第06-7章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

1、1第六章 金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂 6.1 應(yīng)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(yīng)力腐蝕6.1.1應(yīng)力腐蝕及其產(chǎn)生條件(1)定義與特點(diǎn)1）應(yīng)力腐蝕斷裂（Stress Corrosion Cracking，SCC） 金屬在拉應(yīng)力和特定的介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后，所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象。2）特點(diǎn) 拉應(yīng)力、特定介質(zhì)、延時(shí)、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(zhì)） 高強(qiáng)度鋁合金脆裂（潮濕空氣、蒸餾水介質(zhì)）(2)產(chǎn)生條件 應(yīng) 力：外應(yīng)力、殘余應(yīng)力（焊接、熱

2、處理過程中）； 化學(xué)介質(zhì)：一定材料對(duì)應(yīng)一定的化學(xué)介質(zhì)（表6-1）； 金屬材料：化學(xué)成分（合金對(duì)應(yīng)力腐蝕有不同程度的敏感性）、顯微組織、強(qiáng)化程度等。36.1.2 應(yīng)力腐蝕(1)機(jī)理 滑移溶解理論（鈍化膜破壞理論）a）應(yīng)力作用下，滑移臺(tái)階露頭且鈍化膜破裂（在表面或裂紋面）b）電化學(xué)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(jìn)入電解液，發(fā)生溶解，形成蝕坑。c）應(yīng)力集中，使陽極電極電位降低，加大腐蝕；d）若應(yīng)力集中始終存在，則微電池反應(yīng)不斷進(jìn)行，鈍化膜不能恢復(fù)。則裂紋逐步向縱深擴(kuò)展。（該理論只能很好地解釋沿晶斷裂的應(yīng)力腐蝕）42、斷口特征 (2) 宏觀：亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)+最后瞬斷區(qū)

3、（與疲勞斷口相似）；亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)可見腐蝕產(chǎn)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(kuò)展較快、其他分支裂紋擴(kuò)展較慢。據(jù)此可區(qū)別應(yīng)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(xué)性能指標(biāo)常規(guī)方法(光滑試樣：拉應(yīng)力+腐蝕介質(zhì))測(cè)定的 SCCtf曲線。斷裂總時(shí)間tf包括裂紋形成時(shí)間與裂紋擴(kuò)展時(shí)間，而裂紋形成時(shí)間約占斷裂總時(shí)間的90%。實(shí)際機(jī)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(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力）不能客觀地反映材料的應(yīng)力腐蝕抗力。

4、(1) 預(yù)制裂紋+應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC恒載荷，特定化學(xué)介質(zhì)，測(cè)KItf曲線。 將不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子，稱為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KISCC 。判據(jù)：含有裂紋的機(jī)件，當(dāng)裂紋尖端的初始應(yīng)力強(qiáng)度因子 KI初KISCC，原始裂紋在化學(xué)介質(zhì)和力的作用下不會(huì)發(fā)生擴(kuò)展，機(jī)件可安全服役。KISCC測(cè)量方法恒載荷法/圖6-6、恒位移法。6(2)應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展速度da/dt KIKISCC，裂紋擴(kuò)展。擴(kuò)展速率da/dt單位時(shí)間內(nèi)的裂紋擴(kuò)展量。da/dt KI 曲線（圖6-7，P132）的三個(gè)階段（初始、穩(wěn)定、失穩(wěn)）。 第二階段時(shí)間越長，材料抗應(yīng)力腐蝕開裂性能

5、越好。如果測(cè)出KISCC及第二階段的da/dt ，就可估算機(jī)件在應(yīng)力腐蝕條件下的剩余壽命。7(四) 防止應(yīng)力腐蝕的措施 (1)合理選材（原則：選材時(shí)，考慮耐應(yīng)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(yīng)力（降低應(yīng)力集中，退火，噴丸及其他表面處理）； (3)改善化學(xué)介質(zhì)（水凈化、添加緩蝕劑）； (4)采用電化學(xué)保護(hù)，使金屬遠(yuǎn)離電化學(xué)腐蝕區(qū)域（外加電位、陰極保護(hù)）。86.2 氫脆 氫和應(yīng)力的共同作用，導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)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(nèi)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(kuò)散聚集在材料缺陷（孔洞、氣泡、裂紋等）處，形成分子氫?；瘜W(xué)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(chǎn)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(shí)，不產(chǎn)生氫蝕。(2)白點(diǎn)（發(fā)裂） 當(dāng)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(huì)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(diǎn)。 Cr-Ni結(jié)構(gòu)鋼的大鍛件中白點(diǎn)是一種嚴(yán)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(shí)形成；或應(yīng)力作用下，元素?cái)U(kuò)散而形成）。氫化物很硬、脆，與基體結(jié)合不牢。裂紋沿界面擴(kuò)展。如晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀，極易產(chǎn)生較大應(yīng)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(qiáng)度鋼、+Ti合金中，由于氫的存在，在低于屈服強(qiáng)度應(yīng)力的持續(xù)作用下產(chǎn)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(qiáng)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(jī)理 三個(gè)階段：孕育、亞穩(wěn)擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展。1）孕育期氫擴(kuò)散、進(jìn)入到-Fe晶格，氫原子數(shù)量，偏聚到一定濃度。氫固溶在位錯(cuò)線周圍偏聚，形成氣團(tuán)；位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，萌生裂紋。2）應(yīng)力狀況 應(yīng)變速率高，不會(huì)出現(xiàn)氫脆。拉應(yīng)力促進(jìn)H固溶。高強(qiáng)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(yīng)力腐蝕的關(guān)系。 “相互促進(jìn)” 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(xì)化組織，降低S、P含量。 顯微組織對(duì)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(zhì)中加入抑制劑，表面涂層。 3）力學(xué)因素 減小殘余拉應(yīng)力，降低應(yīng)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(jī)件表面相接觸并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)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(dòng)條

