第06章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂-材料力學(xué)性能

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 金屬機(jī)件（或構(gòu)件）在服役過(guò)程中經(jīng)常要與周金屬機(jī)件（或構(gòu)件）在服役過(guò)程中經(jīng)常要與周圍環(huán)境中的各種介質(zhì)相接觸。圍環(huán)境中的各種介質(zhì)相接觸。環(huán)境介質(zhì)對(duì)金屬材料環(huán)境介質(zhì)對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響，力學(xué)性能的影響，稱為稱為環(huán)境效應(yīng)環(huán)境效應(yīng)。 由于環(huán)境效應(yīng)的作用，金屬所承受的應(yīng)力即使由于環(huán)境效應(yīng)的作用，金屬所承受的應(yīng)力即使低于其屈服強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生突然斷裂的現(xiàn)象低于其屈服強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生突然斷裂的現(xiàn)象，即為，即為環(huán)環(huán)境斷裂境斷裂。知識(shí)拓展知識(shí)拓展2 在在靜載荷作用下靜載荷作用下的環(huán)境斷裂有的環(huán)境斷裂有應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕和和氫脆氫脆斷裂斷裂等，因?yàn)樗鼈兪请S

2、時(shí)間延續(xù)而造成的斷裂，故等，因?yàn)樗鼈兪请S時(shí)間延續(xù)而造成的斷裂，故又稱為又稱為延滯斷裂或靜載疲勞延滯斷裂或靜載疲勞。 在在交變載荷作用下交變載荷作用下的環(huán)境斷裂主要是的環(huán)境斷裂主要是腐蝕疲勞腐蝕疲勞。 金屬機(jī)件在加工過(guò)程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在金屬機(jī)件在加工過(guò)程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在服役過(guò)程中又承受外加載荷，如果與周圍環(huán)境中各服役過(guò)程中又承受外加載荷，如果與周圍環(huán)境中各種化學(xué)介質(zhì)或氫相接觸，便會(huì)產(chǎn)生特殊的斷裂現(xiàn)象，種化學(xué)介質(zhì)或氫相接觸，便會(huì)產(chǎn)生特殊的斷裂現(xiàn)象，主要有應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂等。這些主要有應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂等。這些斷裂形式斷裂形式大多數(shù)為低應(yīng)力脆斷大多數(shù)為低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險(xiǎn)

3、性。，具有很大的危險(xiǎn)性。 36-1 6-1 應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕 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 （1）定義）定義 金屬在金屬在拉應(yīng)力拉應(yīng)力和和特定的介質(zhì)共同作用特定的介質(zhì)共同作用下，經(jīng)下，經(jīng)過(guò)過(guò)一段時(shí)間后一段時(shí)間后，所產(chǎn)生的，所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。稱為現(xiàn)象。稱為應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）。）。 應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂沒(méi)有任何明顯征兆沒(méi)有任何明顯征兆，會(huì)產(chǎn)生災(zāi)，會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。難性的后果。4 特點(diǎn)特點(diǎn) 拉應(yīng)力，特定介質(zhì)，時(shí)間，脆斷。拉應(yīng)力，特定介質(zhì)，時(shí)間，脆斷。

4、并不是兩種破壞形式的疊加，而是按照特定并不是兩種破壞形式的疊加，而是按照特定機(jī)理，機(jī)理，比疊加起來(lái)的抗力還要低的多比疊加起來(lái)的抗力還要低的多。 無(wú)論是韌性材料還是脆性材料，均沒(méi)有明顯無(wú)論是韌性材料還是脆性材料，均沒(méi)有明顯的征兆就發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂的征兆就發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂，常常造成災(zāi)難性，常常造成災(zāi)難性事故。事故。5 常見(jiàn)的應(yīng)力腐蝕斷裂形式常見(jiàn)的應(yīng)力腐蝕斷裂形式（如表所示如表所示）：）： 低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的“堿脆堿脆”和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的“硝脆硝脆”； 奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的奧氏體不銹鋼在含有氯離子介質(zhì)中的

