，呈枯樹枝狀常有分叉現(xiàn)象，呈枯樹枝狀 微觀上：微觀上：可見到泥狀花樣的腐蝕產(chǎn)物可見到泥狀花樣的腐蝕產(chǎn)物 應(yīng)力腐蝕定義、產(chǎn)生條件和斷裂特征應(yīng)力腐蝕定義、產(chǎn)生條件和斷裂特征沿晶斷裂型沿晶斷裂型腐蝕介質(zhì)應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)1.

7、門檻應(yīng)力門檻應(yīng)力SCC試樣拉應(yīng)力將無(wú)裂紋拉伸試樣放入腐蝕介將無(wú)裂紋拉伸試樣放入腐蝕介質(zhì)中，加恒應(yīng)力質(zhì)中，加恒應(yīng)力經(jīng)過(guò)一定的孕育期后就會(huì)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)一定的孕育期后就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，直至斷裂應(yīng)力腐蝕開裂，直至斷裂特點(diǎn)：特點(diǎn)：外加應(yīng)力的下降，斷裂時(shí)間增長(zhǎng)外加應(yīng)力的下降，斷裂時(shí)間增長(zhǎng)外加應(yīng)力小于某一臨界值時(shí)，試外加應(yīng)力小于某一臨界值時(shí)，試樣在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)并不發(fā)生應(yīng)力樣在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)并不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂腐蝕斷裂定義：定義：能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最小應(yīng)力能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最小應(yīng)力裂紋大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì)中大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì)中 值是一定的?？芍凳且欢ǖ摹？勺鳛榻饘俨牧系牧W(xué)性能指標(biāo)

8、。作為金屬材料的力學(xué)性能指標(biāo)。SCCK應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)斷裂時(shí)間是隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂時(shí)間是隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子 的降低而增加的降低而增加1 K應(yīng)力強(qiáng)度因子為應(yīng)力強(qiáng)度因子為1 K1ft2K應(yīng)力強(qiáng)度因子為應(yīng)力強(qiáng)度因子為2ft2K1ft2ft可見：可見：2.應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子SCCK應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子：當(dāng)應(yīng)力小于某一臨界值時(shí)，應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子：當(dāng)應(yīng)力小于某一臨界值時(shí)，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂，能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子定義為定義為SCCK曲線出現(xiàn)水平線段，曲線出現(xiàn)水

9、平線段， 與與 幾乎無(wú)關(guān)。此時(shí)裂紋尖端發(fā)生幾乎無(wú)關(guān)。此時(shí)裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展主要受電分叉現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展主要受電化學(xué)過(guò)程控制化學(xué)過(guò)程控制 dtda/IK當(dāng)當(dāng) 剛超過(guò)剛超過(guò) 時(shí)，裂紋快速擴(kuò)時(shí)，裂紋快速擴(kuò)展，展，曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行 IKSCCK應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)3.裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率dtda/ 裂紋長(zhǎng)度已接近臨界尺寸裂紋長(zhǎng)度已接近臨界尺寸 , 隨隨 增大而急劇增大增大而急劇增大 ,當(dāng)當(dāng) 到達(dá)到達(dá) 時(shí)便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂時(shí)便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂 dtda/IKIKCK應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)若已知第二階段的若已知第二階段的dtda/以及第二階段結(jié)束

10、時(shí)的以及第二階段結(jié)束時(shí)的IK便可估算材料的剩余壽命便可估算材料的剩余壽命dtda/lgIKdtdaaatCf/0其中其中Ca可由可由 求出求出IK1.陽(yáng)極快速溶解機(jī)理陽(yáng)極快速溶解機(jī)理該理論認(rèn)為裂紋一旦形成，裂紋尖端的應(yīng)力集中將導(dǎo)致裂紋尖端前沿區(qū)發(fā)生迅速屈服，晶體內(nèi)位錯(cuò)沿著滑移面連續(xù)到達(dá)裂紋尖端前沿表面，產(chǎn)生大量瞬間活性溶解質(zhì)點(diǎn)，導(dǎo)致裂紋尖端(陽(yáng)極)快速溶解 mnFvia/裂紋尖端溶解速度與裂紋擴(kuò)展速度的關(guān)系試驗(yàn)驗(yàn)證舉例不銹鋼在沸騰的氯化鎂溶液中，無(wú)應(yīng)力時(shí)，電流為10-5 A/mm2，有應(yīng)力作用時(shí)為0.42A/mm2 ，相當(dāng)于裂紋尖端擴(kuò)展速度為0.55mm/h 應(yīng)力腐蝕機(jī)理應(yīng)力腐蝕機(jī)理2.閉塞電