10、件下，摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較?。ㄤ摚?m/s）時(shí)發(fā)生的磨損。 如：刀具、模具、齒輪、凸輪及各種軸承的機(jī)件失效粘著磨損。 b）磨粒磨損當(dāng)摩擦副一方面存在堅(jiān)硬的細(xì)微突起，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時(shí)所產(chǎn)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(xì)分：鑿削磨損（挖掘機(jī)斗齒、腭板）；高應(yīng)力碾壓磨粒磨損（球磨機(jī)襯板與鋼球、軋碎機(jī)滾筒等機(jī)件表面的破壞）；低應(yīng)力擦傷磨損（犁鏵、運(yùn)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(duì)材料表面進(jìn)行沖擊造成的損傷。進(jìn)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(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)形成腐蝕產(chǎn)物，進(jìn)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(jī)械磨損。 微動(dòng)磨損接觸表面之間因存在小振幅相對(duì)運(yùn)動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損（也叫微動(dòng)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(jī)理 a）粘著機(jī)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(yàn)及觀察 模擬試驗(yàn)；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(shè)定條件下求材料的相對(duì)耐磨性（磨損量比值，質(zhì)量或體積） 相對(duì)耐磨性系數(shù) =w標(biāo) /w測(cè) 測(cè)

12、試方法：銷盤、環(huán)塊、往復(fù)、滾子式等，及專用模擬工況試驗(yàn)機(jī) (3)顯微組織對(duì)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(qiáng)化處理167.3.1 接觸疲勞機(jī)件（如軸承、齒輪等）兩接觸表面作滾動(dòng)、滑動(dòng)，或滾滑時(shí)，在交變接觸壓應(yīng)力長期作用下，材料表面因疲勞損傷，導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生小片或小塊狀金屬剝落導(dǎo)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(kuò)展的過程（通常裂紋形成時(shí)間長、擴(kuò)展相對(duì)較短）。 接觸疲勞曲線（最大接觸壓應(yīng)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(diǎn)剝落（點(diǎn)蝕，深度yx 超過一定深度時(shí)，zxy 相應(yīng)的最大切應(yīng)力為： 在最大切應(yīng)力處，材料易出現(xiàn)局部塑性變形。222454545xyyxxzzxyzzy19這三個(gè)最大切應(yīng)力分別作用在與主應(yīng)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(yīng)力分布，在接觸深度為0.786b處， zy45 達(dá)最大值。因而對(duì)于兩物體滾滑接觸承受法向力時(shí)，對(duì)于接觸面上某一位置，其亞表層受0zy45 max脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力作用（應(yīng)力半幅為0.5zy45 max， 0.1

14、5 0.16 zmax）。根據(jù)分析，在接觸區(qū)下z=0.5b，y=0.85b （圖7-20）處受對(duì)稱循環(huán)剪切應(yīng)力0，方向與接觸面平行，應(yīng)力半幅 （0.50max ）為0.256zmax ?？梢?max比zy45 max更危險(xiǎn)。即接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)和破壞分析應(yīng)以0max為依據(jù)更為合理。ZYXNote：縱坐標(biāo)為：縱坐標(biāo)為。與。與max比值比值207.3.3 接觸疲勞破壞方式（1）麻點(diǎn)剝落局部塑性變形，產(chǎn)生裂紋、擴(kuò)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(chǎn)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(zhì)量差時(shí)，易產(chǎn)生麻點(diǎn)剝落。（2）淺層剝落 最大切應(yīng)力處，塑性變形最劇

15、烈,且反復(fù)進(jìn)行，導(dǎo)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(chǎn)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(kuò)展，后垂直于表面擴(kuò)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(nèi)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(duì)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(shí)， 接觸疲勞壽命最高。（含碳量應(yīng)適度）M和AR的級(jí)別AR數(shù)量越多、M針越粗大，則表層有益的殘余壓應(yīng)力和滲碳層強(qiáng)度就越低，愈促成顯微裂紋，接觸疲勞壽命。 預(yù)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(shí)，接觸疲勞壽命最高；滲碳層心部硬度應(yīng)適宜，如太低，易在過渡層形成裂紋，產(chǎn)生滲層剝落；例：滲碳齒輪心部，