5、“氯氯脆脆”； 銅合金在氨氣介質(zhì)中的銅合金在氨氣介質(zhì)中的“氨脆氨脆”； 高強(qiáng)度鋁合金在空氣、蒸餾水介質(zhì)中的脆裂高強(qiáng)度鋁合金在空氣、蒸餾水介質(zhì)中的脆裂等。等。6 2 2、產(chǎn)生條件、產(chǎn)生條件 拉應(yīng)力、特定化學(xué)介質(zhì)和金屬材料是產(chǎn)生應(yīng)拉應(yīng)力、特定化學(xué)介質(zhì)和金屬材料是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的三個(gè)條件。力腐蝕開(kāi)裂的三個(gè)條件。 拉應(yīng)力拉應(yīng)力：包括殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力包括殘余應(yīng)力和工作應(yīng)力。焊接、。焊接、熱處理、裝配等過(guò)程中產(chǎn)生的。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)熱處理、裝配等過(guò)程中產(chǎn)生的。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的應(yīng)力一般并不很大。如果沒(méi)有特定腐蝕介質(zhì)裂的應(yīng)力一般并不很大。如果沒(méi)有特定腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用，機(jī)件在該應(yīng)力作用下可以長(zhǎng)期服役的協(xié)同

6、作用，機(jī)件在該應(yīng)力作用下可以長(zhǎng)期服役而不斷裂。而不斷裂。7 化學(xué)介質(zhì)化學(xué)介質(zhì)：指：指特定化學(xué)介質(zhì)特定化學(xué)介質(zhì)。如果沒(méi)有拉應(yīng)。如果沒(méi)有拉應(yīng)力的共同作用，材料在這種介質(zhì)中的腐蝕速度很慢。力的共同作用，材料在這種介質(zhì)中的腐蝕速度很慢。也就是說(shuō)，每種材料只對(duì)某種介質(zhì)敏感，這種介質(zhì)也就是說(shuō)，每種材料只對(duì)某種介質(zhì)敏感，這種介質(zhì)可能對(duì)其它材料沒(méi)有明顯的作用?？赡軐?duì)其它材料沒(méi)有明顯的作用。見(jiàn)表所示見(jiàn)表所示 金屬材料金屬材料：一般只有合金才產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷一般只有合金才產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂，純金屬不會(huì)產(chǎn)生裂，純金屬不會(huì)產(chǎn)生。在每一種合金系列中，都有在每一種合金系列中，都有對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的合金成分對(duì)應(yīng)力腐蝕不敏感的合

7、金成分。如：鋁鎂合金中當(dāng)。如：鋁鎂合金中當(dāng)含鎂量超過(guò)含鎂量超過(guò)4，對(duì)應(yīng)力腐蝕很敏感，而鎂含量小，對(duì)應(yīng)力腐蝕很敏感，而鎂含量小于于4時(shí)，無(wú)論熱處理?xiàng)l件如何，它幾乎都具有抗時(shí)，無(wú)論熱處理?xiàng)l件如何，它幾乎都具有抗腐蝕的能力。又如，鋼中在含碳量在腐蝕的能力。又如，鋼中在含碳量在0.12左右時(shí)，左右時(shí)，應(yīng)力腐蝕敏感性最大。應(yīng)力腐蝕敏感性最大。8 二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理和斷口形貌特征二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理和斷口形貌特征 （一）應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理（一）應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理 機(jī)理有多種，目前還沒(méi)有一種理論能夠解釋所機(jī)理有多種，目前還沒(méi)有一種理論能夠解釋所有的應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象，應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機(jī)有的應(yīng)力腐蝕斷裂現(xiàn)象，

8、應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機(jī)理是滑移溶解理論（或稱鈍化膜破壞理論）和氫脆理是滑移溶解理論（或稱鈍化膜破壞理論）和氫脆理論。理論。 在此僅介紹兩種為多數(shù)人接受的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂在此僅介紹兩種為多數(shù)人接受的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂理論。理論。 1、以陽(yáng)極溶解為基礎(chǔ)的鈍化膜破壞理論以陽(yáng)極溶解為基礎(chǔ)的鈍化膜破壞理論 如圖所示如圖所示。 （該理論只能很好地解釋沿晶斷裂（該理論只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕）的應(yīng)力腐蝕）9 2、晶界微電池溶解理論晶界微電池溶解理論 在在體護(hù)環(huán)鋼的龜裂現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)：體護(hù)環(huán)鋼的龜裂現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)：沉淀于晶界沉淀于晶界的碳化物的碳化物其實(shí)為類似珠光體的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與介質(zhì)其實(shí)為類似珠光體的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與介