11、池理論閉塞電池理論 c.閉塞區(qū)內(nèi)進(jìn)行自催化的腐蝕，在拉應(yīng)力作用下使裂紋閉塞區(qū)內(nèi)進(jìn)行自催化的腐蝕，在拉應(yīng)力作用下使裂紋擴(kuò)展，直至斷裂擴(kuò)展，直至斷裂應(yīng)力腐蝕機(jī)理應(yīng)力腐蝕機(jī)理a.在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，金屬表面的缺在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，金屬表面的缺陷處形成微蝕孔或裂紋源陷處形成微蝕孔或裂紋源b.微蝕孔和裂紋源的通道非常窄小，孔隙內(nèi)外溶液不容微蝕孔和裂紋源的通道非常窄小，孔隙內(nèi)外溶液不容易對(duì)流和擴(kuò)散，形成所謂閉塞區(qū)易對(duì)流和擴(kuò)散，形成所謂閉塞區(qū)3.鈍化膜理論鈍化膜理論 這種理論認(rèn)為，金屬表面有鈍化膜覆蓋，并不直接與介質(zhì)接觸。在應(yīng)力或活性離子的作用下易引起鈍化膜破裂，露出活性的金屬表面。介質(zhì)

12、沿著某一擇優(yōu)途徑浸入并溶解活性金屬，最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂斷裂過(guò)程：斷裂過(guò)程：完整的膜形成，由于應(yīng)力小，氧化膜較完整、塑性好應(yīng)力腐蝕機(jī)理應(yīng)力腐蝕機(jī)理氧化膜外加應(yīng)力增大時(shí)，膜仍然保持完整，但造成位錯(cuò)在滑移面塞積當(dāng)外力達(dá)到一定程度時(shí)，位錯(cuò)開動(dòng)后膜破裂 ，當(dāng)滑移臺(tái)階高度遠(yuǎn)大于膜厚時(shí)，容易暴露出新鮮的基體金屬基體金屬與介質(zhì)發(fā)生驗(yàn)機(jī)快速溶解，形成隧洞隧洞應(yīng)力腐蝕機(jī)理應(yīng)力腐蝕機(jī)理隧洞表面又形成表面鈍化膜，造成位錯(cuò)重新塞積在應(yīng)力和介質(zhì)的作用下，位錯(cuò)再次開動(dòng)表面膜破裂，又開始無(wú)膜區(qū)，暴露金屬又產(chǎn)生快速溶解如此重復(fù)上述步驟，最終導(dǎo)致穿晶斷裂應(yīng)力腐蝕機(jī)理應(yīng)力腐蝕機(jī)理隧洞隧洞長(zhǎng)大長(zhǎng)大1.合理選材合理選材應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生

13、條件和影響因素決定了應(yīng)力腐蝕的控制應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生條件和影響因素決定了應(yīng)力腐蝕的控制方法方法盡量避免金屬或合金在容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境介質(zhì)中使用盡量避免金屬或合金在容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕的環(huán)境介質(zhì)中使用2.控制應(yīng)力控制應(yīng)力減少或消除機(jī)件中的殘余應(yīng)力減少或消除機(jī)件中的殘余應(yīng)力 ，減少機(jī)件上的應(yīng)力集中減少機(jī)件上的應(yīng)力集中3.改善環(huán)境介質(zhì)改善環(huán)境介質(zhì) 一方面設(shè)法減少和消除促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子，一方面設(shè)法減少和消除促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子，另一方面，也可在介質(zhì)中添加緩蝕劑另一方面，也可在介質(zhì)中添加緩蝕劑 4. 采用電化學(xué)保護(hù)采用電化學(xué)保護(hù) 陰極保護(hù)法陰極保護(hù)法 防止應(yīng)力腐蝕措施防止應(yīng)力腐蝕措施

