第6章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

1、1第六章第六章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂2一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件1、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象 應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 特點特點：拉應(yīng)力，特定介質(zhì)，時間，脆斷。：拉應(yīng)力，特定介質(zhì)，時間，脆斷。 低碳鋼、低合金鋼低碳鋼、低合金鋼堿脆、硝脆堿脆、硝脆 不銹鋼不銹鋼氯脆氯脆 銅合金銅合金氨脆氨脆3l應(yīng)力應(yīng)力：靜應(yīng)力遠低于材料的屈服強度，且一般為拉：靜應(yīng)力遠低于材料的屈服強度

2、，且一般為拉應(yīng)力。包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。應(yīng)力。包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。l化學(xué)介質(zhì)化學(xué)介質(zhì)：一定材料對應(yīng)一定的化學(xué)介質(zhì)；表：一定材料對應(yīng)一定的化學(xué)介質(zhì)；表6-1所所示示l金屬材料金屬材料：純金屬一般不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，合金對：純金屬一般不會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，合金對應(yīng)力腐蝕都比較敏感，不同的合金成分，敏感性不應(yīng)力腐蝕都比較敏感，不同的合金成分，敏感性不同。同。4關(guān)于應(yīng)力腐蝕的機理曾提出許多學(xué)說，如活性通關(guān)于應(yīng)力腐蝕的機理曾提出許多學(xué)說，如活性通路路電化學(xué)理論，膜破裂理論、氫脆理論，電化學(xué)理論，膜破裂理論、氫脆理論，“化學(xué)脆化學(xué)脆變變脆性破裂脆性破裂”理論，腐蝕產(chǎn)物楔入理論、隧洞形蝕孔理論，腐蝕產(chǎn)物楔入

3、理論、隧洞形蝕孔撕裂理論，應(yīng)力吸附破裂理論，快速溶解理論，環(huán)境破撕裂理論，應(yīng)力吸附破裂理論，快速溶解理論，環(huán)境破裂三階段理論裂三階段理論等。等。最基本的是：最基本的是：滑移滑移溶解理論溶解理論( (或稱鈍化模破壞理論或稱鈍化模破壞理論) )和氫脆理論。和氫脆理論。1 1、應(yīng)力腐蝕斷裂機理、應(yīng)力腐蝕斷裂機理5滑移溶解理論滑移溶解理論在特定化學(xué)介質(zhì)中首先在表面形成一層鈍化膜，在拉應(yīng)力在特定化學(xué)介質(zhì)中首先在表面形成一層鈍化膜，在拉應(yīng)力作用下裂紋尖端地區(qū)產(chǎn)生局部塑性變形，滑移臺階在表面作用下裂紋尖端地區(qū)產(chǎn)生局部塑性變形，滑移臺階在表面露頭時鈍化膜破裂，顯露出新表面。這個新表面在電解質(zhì)露頭時鈍化膜破裂，

4、顯露出新表面。這個新表面在電解質(zhì)溶液中成為陽極，具有鈍化膜的金屬表面為陰極，從而形溶液中成為陽極，具有鈍化膜的金屬表面為陰極，從而形成腐蝕微電池。成腐蝕微電池。陽極金屬變成正離子進入電解質(zhì)中產(chǎn)生陽極溶解，于是在陽極金屬變成正離子進入電解質(zhì)中產(chǎn)生陽極溶解，于是在金屬表面形成蝕坑。拉應(yīng)力在蝕坑或原有裂紋的尖端形成金屬表面形成蝕坑。拉應(yīng)力在蝕坑或原有裂紋的尖端形成應(yīng)力集中，使陽極電位降低，加速陽極金屬的溶解。如果應(yīng)力集中，使陽極電位降低，加速陽極金屬的溶解。如果裂紋尖端的應(yīng)力集中始終存在，那么微電池反應(yīng)便不斷進裂紋尖端的應(yīng)力集中始終存在，那么微電池反應(yīng)便不斷進行，鈍化膜不能恢復(fù)，裂紋將逐步向縱深擴展