9、質(zhì)形成微電池并迅速溶解形成微電池并迅速溶解，導(dǎo)致脆斷。斷裂過(guò)程分為，導(dǎo)致脆斷。斷裂過(guò)程分為亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)擴(kuò)展區(qū)。亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)和瞬時(shí)擴(kuò)展區(qū)。10 ( (二二) )應(yīng)力腐蝕斷口特征應(yīng)力腐蝕斷口特征 1 1、宏觀斷口特征、宏觀斷口特征 與疲勞斷口相似與疲勞斷口相似； 不同之處不同之處是：是：在在裂紋源裂紋源及及亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)到可見(jiàn)到腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象腐蝕產(chǎn)物和氧化現(xiàn)象，常呈現(xiàn)黑色或灰黑色具有，常呈現(xiàn)黑色或灰黑色具有脆性特征。脆性特征。瞬時(shí)斷裂區(qū)瞬時(shí)斷裂區(qū)（失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)、最后斷裂（失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)、最后斷裂區(qū)）一般為快速撕裂破壞，顯示材料的特性。區(qū)）一般為快速撕裂破壞，顯示材料的特性。11 2 2、

10、微觀特征、微觀特征 斷口的微觀形貌一般為斷口的微觀形貌一般為沿晶斷裂沿晶斷裂，也可能，也可能為為穿晶斷裂穿晶斷裂。 其表面可見(jiàn)到其表面可見(jiàn)到“泥狀花樣泥狀花樣”的的腐蝕產(chǎn)物腐蝕產(chǎn)物（見(jiàn)圖見(jiàn)圖6-3a）及）及腐蝕坑腐蝕坑（見(jiàn)圖見(jiàn)圖6-3b）。）。 應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力腐蝕的顯微裂紋有分叉現(xiàn)象，呈枯樹(shù)顯微裂紋有分叉現(xiàn)象，呈枯樹(shù)枝狀，枝狀，如圖所示如圖所示。表明應(yīng)力腐蝕時(shí)，有一主裂紋。表明應(yīng)力腐蝕時(shí)，有一主裂紋擴(kuò)展較快，其它分枝擴(kuò)展較慢，根據(jù)這一特征可擴(kuò)展較快，其它分枝擴(kuò)展較慢，根據(jù)這一特征可將其與腐蝕疲勞、晶間腐蝕等斷裂區(qū)分開(kāi)來(lái)。將其與腐蝕疲勞、晶間腐蝕等斷裂區(qū)分開(kāi)來(lái)。12 三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)三、應(yīng)力

11、腐蝕抗力指標(biāo)（斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐斷裂力學(xué)在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂中的應(yīng)用蝕開(kāi)裂中的應(yīng)用） 通常采用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作通常采用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā)生斷裂的持續(xù)時(shí)間來(lái)評(píng)定金屬材料的用下，依據(jù)發(fā)生斷裂的持續(xù)時(shí)間來(lái)評(píng)定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能（抗應(yīng)力腐蝕性能（見(jiàn)圖見(jiàn)圖6-4）。）。 用常規(guī)方法測(cè)定的用常規(guī)方法測(cè)定的tf曲線，得到的曲線，得到的SCC不能不能客觀地反映材料的應(yīng)力腐蝕抗力。（無(wú)裂紋）客觀地反映材料的應(yīng)力腐蝕抗力。（無(wú)裂紋） 引入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的概念來(lái)研究金屬材料抗引入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子的概念來(lái)研究金屬材料抗應(yīng)力腐蝕性能，即應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子應(yīng)力腐蝕性能，即應(yīng)力

12、腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子scc和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率和應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt。13 1、臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子、臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC 試驗(yàn)表明：在恒定載荷和特定化學(xué)介質(zhì)作用下，試驗(yàn)表明：在恒定載荷和特定化學(xué)介質(zhì)作用下，帶有預(yù)制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時(shí)帶有預(yù)制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時(shí)間與初始應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子間與初始應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI I初初有關(guān)。有關(guān)。如圖所示如圖所示 將試樣在特定化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷將試樣在特定化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子稱為裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子稱為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子強(qiáng)度因子（或稱為（或稱為應(yīng)

