第06-7章金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂

1、1第六章 金屬的應力腐蝕和氫脆斷裂 6.1 應力腐蝕 6.2 氫脆第七章 金屬的磨損和耐磨性7.1 材料的磨損7.2 耐磨性7.3 接觸疲勞26.1應力腐蝕6.1.1應力腐蝕及其產生條件(1)定義與特點1）應力腐蝕斷裂（Stress Corrosion Cracking，SCC） 金屬在拉應力和特定的介質共同作用下，經過一段時間后，所產生的低應力脆斷現(xiàn)象。2）特點 拉應力、特定介質、延時、脆斷。 低碳鋼、低合金鋼堿脆（苛性堿溶液）、硝脆（硝酸根離子） 奧氏體不銹鋼氯脆（含氯離子） 銅合金氨脆（氨氣介質） 高強度鋁合金脆裂（潮濕空氣、蒸餾水介質）(2)產生條件 應 力：外應力、殘余應力（焊接、熱

2、處理過程中）； 化學介質：一定材料對應一定的化學介質（表6-1）； 金屬材料：化學成分（合金對應力腐蝕有不同程度的敏感性）、顯微組織、強化程度等。36.1.2 應力腐蝕(1)機理 滑移溶解理論（鈍化膜破壞理論）a）應力作用下，滑移臺階露頭且鈍化膜破裂（在表面或裂紋面）b）電化學腐蝕（鈍化膜的金屬表面為陰極，新鮮金屬為陽極）陽極金屬成為正離子融入進入電解液，發(fā)生溶解，形成蝕坑。c）應力集中，使陽極電極電位降低，加大腐蝕；d）若應力集中始終存在，則微電池反應不斷進行，鈍化膜不能恢復。則裂紋逐步向縱深擴展。（該理論只能很好地解釋沿晶斷裂的應力腐蝕）42、斷口特征 (2) 宏觀：亞穩(wěn)擴展區(qū)+最后瞬斷區(qū)

3、（與疲勞斷口相似）；亞穩(wěn)擴展區(qū)可見腐蝕產物和氧化現(xiàn)象，呈黑色或灰色，最后瞬斷區(qū)為快速撕裂，呈脆斷特征。形貌：枯樹枝狀、分叉（圖6-2，P130 ）。主裂紋擴展較快、其他分支裂紋擴展較慢。據此可區(qū)別應力腐蝕 VS 腐蝕疲勞和晶間腐蝕等。 (3)微觀 沿晶斷裂和穿晶斷裂（6-3 ) a.泥狀花樣，b.腐蝕坑）56.1.3力學性能指標常規(guī)方法(光滑試樣：拉應力+腐蝕介質)測定的 SCCtf曲線。斷裂總時間tf包括裂紋形成時間與裂紋擴展時間，而裂紋形成時間約占斷裂總時間的90%。實際機件通常不可避免的存在裂紋或類裂紋缺陷。故SCC （材料不發(fā)生應力腐蝕開裂的臨界應力）不能客觀地反映材料的應力腐蝕抗力。

4、(1) 預制裂紋+應力腐蝕試驗 應力腐蝕臨界應力場強度因子KISCC恒載荷，特定化學介質，測KItf曲線。 將不發(fā)生應力腐蝕斷裂的最大應力場強度因子，稱為應力腐蝕臨界應力場強度因子KISCC 。判據：含有裂紋的機件，當裂紋尖端的初始應力強度因子 KI初KISCC，原始裂紋在化學介質和力的作用下不會發(fā)生擴展，機件可安全服役。KISCC測量方法恒載荷法/圖6-6、恒位移法。6(2)應力腐蝕裂紋的擴展速度da/dt KIKISCC，裂紋擴展。擴展速率da/dt單位時間內的裂紋擴展量。da/dt KI 曲線（圖6-7，P132）的三個階段（初始、穩(wěn)定、失穩(wěn)）。 第二階段時間越長，材料抗應力腐蝕開裂性能

5、越好。如果測出KISCC及第二階段的da/dt ，就可估算機件在應力腐蝕條件下的剩余壽命。7(四) 防止應力腐蝕的措施 (1)合理選材（原則：選材時，考慮耐應力腐蝕性能；在成本和采購便利下，盡量選KISCC較高的材料）； (2)減少拉應力（降低應力集中，退火，噴丸及其他表面處理）； (3)改善化學介質（水凈化、添加緩蝕劑）； (4)采用電化學保護，使金屬遠離電化學腐蝕區(qū)域（外加電位、陰極保護）。86.2 氫脆 氫和應力的共同作用，導致金屬材料產生脆性斷裂，稱為氫脆斷裂（氫脆）。6.2.1 氫在金屬中存在的形式 內含的（冶煉和加工/焊接、酸洗、電鍍等過程中帶入的氫）； 外來的（工作服役中，吸H）