14、氫脆的類型氫脆的類型 位錯(cuò)理論對(duì)氫脆的解釋位錯(cuò)理論對(duì)氫脆的解釋 氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系 防止氫脆的措施防止氫脆的措施 8.3 氫脆氫脆氫及其在金屬中的行為氫及其在金屬中的行為氫氫對(duì)對(duì)金金屬屬的的作作用用益處益處害處害處鈦合金，氫可作為臨時(shí)合金元素來(lái)鈦合金，氫可作為臨時(shí)合金元素來(lái)改善其熱加工性能及室溫機(jī)械性能改善其熱加工性能及室溫機(jī)械性能 金屬氫化物可用作儲(chǔ)氫材料或電池金屬氫化物可用作儲(chǔ)氫材料或電池材料材料 氫脆斷裂氫脆斷裂 很少很少導(dǎo)致多導(dǎo)致多種形式種形式失效失效主導(dǎo)主導(dǎo)作用作用氫的來(lái)源氫的來(lái)源內(nèi)部：金屬在熔煉過(guò)程中及隨后的加工制造過(guò)程 中吸收的氫氫及其在金屬中的行為氫及其在

15、金屬中的行為外來(lái)：金屬機(jī)件在服役時(shí)從含氫環(huán)境介質(zhì)中吸收的氫如如焊接、酸洗、電鍍過(guò)程焊接、酸洗、電鍍過(guò)程 如如含有氫氣和硫化氫的環(huán)境、水溶液、潮含有氫氣和硫化氫的環(huán)境、水溶液、潮濕空氣等濕空氣等 由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂 (簡(jiǎn)稱氫脆，簡(jiǎn)稱氫脆，hydrogen embrittlement) 氫蝕氫蝕典型實(shí)例典型實(shí)例：碳鋼在碳鋼在300500度度的高壓氫氣環(huán)境中的脆性斷裂的高壓氫氣環(huán)境中的脆性斷裂 氫、氫脆及其類型氫、氫脆及其類型1.氫脆的類型氫脆的類型氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體

16、，使基體金屬晶界氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化 斷口特征斷口特征宏觀：呈氧化色，顆粒狀宏觀：呈氧化色，顆粒狀微觀：晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂微觀：晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂 白點(diǎn)：白點(diǎn)：氫、氫脆及其類型氫、氫脆及其類型橢圓形橢圓形斑點(diǎn)斑點(diǎn) 典型實(shí)例典型實(shí)例鍛造后急冷的鋼鍛造后急冷的鋼解釋解釋氫氫溶解度的減小溶解度的減小( (因?yàn)闇囟冉档鸵驗(yàn)闇囟冉档? )而過(guò)飽和，聚集而過(guò)飽和，聚集形成氫分子，應(yīng)力集中形成氫分子，應(yīng)力集中也稱發(fā)裂也稱發(fā)裂細(xì)長(zhǎng)細(xì)長(zhǎng)裂紋裂紋 氫化物致脆氫化物致脆氫與某些金屬有較大的親和力，極易生成脆性氫化物，使氫與某些

17、金屬有較大的親和力，極易生成脆性氫化物，使金屬脆化金屬脆化典型實(shí)例：典型實(shí)例：室溫下，鈦與氫形成氫化鈦室溫下，鈦與氫形成氫化鈦(TiHx)而產(chǎn)生氫脆而產(chǎn)生氫脆斷口特征斷口特征：斷口上可見氫化物斷口上可見氫化物晶體晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀、產(chǎn)生較大的應(yīng)晶體晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀、產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中力集中;若晶粒較細(xì)，氫化物多呈塊狀不連續(xù)分布，對(duì)金屬若晶粒較細(xì)，氫化物多呈塊狀不連續(xù)分布，對(duì)金屬危害較小。危害較小。氫、氫脆及其類型氫、氫脆及其類型氫化物致脆與材料微結(jié)構(gòu)的關(guān)系氫化物致脆與材料微結(jié)構(gòu)的關(guān)系氫致延滯斷裂氫致延滯斷裂含有適量固溶態(tài)氫的金屬，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用含有適