13、力腐蝕門檻值應(yīng)力腐蝕門檻值），以），以KISCC表表示。示。 對(duì)于大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì)中的對(duì)于大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì)中的scc值是一定的。值是一定的。 14 測(cè)定金屬材料的測(cè)定金屬材料的KISCC值可用恒載荷法或恒位值可用恒載荷法或恒位移法。以恒載荷法的懸臂梁彎曲試驗(yàn)法最常用，所移法。以恒載荷法的懸臂梁彎曲試驗(yàn)法最常用，所用試樣與測(cè)定的用試樣與測(cè)定的KIC的三點(diǎn)彎曲試樣相同，裝置見(jiàn)的三點(diǎn)彎曲試樣相同，裝置見(jiàn)圖圖6-6。 裂紋尖端的裂紋尖端的可用公式（可用公式（6-2）計(jì)算。）計(jì)算。 （6-2） 通過(guò)做出通過(guò)做出初初 lgtf的關(guān)系圖線，便可從曲線的關(guān)系圖線，便可從曲線的水

14、平部分所對(duì)應(yīng)的的水平部分所對(duì)應(yīng)的初初值即為材料的值即為材料的scc。15 2、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率、應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt 當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的KI IKISCCISCC時(shí)，裂紋就會(huì)時(shí)，裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展。不斷擴(kuò)展。 單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量稱為單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量稱為應(yīng)力腐蝕裂紋應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率擴(kuò)展速率，da/dt。 關(guān)系曲線分三個(gè)階段（關(guān)系曲線分三個(gè)階段（、或或初始、穩(wěn)定、失穩(wěn)），如初始、穩(wěn)定、失穩(wěn)），如圖圖6-7所示。所示。 第第階階段段時(shí)間時(shí)間越越長(zhǎng)長(zhǎng)材料抵抗材料抵抗應(yīng)力腐蝕性能越應(yīng)力腐蝕性能越好。由圖好。由圖6-7中第中第階階段的段的da/dtKI I兩

15、個(gè)數(shù)值的關(guān)兩個(gè)數(shù)值的關(guān)系，系，可以估算機(jī)件的剩余壽命?？梢怨浪銠C(jī)件的剩余壽命。Kdtdalg16 四、防止應(yīng)力腐蝕的措施四、防止應(yīng)力腐蝕的措施 從導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的三要素（三個(gè)條件）下手。從導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕的三要素（三個(gè)條件）下手。 1 1、合理選擇金屬材料、合理選擇金屬材料 根據(jù)機(jī)件所承受的應(yīng)力和接觸的化學(xué)介質(zhì)，選根據(jù)機(jī)件所承受的應(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（避開(kāi)靈敏材料）。即選用耐應(yīng)力腐蝕的金屬材料（避開(kāi)靈敏材料）。即選用用Kscc較高的合金。較高的合金。 如如銅對(duì)氨對(duì)的應(yīng)力腐蝕敏感性高，選用材料銅對(duì)氨對(duì)的應(yīng)力腐蝕敏感性高，選用材料時(shí)避免使用銅合金。時(shí)避免使用銅合金。在高濃度氯化

16、物介質(zhì)中，采在高濃度氯化物介質(zhì)中，采用不含鎳、銅或僅含微量鎳、銅的低碳高鉻鐵素體用不含鎳、銅或僅含微量鎳、銅的低碳高鉻鐵素體不銹鋼，或含硅較高的鉻鎳不銹鋼，也可選用鎳基不銹鋼，或含硅較高的鉻鎳不銹鋼，也可選用鎳基和鐵鎳基耐蝕合金。和鐵鎳基耐蝕合金。17 2、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 降低設(shè)計(jì)應(yīng)力、消除或降低殘余拉應(yīng)力、采用降低設(shè)計(jì)應(yīng)力、消除或降低殘余拉應(yīng)力、采用表面處理的方法（噴丸、表面熱處理等方法）使表表面處理的方法（噴丸、表面熱處理等方法）使表面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。面產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。 3、改變介質(zhì)條件改變介質(zhì)條件 一是一是通過(guò)通過(guò)減少或消除應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的有害離子減少