5、。行，鈍化膜不能恢復(fù)，裂紋將逐步向縱深擴展。6在應(yīng)力腐蝕過程中，衡量腐蝕速度的腐蝕電流在應(yīng)力腐蝕過程中，衡量腐蝕速度的腐蝕電流I I表表示為：示為：R微電池中的電阻；微電池中的電阻；Vc,Va- -電池兩極的電位。電池兩極的電位。如果在介質(zhì)中的極化過程相當強烈，則如果在介質(zhì)中的極化過程相當強烈，則Vc-Va變變得很小，腐蝕過程就大受抑制；得很小，腐蝕過程就大受抑制；如果介質(zhì)中去極化過程很強，如果介質(zhì)中去極化過程很強，Vc-Va很大，腐蝕很大，腐蝕電流增大，致使金屬表面受到全面腐蝕，表面電流增大，致使金屬表面受到全面腐蝕，表面不能形成鈍化膜。不能形成鈍化膜。)(1acVVRI71）應(yīng)力腐蝕斷裂斷

6、口宏觀特征應(yīng)力腐蝕斷裂斷口宏觀特征（1）即使是塑韌性非常好的材料，其應(yīng)力腐蝕斷裂的宏觀形即使是塑韌性非常好的材料，其應(yīng)力腐蝕斷裂的宏觀形貌也是完全脆性的。貌也是完全脆性的。（2）斷口往往是粗糙的。斷口往往是粗糙的。（3）在亞穩(wěn)擴展區(qū)可見腐蝕產(chǎn)物帶來的顏色變化（黑色或灰在亞穩(wěn)擴展區(qū)可見腐蝕產(chǎn)物帶來的顏色變化（黑色或灰黑色），但深裂紋的裂夾區(qū)顏色可能很淺，不易為肉眼黑色），但深裂紋的裂夾區(qū)顏色可能很淺，不易為肉眼辨認。辨認。（4）由于斷裂總是從與介質(zhì)接觸的表面開始，故啟裂區(qū)表面由于斷裂總是從與介質(zhì)接觸的表面開始，故啟裂區(qū)表面附近的斷口顏色最深，有時由于腐蝕進展的變化會在斷附近的斷口顏色最深，有時由

7、于腐蝕進展的變化會在斷口上留下海灘花樣?？谏狭粝潞┗?。（5）與介質(zhì)接觸表面往往有點蝕或蝕斑。與介質(zhì)接觸表面往往有點蝕或蝕斑。（6）應(yīng)注意，有腐蝕產(chǎn)物不是判定應(yīng)力腐蝕的充分條件。因應(yīng)注意，有腐蝕產(chǎn)物不是判定應(yīng)力腐蝕的充分條件。因為也有可能由于別的機制導(dǎo)致斷裂后，斷口受到隨后的為也有可能由于別的機制導(dǎo)致斷裂后，斷口受到隨后的腐蝕。腐蝕。82）應(yīng)力腐蝕斷口微觀特征應(yīng)力腐蝕斷口微觀特征（1）若腐蝕產(chǎn)物不是很厚或被清洗掉后，在適當（如數(shù)若腐蝕產(chǎn)物不是很厚或被清洗掉后，在適當（如數(shù)百倍）倍率下，沿晶斷口的形貌是顆粒狀。百倍）倍率下，沿晶斷口的形貌是顆粒狀。（2）穿晶型的應(yīng)力腐蝕斷口有羽毛狀花樣或明顯的

8、類似穿晶型的應(yīng)力腐蝕斷口有羽毛狀花樣或明顯的類似解理形貌。解理形貌。（3）在腐蝕產(chǎn)物很厚的情況下，斷口形貌可能被掩蓋。在腐蝕產(chǎn)物很厚的情況下，斷口形貌可能被掩蓋。（4）腐蝕產(chǎn)物的形貌同金屬基體形貌不同，常見的是腐蝕產(chǎn)物的形貌同金屬基體形貌不同，常見的是“泥狀花樣泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物。的腐蝕產(chǎn)物。（5）清洗過的清洗過的SCC斷口能看出被腐蝕的跡象，尤其是沿斷口能看出被腐蝕的跡象，尤其是沿晶型，更易辨認，這是同單純氫脆及其它沿晶斷口晶型，更易辨認，這是同單純氫脆及其它沿晶斷口相區(qū)別的重要依據(jù)。相區(qū)別的重要依據(jù)。 93）應(yīng)力腐蝕斷裂途徑應(yīng)力腐蝕斷裂途徑(1)根據(jù)金屬和合金的種類及介根據(jù)金屬和合金的種