18、量固溶態(tài)氫的金屬，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，形成裂紋并擴(kuò)展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種因?yàn)闅湎?，形成裂紋并擴(kuò)展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種因?yàn)闅涞淖饔枚a(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂 特點(diǎn)：特點(diǎn)：a.只只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn) b.提高應(yīng)變速率，材料對(duì)氫脆的敏感性降低提高應(yīng)變速率，材料對(duì)氫脆的敏感性降低 c.降低金屬材料的延伸率，但有一限值；斷面收縮率則隨含氫降低金屬材料的延伸率，但有一限值；斷面收縮率則隨含氫量增加不斷下降，材料強(qiáng)度越高，下降越劇烈量增加不斷下降，材料強(qiáng)度越高，下降越劇烈 氫、氫脆及其類型氫、氫脆及其類型斷

19、口特征：斷口特征：宏觀 與一般的脆性斷裂相似微觀沿晶斷裂，晶界上有許多撕裂棱也可能是穿晶斷裂氫、氫脆及其類型氫、氫脆及其類型氫致延滯斷裂抗力指標(biāo)氫致延滯斷裂抗力指標(biāo)腐蝕介質(zhì)1.門檻應(yīng)力門檻應(yīng)力SCC試樣拉應(yīng)力將無(wú)裂紋拉伸試樣放入腐蝕介將無(wú)裂紋拉伸試樣放入腐蝕介質(zhì)中，加恒應(yīng)力質(zhì)中，加恒應(yīng)力經(jīng)過(guò)一定的孕育期后就會(huì)產(chǎn)生經(jīng)過(guò)一定的孕育期后就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂，直至斷裂應(yīng)力腐蝕開裂，直至斷裂特點(diǎn)：特點(diǎn)：外加應(yīng)力的下降，斷裂時(shí)間增長(zhǎng)外加應(yīng)力的下降，斷裂時(shí)間增長(zhǎng)外加應(yīng)力小于某一臨界值時(shí)，試外加應(yīng)力小于某一臨界值時(shí)，試樣在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)并不發(fā)生應(yīng)力樣在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)并不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂腐蝕斷裂定義：定義：能產(chǎn)生氫

20、脆延滯腐蝕斷裂的最小應(yīng)力能產(chǎn)生氫脆延滯腐蝕斷裂的最小應(yīng)力裂紋氫致延滯斷裂抗力指標(biāo)氫致延滯斷裂抗力指標(biāo)斷裂時(shí)間是隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂時(shí)間是隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子 的降低而增加的降低而增加1 K應(yīng)力強(qiáng)度因子為應(yīng)力強(qiáng)度因子為1 K1ft2K應(yīng)力強(qiáng)度因子為應(yīng)力強(qiáng)度因子為2ft2K1ft2ft可見：可見：2.應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子應(yīng)力腐蝕臨界強(qiáng)度因子CK定義：定義：能產(chǎn)生氫致延滯腐蝕斷裂的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子能產(chǎn)生氫致延滯腐蝕斷裂的最小應(yīng)力強(qiáng)度因子曲線出現(xiàn)水平線段，曲線出現(xiàn)水平線段， 與與 幾乎無(wú)關(guān)。此時(shí)裂紋尖端發(fā)生幾乎無(wú)關(guān)。此時(shí)裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展主要受電分叉現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展主要受電化學(xué)過(guò)程控制化學(xué)過(guò)程控