17、或消除應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的有害離子是一種較為有效的方法。如通過(guò)水凈化處理，降低是一種較為有效的方法。如通過(guò)水凈化處理，降低冷卻水與蒸汽中的氯離子含量，對(duì)降低奧氏體不銹冷卻水與蒸汽中的氯離子含量，對(duì)降低奧氏體不銹鋼的氯脆十分有效。鋼的氯脆十分有效。二是在化學(xué)介質(zhì)中添加緩蝕劑二是在化學(xué)介質(zhì)中添加緩蝕劑。如在高溫水中加入如在高溫水中加入300ppm磷酸鹽，可使鉻鎳奧氏體磷酸鹽，可使鉻鎳奧氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能大為提高。不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能大為提高。18 4、采用電化學(xué)保護(hù)采用電化學(xué)保護(hù)使金屬遠(yuǎn)離電化學(xué)腐蝕使金屬遠(yuǎn)離電化學(xué)腐蝕敏感電位區(qū)域敏感電位區(qū)域 因?yàn)榻饘僭诨瘜W(xué)介質(zhì)中只有在一定的電極電因?yàn)榻饘僭诨瘜W(xué)介

18、質(zhì)中只有在一定的電極電位范圍內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，因此位范圍內(nèi)才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，因此采用外加采用外加電位的方法電位的方法，使金屬在化學(xué)介質(zhì)中的電位遠(yuǎn)離應(yīng)，使金屬在化學(xué)介質(zhì)中的電位遠(yuǎn)離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域，也是一種防止措施。力腐蝕敏感電位區(qū)域，也是一種防止措施。一般一般采用采用陰極保護(hù)法陰極保護(hù)法。此方法不適用于高強(qiáng)度鋼和其。此方法不適用于高強(qiáng)度鋼和其它氫脆敏感材料。它氫脆敏感材料。196-2 6-2 氫氫 脆脆 一、氫在金屬中的存在形式一、氫在金屬中的存在形式 氫脆斷裂（氫脆）：氫脆斷裂（氫脆）：由于氫和應(yīng)力的共同作由于氫和應(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)象用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)

19、生脆性斷裂的現(xiàn)象。 1、氫的來(lái)源、氫的來(lái)源 可分為可分為內(nèi)含的內(nèi)含的和和外來(lái)的外來(lái)的兩種。前者是指金屬兩種。前者是指金屬在熔煉過(guò)程中及隨后的加工制造過(guò)程（如焊接、在熔煉過(guò)程中及隨后的加工制造過(guò)程（如焊接、酸洗、電鍍等）中吸收的氫；后者是金屬機(jī)件在酸洗、電鍍等）中吸收的氫；后者是金屬機(jī)件在服役時(shí)環(huán)境介質(zhì)中含有的氫。服役時(shí)環(huán)境介質(zhì)中含有的氫。202 2、氫在金屬中的存在形式、氫在金屬中的存在形式 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，對(duì)大多數(shù)，對(duì)大多數(shù)工業(yè)合金，氫的溶解度隨溫度的降低而降低。工業(yè)合金，氫的溶解度隨溫度的降低而降低。 氫在金屬中可通過(guò)擴(kuò)散聚集在較大缺陷氫在金屬中可通過(guò)

20、擴(kuò)散聚集在較大缺陷（如空洞、氣泡、裂紋）處，（如空洞、氣泡、裂紋）處，以氫分子狀態(tài)存在以氫分子狀態(tài)存在。 還可能與一些過(guò)渡族、稀土或堿土金屬元還可能與一些過(guò)渡族、稀土或堿土金屬元素作用生成素作用生成氫化物氫化物。 與金屬中的第二相作用與金屬中的第二相作用生成氣體產(chǎn)物生成氣體產(chǎn)物，如，如鋼中的氫可以和滲碳體中的碳原子作用形成甲烷鋼中的氫可以和滲碳體中的碳原子作用形成甲烷等。等。21 二、氫脆類型及其特征二、氫脆類型及其特征 由于氫在金屬中存在的狀態(tài)不同以及氫與金由于氫在金屬中存在的狀態(tài)不同以及氫與金屬交互作用性質(zhì)的不同，氫可通過(guò)不同的機(jī)件使屬交互作用性質(zhì)的不同，氫可通過(guò)不同的機(jī)件使金屬脆化，因而