9、類及介質(zhì)不同，質(zhì)不同，SCCSCC可以是沿晶的可以是沿晶的或穿晶的：或穿晶的： 碳鋼和鉻不銹鋼多系沿晶碳鋼和鉻不銹鋼多系沿晶 奧氏體不銹鋼多為穿晶奧氏體不銹鋼多為穿晶 鋁、鈦、鎳也多為沿晶鋁、鈦、鎳也多為沿晶 但也有例外的。但也有例外的。(2)裂紋擴展的宏觀方向與應(yīng)力裂紋擴展的宏觀方向與應(yīng)力有關(guān)，大體垂直于主應(yīng)力，有關(guān)，大體垂直于主應(yīng)力，但裂紋常有分叉現(xiàn)象，呈枯但裂紋常有分叉現(xiàn)象，呈枯樹枝狀。樹枝狀。 10三、應(yīng)力腐蝕抗力指標三、應(yīng)力腐蝕抗力指標1、應(yīng)力腐蝕曲線應(yīng)力腐蝕曲線l采用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用下，測定采用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用下，測定不同應(yīng)力水平作用下的斷裂時間

10、曲線，從而求出該種不同應(yīng)力水平作用下的斷裂時間曲線，從而求出該種材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力。材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力。l實際機件一般都不可避免地存在著裂紋或類似裂紋的實際機件一般都不可避免地存在著裂紋或類似裂紋的缺陷。因此，用應(yīng)力腐蝕破裂的臨界應(yīng)力指標缺陷。因此，用應(yīng)力腐蝕破裂的臨界應(yīng)力指標scc不能不能客觀地反映裂紋機件對應(yīng)力腐蝕的抗力?？陀^地反映裂紋機件對應(yīng)力腐蝕的抗力。l發(fā)展了兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標：發(fā)展了兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標： 應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KIscc 應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt11、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因

11、子、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCCl定義：在特定介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場定義：在特定介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場強度因子。強度因子。l含宏觀裂紋的試樣，恒定載荷，特定介質(zhì)，測含宏觀裂紋的試樣，恒定載荷，特定介質(zhì)，測KItf曲線。曲線。lKISCC值的測定：值的測定：1) 恒載荷法：使恒載荷法：使KI不斷增大的方法，不斷增大的方法，最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗裝置。最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗裝置。2) 恒位移法：恒位移法：使使KI不斷減少，用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。不斷減少，用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。 12整個試驗過程中載荷恒定，隨著裂紋的擴展，裂紋尖整個試驗

12、過程中載荷恒定，隨著裂紋的擴展，裂紋尖端端KI增大，可用下式計算：增大，可用下式計算：其中其中1a/W試驗時制備一組尺寸相同的試樣，每個試樣承受不同試驗時制備一組尺寸相同的試樣，每個試樣承受不同恒定載荷，使裂紋尖端產(chǎn)生不同大小的初始應(yīng)力場強恒定載荷，使裂紋尖端產(chǎn)生不同大小的初始應(yīng)力場強度因子度因子KI初，記錄各種初，記錄各種KI初作用下的斷裂時間初作用下的斷裂時間tf，以，以KI初與初與tf為坐標作圖，曲線水平部分所對應(yīng)為坐標作圖，曲線水平部分所對應(yīng)KI初的即初的即為材料的為材料的KIscc2/1332/3112.4BWMKI13lKKISCC時，在應(yīng)力作用下，材料或零件可以長期處于時，在應(yīng)力

13、作用下，材料或零件可以長期處于腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生破壞。腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生破壞。lKISCCKKIC時，加上初始載荷后試樣立即斷裂。時，加上初始載荷后試樣立即斷裂。lKISCC也可以測量裂紋擴展速率也可以測量裂紋擴展速率da/dt。143、應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt l定義：單位時間內(nèi)裂紋的擴定義：單位時間內(nèi)裂紋的擴展量。展量。da/dt=f(KI)lda/dtKI曲線上的三個階段：曲線上的三個階段：l(1)存在一個門檻值存在一個門檻值KISCC。當當KIKISCC時，時，da/dt =0 或或微不足道。微不足道。l(2)第第階段：當階段：當KI超過超過KIscc時裂紋突