21、制 dtda/IK當(dāng)當(dāng) 剛超過(guò)剛超過(guò) 時(shí)，裂紋快速擴(kuò)時(shí)，裂紋快速擴(kuò)展，展，曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行 IKHK3.裂紋擴(kuò)展速率裂紋擴(kuò)展速率dtda/ 裂紋長(zhǎng)度已接近臨界尺寸裂紋長(zhǎng)度已接近臨界尺寸 , 隨隨 增大而急劇增大增大而急劇增大 ,當(dāng)當(dāng) 到達(dá)到達(dá) 時(shí)便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂時(shí)便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂 dtda/IKIKCK氫致延滯斷裂抗力指標(biāo)氫致延滯斷裂抗力指標(biāo)2. 位錯(cuò)理論對(duì)氫脆的解釋位錯(cuò)理論對(duì)氫脆的解釋氫聚集位錯(cuò)處形成Conttrell氣團(tuán)外應(yīng)力促進(jìn)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而此時(shí)Conttrell氣團(tuán)隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)與氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)遇到障礙時(shí)，產(chǎn)生位錯(cuò)塞積，同時(shí)氫原子在塞積處聚集應(yīng)力足夠大，形成裂

22、紋a. 裂紋形成裂紋形成氫在氫在位錯(cuò)位錯(cuò)處塞處塞積，積，形成形成應(yīng)力應(yīng)力集中集中b.裂紋擴(kuò)展特征裂紋擴(kuò)展特征在外加應(yīng)力作用下，氫原子易于通過(guò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向裂紋尖端區(qū)域聚集。氫原子偏聚在裂紋尖端塑性區(qū)與彈性區(qū)的界面上，當(dāng)偏聚濃度再次達(dá)到臨界值時(shí)，便使此區(qū)域明顯脆化而形成新裂紋新裂紋與原裂紋的尖端相匯合，裂紋便擴(kuò)展一段距離，隨后停止裂紋再孕育，再擴(kuò)展最后達(dá)到臨界尺寸失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂此時(shí)，電阻的變化證實(shí)了此時(shí)，電阻的變化證實(shí)了裂紋擴(kuò)展的特征裂紋擴(kuò)展的特征電阻呈階躍性的增大電阻呈階躍性的增大氫脆與溫度和形變速率的關(guān)系氫脆與溫度和形變速率的關(guān)系 ？：氫脆只出現(xiàn)于一定形變速率和一定溫度范圍內(nèi)氫脆只出現(xiàn)于一定形變

23、速率和一定溫度范圍內(nèi) 氫致延滯斷裂形成氫氣團(tuán)氫氣團(tuán)對(duì)位錯(cuò)釘扎位錯(cuò)塞積應(yīng)力集中形形變變速速率率一一定定溫度很低溫度很低氫原子擴(kuò)散速率慢，跟不上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，不足以形成氣團(tuán)溫度太高溫度太高氫原子擴(kuò)散速率很快，極容易形成氣團(tuán)，但極易離開氣團(tuán)向周圍擴(kuò)散溫度適當(dāng)溫度適當(dāng)形式氣團(tuán) ，伴隨著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，氫易聚集于裂紋頂端塑性區(qū)，以脆化氫氫 致致 延延 滯滯 斷斷 裂裂 不發(fā)生不發(fā)生不發(fā)生不發(fā)生發(fā)生發(fā)生形變速率因素：形變速率因素：形變速率增大氫脆產(chǎn)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)速度增大溫度升高形變速率足夠高，溫度再高也不能讓氫原子跟上位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，則無(wú)法發(fā)生氫脆3.3.氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系共同點(diǎn)：共同點(diǎn)：a. 應(yīng)力和化

24、學(xué)介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象。b.應(yīng)力腐蝕總是伴隨有氫的析出，析出的氫又易于形成氫致延滯斷裂腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力不同點(diǎn)不同點(diǎn)氫脆：陰極吸氫過(guò)程氫脆：陰極吸氫過(guò)程氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系氫脆與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系極化曲線極化曲線應(yīng)力腐蝕：陽(yáng)極溶解過(guò)程應(yīng)力腐蝕：陽(yáng)極溶解過(guò)程極化曲線極化曲線斷斷口口形形貌貌不不同同環(huán)境因素：環(huán)境因素：材質(zhì)因素：材質(zhì)因素：力學(xué)因素：力學(xué)因素：切斷氫進(jìn)入金屬中的途徑，或者控制這條途徑切斷氫進(jìn)入金屬中的途徑，或者控制這條途徑上的某個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，延緩在這個(gè)環(huán)節(jié)上的反應(yīng)上的某個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，延緩在這個(gè)環(huán)節(jié)上的反應(yīng)速度，使氫不進(jìn)入或少進(jìn)入金屬中速度，使氫不進(jìn)入或少進(jìn)入金屬中