21、氫脆的種類很多。常見(jiàn)的幾種氫金屬脆化，因而氫脆的種類很多。常見(jiàn)的幾種氫脆及其特征：脆及其特征： 1 1、氫蝕氫蝕（或稱氣蝕）（或稱氣蝕） 是由于氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，是由于氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使基體金屬使基體金屬晶界結(jié)合力減弱晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。這而導(dǎo)致金屬脆化。這種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在與高溫、高壓氫氣相種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在與高溫、高壓氫氣相接觸的部位。碳鋼在低于接觸的部位。碳鋼在低于220時(shí)，不產(chǎn)生氫脆。時(shí)，不產(chǎn)生氫脆。 宏觀斷口形貌宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀（沿晶）。：呈氧化色，顆粒狀（沿晶）。微觀斷口微觀斷口上晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。上

22、晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。22 2 2、白點(diǎn)白點(diǎn)（發(fā)裂、發(fā)紋）（發(fā)裂、發(fā)紋） 氫的溶解度氫的溶解度，形成氣泡體積，形成氣泡體積，如果過(guò)飽和的，如果過(guò)飽和的氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂子。內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。紋。 宏觀特征宏觀特征：斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白：斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，故稱白點(diǎn)。甚至有白線。色，故稱白點(diǎn)。甚至有白線。如圖所示如圖所示 消除消除：一般出現(xiàn)在大鍛件中。采用精煉除氣、：一般出現(xiàn)在大鍛件中。采用精煉除氣、鍛后緩冷或等穩(wěn)退火以及在鋼中加

23、入稀土或其它微鍛后緩冷或等穩(wěn)退火以及在鋼中加入稀土或其它微量元素等方法，使白點(diǎn)減弱或消除。量元素等方法，使白點(diǎn)減弱或消除。23 3、氫化物致脆氫化物致脆 形成原因形成原因：對(duì)于：對(duì)于IVB族或族或VB族金屬（如鈦、族金屬（如鈦、-鈦合金、鈦合金、 Ni、V、Zr、Nd及其合金），由于與及其合金），由于與H有較大的親和力，容易生成脆性氫化物，使金屬脆有較大的親和力，容易生成脆性氫化物，使金屬脆化?；?。 形成機(jī)理形成機(jī)理：因凝固、熱加工時(shí)形成；或應(yīng)力：因凝固、熱加工時(shí)形成；或應(yīng)力作用下，元素?cái)U(kuò)散而形成氫化物。作用下，元素?cái)U(kuò)散而形成氫化物。 氫化物硬而脆且與基體結(jié)合不牢，裂紋易于氫化物硬而脆且與基體

24、結(jié)合不牢，裂紋易于沿界面擴(kuò)展。沿界面擴(kuò)展。 氫化物的形狀氫化物的形狀、分布分布及及基體晶粒大小基體晶粒大小對(duì)對(duì)氫化物氫化物致脆有明顯影響。致脆有明顯影響。 24 4 4、氫致延滯斷裂氫致延滯斷裂 高強(qiáng)度鋼或高強(qiáng)度鋼或鈦合金中，含有適量的處于固鈦合金中，含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫（原來(lái)存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收溶狀態(tài)的氫（原來(lái)存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收的），的），在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)一段孕育期后，在金屬內(nèi)部，特別是在三向拉應(yīng)一段孕育期后，在金屬內(nèi)部，特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展，最后突然發(fā)生脆力區(qū)形成裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展，最后突然發(fā)生脆

25、性斷裂。性斷裂。 定義定義：這種：這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂氫致延滯斷裂。工程上所說(shuō)的氫脆多為。工程上所說(shuō)的氫脆多為此類氫脆。此類氫脆。25 特點(diǎn)特點(diǎn)： 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)，如高強(qiáng)度鋼多出，如高強(qiáng)度鋼多出現(xiàn)在現(xiàn)在-100150之間，在室溫下最敏感。之間，在室溫下最敏感。 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，因此，因此，只有在慢速加載只有在慢速加載（恒載）試驗(yàn)中才能顯示這（恒載）試驗(yàn)中才能顯示這類脆性。類脆性。 可可顯著降低顯著降低金屬材料的金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率斷后伸長(zhǎng)