14、然加速擴展，時裂紋突然加速擴展，da/dtKI曲線幾乎與縱坐標軸平曲線幾乎與縱坐標軸平行。行。da/dt 值小，但受值小，但受K之影之影響較大。響較大。l(3)第第II段出現(xiàn)水平線段，段出現(xiàn)水平線段，da/dt 決定于環(huán)境而受應(yīng)力強決定于環(huán)境而受應(yīng)力強度的影響較小度的影響較小,第第II階段時間階段時間越長，材料抗應(yīng)力腐蝕性能越長，材料抗應(yīng)力腐蝕性能越好。若通過實驗測出某種越好。若通過實驗測出某種材料在第材料在第II階段的階段的da/dt值及值及第二階段結(jié)束時的第二階段結(jié)束時的KI值，就值，就可估算出機件在應(yīng)力腐蝕條可估算出機件在應(yīng)力腐蝕條件下的剩余壽命。件下的剩余壽命。l(4)第第階段裂紋長度

15、接近臨階段裂紋長度接近臨界尺寸，界尺寸，da/dt依賴于依賴于KI，材，材料進入失穩(wěn)擴展的過渡區(qū)。料進入失穩(wěn)擴展的過渡區(qū)。當當KI增大到增大到KIC時便失穩(wěn)擴時便失穩(wěn)擴展斷裂。展斷裂。15四、防止應(yīng)力腐蝕的措施四、防止應(yīng)力腐蝕的措施應(yīng)力腐蝕是通過陽極溶解的過程進行的。應(yīng)力腐蝕機理就是滑應(yīng)力腐蝕是通過陽極溶解的過程進行的。應(yīng)力腐蝕機理就是滑移移溶解理論。它可以簡單地歸結(jié)為四個過程，即滑移溶解理論。它可以簡單地歸結(jié)為四個過程，即滑移膜膜破破陽極溶解陽極溶解再鈍化。再鈍化。防止應(yīng)力腐蝕的方法要視具體的材料防止應(yīng)力腐蝕的方法要視具體的材料 介質(zhì)而定。介質(zhì)而定。主要措施：主要措施：1 1、合理選擇金屬材

16、料、合理選擇金屬材料 針對機件所受應(yīng)力和接觸的化學(xué)介質(zhì)，選用耐應(yīng)力腐蝕的針對機件所受應(yīng)力和接觸的化學(xué)介質(zhì)，選用耐應(yīng)力腐蝕的金屬材料。選材時還應(yīng)盡可能選取金屬材料。選材時還應(yīng)盡可能選取KIscc較高的合金。較高的合金。2 2、減少或消除機件中的殘余拉應(yīng)力、減少或消除機件中的殘余拉應(yīng)力 必要時采用退火工藝以消除應(yīng)力或采用噴丸等表面處理方法。必要時采用退火工藝以消除應(yīng)力或采用噴丸等表面處理方法。3 3、改善化學(xué)介質(zhì)、改善化學(xué)介質(zhì) 一方面設(shè)法減少和消除促進應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子；一方面設(shè)法減少和消除促進應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學(xué)離子；另一方面可在化學(xué)介質(zhì)中添加緩蝕劑。另一方面可在化學(xué)介質(zhì)中添加緩蝕劑。

17、4 4、采用電化學(xué)保護、采用電化學(xué)保護 采用陰極保護法使金屬在化學(xué)介質(zhì)中的電位遠離應(yīng)力腐蝕敏采用陰極保護法使金屬在化學(xué)介質(zhì)中的電位遠離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域。感電位區(qū)域。16l定義定義：由于氫和應(yīng)力的共同作用，而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)：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。生脆性斷裂的現(xiàn)象。一、氫在金屬中的存在形式一、氫在金屬中的存在形式l內(nèi)含的氫內(nèi)含的氫( (冶煉和加工中帶入的氫冶煉和加工中帶入的氫) )；l外來的氫外來的氫( (工作中，吸工作中，吸H)H)；l以間隙原子狀態(tài)固溶在金屬中；以間隙原子狀態(tài)固溶在金屬中；l以分子狀態(tài)存在于孔洞、氣泡裂紋等處；以分子狀態(tài)存在于孔洞、氣泡裂