25、排除各種產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素排除各種產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素; ; 采用表面處采用表面處理使表面獲得殘余壓應(yīng)力層理使表面獲得殘余壓應(yīng)力層選用對(duì)氫脆不敏感的材料，如含碳量低且硫、選用對(duì)氫脆不敏感的材料，如含碳量低且硫、磷含量較少的鋼磷含量較少的鋼 4.4.防止氫脆的措施防止氫脆的措施8.3 腐蝕疲勞腐蝕疲勞腐蝕疲勞定義及其特點(diǎn)腐蝕疲勞定義及其特點(diǎn) 腐蝕疲勞機(jī)理腐蝕疲勞機(jī)理 腐蝕裂紋擴(kuò)展模型腐蝕裂紋擴(kuò)展模型 防止腐蝕疲勞的措施防止腐蝕疲勞的措施 1.腐蝕疲勞腐蝕疲勞(Corrosion fatigue)材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力與腐蝕環(huán)境的共同作用下產(chǎn)生的材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力與腐蝕環(huán)境的共同作用下產(chǎn)生的脆性

26、斷裂脆性斷裂 工程實(shí)例工程實(shí)例腐蝕疲勞定義及其特征腐蝕疲勞定義及其特征2.腐蝕疲勞的特征腐蝕疲勞的特征a.腐蝕環(huán)境不是特定的腐蝕環(huán)境不是特定的 b.不存在疲勞極限不存在疲勞極限 c.腐蝕疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)腐蝕疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間沒有一定的關(guān)系度之間沒有一定的關(guān)系 腐蝕疲勞定義及其特征腐蝕疲勞定義及其特征腐蝕疲勞腐蝕疲勞d. 腐蝕疲勞裂紋多起源于腐蝕坑或表面缺陷，裂紋多為穿晶型腐蝕疲勞定義及其特征腐蝕疲勞定義及其特征腐蝕疲勞定義及其特征腐蝕疲勞定義及其特征1.滑移滑移溶解機(jī)制溶解機(jī)制a.循環(huán)的交變應(yīng)力形成局部應(yīng)變區(qū) b.交變應(yīng)力的上升期，滑移臺(tái)階露出新鮮表面 c.在腐蝕介質(zhì)表面溶解 d.交變應(yīng)力

27、下降區(qū)，溶解了的滑移臺(tái)階不能閉合腐蝕疲勞機(jī)理腐蝕疲勞機(jī)理2.孔蝕孔蝕應(yīng)力集中機(jī)制應(yīng)力集中機(jī)制交變應(yīng)力蝕坑應(yīng)力集中新的蝕坑腐蝕疲勞的起源交變應(yīng)力 擴(kuò) 展很好的解釋了腐蝕疲勞多源的特點(diǎn)很好的解釋了腐蝕疲勞多源的特點(diǎn) 斷 裂腐蝕疲勞機(jī)理腐蝕疲勞機(jī)理3. 表面膜破壞機(jī)制表面膜破壞機(jī)制 在在環(huán)境介質(zhì)中其表面會(huì)形成一層環(huán)境介質(zhì)中其表面會(huì)形成一層氧化膜氧化膜 在交變應(yīng)力作用下，表面膜破裂形成疲勞裂紋源交變應(yīng)力促進(jìn)裂紋擴(kuò)展；同時(shí)破裂后的膜作為微陽(yáng)極，金屬作為陰極形成腐蝕，促進(jìn)裂紋擴(kuò)展失穩(wěn)斷裂腐蝕疲勞機(jī)理腐蝕疲勞機(jī)理陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極1. 腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展類型腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展類型裂紋擴(kuò)展速率增大AB混合型：大多數(shù)