6、。間隙原子狀 固溶在金屬中：一般，氫以間隙狀態(tài)固溶在金屬中，溫度 ，溶解度 。分子狀氣泡中：氫也可通過擴散聚集在材料缺陷（孔洞、氣泡、裂紋等）處，形成分子氫。化學物（氫化物）： 此外，氫還可與過渡族、稀土或堿金屬元素作用，形成氫化物，或與金屬的第二相作用生成氣體產物，如鋼中的氫VS滲碳體作用，形成甲烷等。 96.2.2 氫脆類型及其特征(1)氫蝕 （氫+金屬中的第二相高壓氣泡（H2，CH4）沿基體金屬晶界分布，大大降低金屬塑性。宏觀斷口：呈氧化色，顆粒狀（沿晶）；微觀斷口：晶界明顯加寬，沿晶斷裂。 碳鋼，溫度低于220時，不產生氫蝕。(2)白點（發(fā)裂） 當鋼中含有過量的氫，IF溶解度，如果過量

7、的氫未能逃逸，就會聚集在缺陷位置，形成氣泡，體積 ，將金屬的局部脹裂，形成微裂紋。斷口/宏觀：斷面呈圓形或橢圓形，銀白色，故稱為白點。 Cr-Ni結構鋼的大鍛件中白點是一種嚴重缺陷。10(3) 氫化物致脆IVB、VB族金屬（純Ti、-Ti、Ni、V、Zr及Nb合金等）與H的親和力大，形成氫化物（凝固、熱加工時形成；或應力作用下，元素擴散而形成）。氫化物很硬、脆，與基體結合不牢。裂紋沿界面擴展。如晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀，極易產生較大應力集中，危害很大；若晶粒較小，則這種危害作用較小。(4) 氫致延滯斷裂如高強度鋼、+Ti合金中，由于氫的存在，在低于屈服強度應力的持續(xù)作用下產生的延滯斷裂

8、現(xiàn)象。原因：氫顯著降低金屬材料的斷后伸長率。條件：一定溫度范圍；慢速加載（恒載）。高強度鋼的氫致延滯斷裂斷口的宏觀形貌與一般脆性斷口相似。微觀斷口：沿原奧氏體晶界的沿晶斷裂，晶界上常有撕裂棱。116.3 鋼的氫致延滯斷裂機理 三個階段：孕育、亞穩(wěn)擴展、失穩(wěn)擴展。1）孕育期氫擴散、進入到-Fe晶格，氫原子數量，偏聚到一定濃度。氫固溶在位錯線周圍偏聚，形成氣團；位錯運動受阻，產生應力集中，萌生裂紋。2）應力狀況 應變速率高，不會出現(xiàn)氫脆。拉應力促進H固溶。高強鋼的氫致延滯裂還具有可逆性。循環(huán)軟化126.4 氫致延滯斷裂與應力腐蝕的關系。 “相互促進” 陽極溶解、金屬開裂；陰極吸氫，延滯斷裂。6.5

9、 防止氫脆的措施1）材料 降低含氫量，細化組織，降低S、P含量。 顯微組織對氫脆的敏感性，由低高 排序： 球狀P、片狀P、回火M或B、未回火M。2）環(huán)境 減少吸氫的可能性，含氫介質中加入抑制劑，表面涂層。 3）力學因素 減小殘余拉應力，降低應力集中。13第七章 金屬的磨損和耐磨性7.1 材料的磨損 (1) 定義機件表面相接觸并作相對運動，表面逐漸有微小顆粒分離出來形成磨屑，使表面材料逐漸流失，造成表面損傷的現(xiàn)象磨損。 磨屑的形成過程局部表面接觸材料變形、斷裂 (2) (運動副正常嚙合）磨損過程三階段：跑合、穩(wěn)定磨損、劇烈磨損。 (3)磨損分類 a）粘著磨損，接觸疲勞 粘著磨損（咬合磨損）滑動條

10、件下，摩擦副相對運動速度較?。ㄤ摚?m/s）時發(fā)生的磨損。 如：刀具、模具、齒輪、凸輪及各種軸承的機件失效粘著磨損。 b）磨粒磨損當摩擦副一方面存在堅硬的細微突起，或者在接觸面之間存在著硬質粒子時所產生的一種磨損。 前者為兩體磨粒磨損（如銼削過程）；后者為三體磨粒磨損（如拋光）細分：鑿削磨損（挖掘機斗齒、腭板）；高應力碾壓磨粒磨損（球磨機襯板與鋼球、軋碎機滾筒等機件表面的破壞）；低應力擦傷磨損（犁鏵、運輸槽）。14 c）沖蝕磨損流體或固體以松散的小顆粒按一定的速度和角度對材料表面進行沖擊造成的損傷。進一步分又有固氣沖蝕磨損、流體沖蝕磨損、液滴沖蝕磨損和氣蝕等。 d）腐蝕磨損摩擦過程中，摩擦副之