26、率，但含氫，但含氫量超過(guò)一定數(shù)值后，斷后伸長(zhǎng)率不再變化。量超過(guò)一定數(shù)值后，斷后伸長(zhǎng)率不再變化。 高強(qiáng)度鋼的氫致延滯斷裂還高強(qiáng)度鋼的氫致延滯斷裂還具有可逆性具有可逆性。26 斷口斷口：宏觀斷口宏觀斷口與一般脆性斷口相似。與一般脆性斷口相似。 其其微觀形貌微觀形貌大多為沿原奧氏體晶界的沿晶斷裂，大多為沿原奧氏體晶界的沿晶斷裂，且晶界上常有許多撕裂棱。且晶界上常有許多撕裂棱。 原因原因：除力學(xué)因素外，可能更主要的是與雜質(zhì)：除力學(xué)因素外，可能更主要的是與雜質(zhì)偏聚的晶界吸附了較多的氫，使晶界強(qiáng)度削弱有關(guān)。偏聚的晶界吸附了較多的氫，使晶界強(qiáng)度削弱有關(guān)。 影響因素影響因素 溫度溫度：ttH 氫氣團(tuán)擴(kuò)散，無(wú)氫

27、脆。氫氣團(tuán)擴(kuò)散，無(wú)氫脆。 應(yīng)力狀況應(yīng)力狀況：應(yīng)變速率高，不會(huì)出現(xiàn)氫脆。拉應(yīng)力：應(yīng)變速率高，不會(huì)出現(xiàn)氫脆。拉應(yīng)力促進(jìn)促進(jìn)H溶解。溶解。27 三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理 鋼的表面單純吸附氫原子是不會(huì)產(chǎn)生氫脆的，氫鋼的表面單純吸附氫原子是不會(huì)產(chǎn)生氫脆的，氫必須進(jìn)行必須進(jìn)行-Fe晶格中并偏聚到一定濃度后才能形成裂晶格中并偏聚到一定濃度后才能形成裂紋。紋。 因此，由環(huán)境介質(zhì)中的氫引起氫致延滯斷裂的因此，由環(huán)境介質(zhì)中的氫引起氫致延滯斷裂的孕孕育階段育階段必須經(jīng)過(guò)必須經(jīng)過(guò)需要時(shí)間需要時(shí)間的的三個(gè)步驟三個(gè)步驟： 氫原子進(jìn)入鋼中氫原子進(jìn)入鋼中、氫在鋼中的遷移氫在鋼中的遷移和和氫的偏聚氫的偏

28、聚。 氫原子數(shù)量氫原子數(shù)量，氫固溶，氫固溶擴(kuò)散，在位錯(cuò)線周圍偏擴(kuò)散，在位錯(cuò)線周圍偏聚，形成氣團(tuán)聚，形成氣團(tuán)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋。裂紋。詳見(jiàn)圖所示詳見(jiàn)圖所示28 四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系 1、機(jī)理區(qū)別機(jī)理區(qū)別：應(yīng)力腐蝕為陽(yáng)極溶解過(guò)程應(yīng)力腐蝕為陽(yáng)極溶解過(guò)程（圖圖a），形成所謂的陽(yáng)極活性通道而使金屬開(kāi)開(kāi)裂；），形成所謂的陽(yáng)極活性通道而使金屬開(kāi)開(kāi)裂；而而氫致延滯斷裂是陰極吸氫過(guò)程氫致延滯斷裂是陰極吸氫過(guò)程（圖圖b） 。 2 、斷口形貌的區(qū)別斷口形貌的區(qū)別：見(jiàn)：見(jiàn)表表6-2。 3 、判斷判斷：一般采用：一般采用極化試