28、金屬屬于此類當(dāng) 時(shí)，介質(zhì)影響很大，并出現(xiàn)水平臺(tái)階 SCCKK腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)惰性介質(zhì)惰性介質(zhì)A型應(yīng)力強(qiáng)度因子門檻值減小腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)惰性介質(zhì)惰性介質(zhì)B型SCCKK具有交變載荷作用的疲勞與應(yīng)力腐蝕相疊加的特征時(shí)， 介質(zhì)作用可以忽略惰性介質(zhì)惰性介質(zhì)腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)2. 腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展模型a. 疊加模型疊加模型線性疊加FSCCCFdNdadNdadNdaSCCdNda/為一次應(yīng)力循環(huán)所產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展量 dtdtdadNdaSCCSCC/缺陷：缺陷：沒有考慮腐蝕和疲勞的交互作用沒有考慮腐蝕和疲勞的交互作用腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展線

29、性疊加模型的修正線性疊加模型的修正1cfmCFdNdadNdadNda/mdNda/為為惰性環(huán)境下的純機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展率惰性環(huán)境下的純機(jī)械疲勞裂紋擴(kuò)展率 cfdNda/為為腐蝕環(huán)境和惰性環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展率的差值腐蝕環(huán)境和惰性環(huán)境中的裂紋擴(kuò)展率的差值 代表了周期塑性變形與化學(xué)反應(yīng)的交互作用 CmCFdNdadNdadNda/1/線性疊加模型的修正線性疊加模型的修正2裂紋擴(kuò)展中純腐蝕疲勞所占的分量，可由斷口分裂紋擴(kuò)展中純腐蝕疲勞所占的分量，可由斷口分析測(cè)量析測(cè)量 腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展b. 競(jìng)爭(zhēng)模型競(jìng)爭(zhēng)模型腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展是力學(xué)和化學(xué)是獨(dú)立的相互競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程，腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展速率等于兩者之中

30、裂紋擴(kuò)展速率高的，而不是它們的某種疊加)/,/max(/CmCFdNdadNdadNda競(jìng)爭(zhēng)模型是疊加模型的特例，即10or腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展1. 正確選材正確選材一般來(lái)說(shuō)，抗點(diǎn)蝕能力強(qiáng)的材料，其抗腐蝕疲勞性能也較高。故應(yīng)盡量減少材料中的夾雜物2.合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)制造工藝合理設(shè)計(jì)和改進(jìn)制造工藝避免造成高度應(yīng)力集中和縫隙腐蝕的幾何構(gòu)形，采取消除內(nèi)應(yīng)力的熱處理或采取噴丸處理使零件表層處于壓應(yīng)力狀態(tài)可有效的抑制腐蝕疲勞破壞 3.對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行處理和對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)對(duì)工作介質(zhì)進(jìn)行處理和對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電化學(xué)保護(hù) 如對(duì)海洋金屬構(gòu)件及設(shè)備進(jìn)行陰極保護(hù)防止腐蝕疲勞的措施防止腐蝕疲勞的措施材料在環(huán)境

31、介質(zhì)中的力學(xué)性能研究方法材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)性能研究方法力學(xué)方法力學(xué)方法 近代物理研究方法近代物理研究方法 電化學(xué)測(cè)試方法電化學(xué)測(cè)試方法 應(yīng)力腐蝕 氫 脆腐蝕疲勞材料應(yīng)力腐蝕介質(zhì)物理方法 力學(xué)方法電化學(xué)方法材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)性能研究方法材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)性能研究方法材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)性能研究方法1.恒載荷法恒載荷法 采用預(yù)制裂紋的三點(diǎn)彎曲試樣另一端于力臂相連，力臂的另一端通過(guò)砝碼加載a. 試樣試樣b. 試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法力學(xué)方法力學(xué)方法腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)試樣試樣定值定值試樣一端固定在機(jī)架上試樣穿在溶液槽中2/32/13312. 4BWaMKIa 裂紋長(zhǎng)度；B試樣厚度；M彎矩；W試樣寬度Wa/1c. 計(jì)算依據(jù)計(jì)算依據(jù)d. 計(jì)算方法計(jì)算方法測(cè)試一組承受不同恒定載荷的相同試樣，及產(chǎn)生不同的初始應(yīng)力強(qiáng)度因子 ，記錄每一試樣的斷裂時(shí)間 ，以每組試樣的 和