11、間或摩擦副表面與環(huán)境介質發(fā)生化學或電化學反應形成腐蝕產物，進而脫落造成表面材料損失的過程。腐蝕磨損+粘著磨損或磨粒磨損腐蝕機械磨損。 微動磨損接觸表面之間因存在小振幅相對運動或往復運動而產生的磨損（也叫微動腐蝕）。特征：摩擦副接觸區(qū)有大量紅色Fe2O3磨屑。該磨損兼有粘著磨損、氧化磨損及磨粒磨損。 4、磨損機理 a）粘著機理 b）裂紋匯聚，斷裂 c）顯微切削（犁削） d）微觀疲勞斷裂 5、磨損試驗及觀察 模擬試驗；宏觀觀察，微觀分析。157.2 耐磨性(1)材料耐磨性是其物性與服役工況的綜合表現(xiàn)。 (2)設定條件下求材料的相對耐磨性（磨損量比值，質量或體積） 相對耐磨性系數 =w標 /w測 測

12、試方法：銷盤、環(huán)塊、往復、滾子式等，及專用模擬工況試驗機 (3)顯微組織對耐磨性的影響(4) 服役工況的影響7.3 提高材料耐磨性的措施(1) 工況分析(2) 選材及其強化處理167.3.1 接觸疲勞機件（如軸承、齒輪等）兩接觸表面作滾動、滑動，或滾滑時，在交變接觸壓應力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導致局部區(qū)域產生小片或小塊狀金屬剝落導致的材料流失現(xiàn)象。 也稱為表面疲勞磨損或疲勞磨損。 7.3 接觸疲勞 接觸疲勞與一般疲勞一樣，也是裂紋形成和擴展的過程（通常裂紋形成時間長、擴展相對較短）。 接觸疲勞曲線（最大接觸壓應力 接max破壞循環(huán)周次N）有兩類，一種是有明顯的接值的，另一類是硬度較高

13、的鋼種， 接隨循環(huán)周次增加呈連續(xù)下降，無明顯的 接max值。Note：與道路表面的破壞極為相似17形貌：麻點剝落（點蝕，深度yx 超過一定深度時，zxy 相應的最大切應力為： 在最大切應力處，材料易出現(xiàn)局部塑性變形。222454545xyyxxzzxyzzy19這三個最大切應力分別作用在與主應力呈45方向的平面上，且zy45 值最大。其沿接觸深度方向的分布如圖7-19所示。接觸區(qū)沿Z軸方向的應力分布，在接觸深度為0.786b處， zy45 達最大值。因而對于兩物體滾滑接觸承受法向力時，對于接觸面上某一位置，其亞表層受0zy45 max脈動循環(huán)應力作用（應力半幅為0.5zy45 max， 0.1

14、5 0.16 zmax）。根據分析，在接觸區(qū)下z=0.5b，y=0.85b （圖7-20）處受對稱循環(huán)剪切應力0，方向與接觸面平行，應力半幅 （0.50max ）為0.256zmax 。可見0max比zy45 max更危險。即接觸疲勞強度設計和破壞分析應以0max為依據更為合理。ZYXNote：縱坐標為：縱坐標為。與。與max比值比值207.3.3 接觸疲勞破壞方式（1）麻點剝落局部塑性變形，產生裂紋、擴展（滑移帶開裂），在連續(xù)滾滑作用下，潤滑油擠入裂紋并封閉其間，產生高壓沖擊波，剝落下一塊金屬而形成一凹坑。 摩擦力較大及表面質量差時，易產生麻點剝落。（2）淺層剝落 最大切應力處，塑性變形最劇

15、烈,且反復進行，導致材料局部弱化，非金屬夾雜物附近萌生裂紋。 表層、次表層產生了加工硬化。（3）深層剝落 過渡區(qū)是薄弱區(qū)，萌生裂紋，先平行于表面擴展，后垂直于表面擴展，最后形成大的剝落坑。21 7.3.4 影響接觸疲勞抗力的因素內因 （1）非金屬夾雜 脆性的帶有棱角的氧化物、硅酸鹽夾雜物硅酸鹽夾雜物對接觸疲勞壽命影響最大，在其邊緣部分最容易造成微裂紋邊緣部分最容易造成微裂紋，接觸疲勞壽命。 （2）熱處理組織狀態(tài)M的%C軸承鋼，若未熔碳化物狀態(tài)相同，馬氏體含碳量在0.40.5%時， 接觸疲勞壽命最高。（含碳量應適度）M和AR的級別AR數量越多、M針越粗大，則表層有益的殘余壓應力和滲碳層強度就越低，愈促成顯微裂紋，接觸疲勞壽命。 預先熱處理 正火、淬火后的深冷處理的重要性。未熔K及帶狀KM%C 為 0.5%的高碳軸承鋼，未熔K顆粒越粗大，則相鄰M邊界處的 %C 就越高，該處更易形成接觸疲勞裂紋，壽命較低。這顯示了球化退火的重要性！表面硬度和心部硬度（軸承鋼）表面為62HRC時，接觸疲勞壽命最高；滲碳層心部硬度應適宜，如太低，易在過渡層形成裂紋，產生滲層剝落；例：滲碳齒輪心部，