29、驗(yàn)方法極化試驗(yàn)方法來(lái)判斷具體來(lái)判斷具體合金合金-化學(xué)介質(zhì)系統(tǒng)的斷裂究竟屬于哪種斷裂類型：化學(xué)介質(zhì)系統(tǒng)的斷裂究竟屬于哪種斷裂類型： 當(dāng)外加當(dāng)外加小的陽(yáng)極電流小的陽(yáng)極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是應(yīng)力腐蝕（是應(yīng)力腐蝕（圖圖c），當(dāng)外加），當(dāng)外加小的陰極電流小的陰極電流而縮短而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是氫致延滯斷裂（產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是氫致延滯斷裂（圖圖d）。）。29 五、防止氫脆的措施五、防止氫脆的措施 1、環(huán)境因素、環(huán)境因素 減少吸氫的可能性。如采用表面涂層，使機(jī)件減少吸氫的可能性。如采用表面涂層，使機(jī)件表面與環(huán)境介質(zhì)中的氫隔離。表面與環(huán)境介質(zhì)中的氫隔離。 2、力學(xué)因素、力學(xué)因素 減小殘余

30、拉應(yīng)力，采用表面處理使表面獲得殘減小殘余拉應(yīng)力，采用表面處理使表面獲得殘余壓應(yīng)力層，對(duì)防止氫致延滯斷裂有良好的作用。余壓應(yīng)力層，對(duì)防止氫致延滯斷裂有良好的作用。 3、材質(zhì)因素、材質(zhì)因素 含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性較低；鋼的強(qiáng)度越高，對(duì)氫脆越敏感；降低含氫性較低；鋼的強(qiáng)度越高，對(duì)氫脆越敏感；降低含氫量；細(xì)化組織。量；細(xì)化組織。30作業(yè)作業(yè)P137 1；2；3；7。思考題思考題：P138 831 即當(dāng)你用不到即當(dāng)你用不到5 5秒鐘的時(shí)間來(lái)讀這塊牌子時(shí)，秒鐘的時(shí)間來(lái)讀這塊牌子時(shí)，將近將近1 1噸的鐵變?yōu)閺U物噸的鐵變?yōu)閺U物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年由于腐蝕。

31、據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年由于腐蝕造成的金屬損失在造成的金屬損失在1億噸以上，占世界金屬總產(chǎn)億噸以上，占世界金屬總產(chǎn)量的量的2040。 1937年由殼牌公司（年由殼牌公司（The Company）在布魯）在布魯塞爾舉辦的一次腐蝕展覽會(huì)上，有如下的一塊展牌：塞爾舉辦的一次腐蝕展覽會(huì)上，有如下的一塊展牌：32 金屬與環(huán)境介質(zhì)之間的化學(xué)或電化學(xué)作用，而金屬與環(huán)境介質(zhì)之間的化學(xué)或電化學(xué)作用，而引起變質(zhì)和破壞，這個(gè)過(guò)程稱為引起變質(zhì)和破壞，這個(gè)過(guò)程稱為金屬的腐蝕金屬的腐蝕，其中，其中包括上述因素與機(jī)械或生物等因素的共同作用。在包括上述因素與機(jī)械或生物等因素的共同作用。在大多數(shù)情況下，腐蝕是具有破壞性的，它不僅使金大多數(shù)情況下，腐蝕是具有破壞性的，它不僅使金屬材料遭到破壞，有時(shí)甚至危及生命。屬材料遭到破壞，有時(shí)甚至危及生命。 在經(jīng)濟(jì)上，腐蝕造成的損失是巨大的。在經(jīng)濟(jì)上，腐蝕造成的損失是巨大的。間接損間接損失無(wú)法估算，且數(shù)目很大失無(wú)法估算，且數(shù)目很大。間接損失來(lái)源于裝置的。間接損失來(lái)源于裝置的損壞、爆炸和停產(chǎn)、產(chǎn)品的損失及環(huán)境的污染，甚損壞、爆炸和停產(chǎn)、產(chǎn)品的損失及環(huán)境的污染，甚至生命安全。至生命安全。33 金屬的腐蝕現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，腐蝕的種類很金屬的腐蝕現(xiàn)象是非常復(fù)雜的，腐蝕的種類很多。多。根據(jù)金屬腐蝕的特征不同，可以把腐蝕分為全根據(jù)金屬腐蝕的特征不同，可以把腐蝕分為全面腐蝕和局部腐蝕面