18、紋等處；l在金屬在金屬( (如如V V、NbNb、TiTi、ZrZr、Hf)Hf)中形成氫化物。中形成氫化物。171、氫蝕、氫蝕( (氣蝕氣蝕) )l氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，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。l宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀。宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀。l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。2、白點（發(fā)裂）、白點（發(fā)裂）l H過量時，隨溫度降低合金中過量時，隨溫度降低合金中H H的溶解度降低，容易形成的溶解度降低，容易形成H2, ,使使H的體積增加形成很

19、大的內(nèi)壓力撕裂金屬局部形成裂紋。的體積增加形成很大的內(nèi)壓力撕裂金屬局部形成裂紋。這些裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，為銀白色，因此成為白這些裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，為銀白色，因此成為白點。白點是一種嚴重的缺陷，降低材料的性能。點。白點是一種嚴重的缺陷，降低材料的性能。l 減弱或消除的方法：精煉除氣、鍛后緩冷或等溫退火，以減弱或消除的方法：精煉除氣、鍛后緩冷或等溫退火，以及加入一些微量元素。及加入一些微量元素。183、氫化物致脆、氫化物致脆l(xiāng)與氫有較大親和力的與氫有較大親和力的B、B族金屬，極易生成脆性氫化族金屬，極易生成脆性氫化物，氫化物很硬、脆，與基體結(jié)合不牢。使金屬脆化。物，氫化物很硬、脆，與

20、基體結(jié)合不牢。使金屬脆化。l晶粒粗大，氫化物呈薄片狀晶粒粗大，氫化物呈薄片狀較大應(yīng)力集中較大應(yīng)力集中危害大危害大l晶粒細小，氫化物塊狀不連續(xù)分布晶粒細小，氫化物塊狀不連續(xù)分布危害小危害小4 4、氫導(dǎo)致延滯斷裂、氫導(dǎo)致延滯斷裂l定義：由于適量以固溶形式存在的氫，金屬在低于屈服強定義：由于適量以固溶形式存在的氫，金屬在低于屈服強度應(yīng)力下持續(xù)作用經(jīng)過一段孕育期后，在金屬內(nèi)部形成裂度應(yīng)力下持續(xù)作用經(jīng)過一段孕育期后，在金屬內(nèi)部形成裂紋且擴展，最后突然發(fā)生的脆性斷裂。紋且擴展，最后突然發(fā)生的脆性斷裂。l特點：特點：l1) 1) 只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)；只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)；l2) 2) 提高應(yīng)變速率，可

21、降低材料氫脆的敏感性；提高應(yīng)變速率，可降低材料氫脆的敏感性；l3) 3) 顯著降低材料斷后延伸率，但有一極限值；而斷面收顯著降低材料斷后延伸率，但有一極限值；而斷面收縮率隨含縮率隨含H H量增加一直降低；量增加一直降低；l4) 4) 高強度鋼的這類斷裂有可逆性。即低應(yīng)力慢速應(yīng)變后，高強度鋼的這類斷裂有可逆性。即低應(yīng)力慢速應(yīng)變后，由于氫脆降低塑性，卸載停留一定時間后再進行高速加載由于氫脆降低塑性，卸載停留一定時間后再進行高速加載可以恢復(fù)塑性，消除氫脆可以恢復(fù)塑性，消除氫脆19l三個階段：孕育，裂紋亞穩(wěn)擴展，失穩(wěn)擴展階段。三個階段：孕育，裂紋亞穩(wěn)擴展，失穩(wěn)擴展階段。l 孕育期：孕育期：Fe晶格中氫原子數(shù)量晶格中氫原子數(shù)量+遷移遷移+ +偏聚偏聚l1 1）氫氣團導(dǎo)致裂紋）氫氣團導(dǎo)致裂紋l 氫固溶于氫固溶于Fe晶格，存在刃型位錯的應(yīng)力場時，氫原子晶格，存在刃型位錯的應(yīng)力場時，氫原子與位錯交互作用，遷移到位錯線附近的拉應(yīng)力區(qū)，形成氫氣與位錯交互作用，遷移到位錯線附近的拉應(yīng)力區(qū)，形成氫氣團。團。