第六章 過程裝備失效與材料的關(guān)系

1、第六章 過程裝備失效與材料的關(guān)系61金屬材料常見失效形式及其判斷 611 變形失效 612 斷裂失效 613 表面損傷62過程裝備及其構(gòu)件失效的原因和失效分析 621 過程裝備及其構(gòu)件失效的原因 622 失效分析方法簡介過程裝備及其構(gòu)件的失效形式有過量變形、斷裂及表面損傷三大類型。失效的原因可能是設(shè)計(jì)、選材、加工、安裝或?qū)嶋H操作等環(huán)節(jié)的具體問題所引起。但材料是構(gòu)成裝備的物質(zhì)基礎(chǔ)，失效的具體現(xiàn)象卻呈現(xiàn)在裝備及其構(gòu)件材料的宏觀及微觀的各種形貌及性能行為上，失效與材料密切相關(guān)，通過對(duì)失效材料的分析，可以找出裝備及構(gòu)件失效的原因，從而提出改進(jìn)措施。61 金屬材料常見失效形式及其判斷61 金屬材料常見失

2、效形式及其判斷裝備在使用過程中，由于應(yīng)力、時(shí)間、溫度和環(huán)境介質(zhì)等因素的作用，失去其原有功能的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。這種喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象稱為失效。過程裝備失效存在著各種不同的情況：a. 完全失去原有功能的現(xiàn)象是失效；b. 裝備性能劣化，不能完成指定的任務(wù)是失效；c. 失去安全工作能力的情況也屬于失效。金屬構(gòu)件的失效按材料失效的性質(zhì)分類，常見的失效形式分為三大類：變形失效、斷裂失效及表面損傷。各種失效形式均有其產(chǎn)生的條件、特征及判斷的依據(jù)，但實(shí)際的失效往往是多種因素共同作用的結(jié)果，是多種特征的摻合，分析時(shí)要注意。6.1.1 變形失效如果材料的變形量和變形特性超過原來規(guī)定的程度，而致影響構(gòu)件的規(guī)定功能，

3、則認(rèn)為是變形失效。 (1)在常溫或溫度不很高情況下的變形失效 彈性變形失效 彈性變形失效有兩種情況： a. 金屬材料失去了彈性功能， b. 過量的彈性變形。 塑性變形失效 主要是構(gòu)件失效時(shí)，材料產(chǎn)生的塑性變形量超過允許的數(shù)值。過量的塑性變形使構(gòu)件的承載截面積減小，降低承載能力；且塑性變形時(shí)金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，晶粒歪扭，亞晶結(jié)構(gòu)形成，個(gè)別部位出現(xiàn)裂紋及擴(kuò)展。材料過量的塑性變形會(huì)引起構(gòu)件的歪扭、彎曲、薄壁殼的鼓脹及凹陷等變形特征。(2)在高溫下的蠕變變形失效 金屬材料在長時(shí)間恒溫、恒應(yīng)力作用下，即使應(yīng)力低于屈服點(diǎn)也會(huì)緩慢產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變。 低溫下蠕變也會(huì)發(fā)生，但只有當(dāng)溫度高于0

4、.3T。(以絕對(duì)溫度表示的熔點(diǎn))時(shí)才較顯著。碳鋼加熱溫度超過350，普通低合金鋼溫度超過400時(shí)，要考慮蠕變的影響。當(dāng)蠕變變形量超過規(guī)定的要求時(shí)，則稱為蠕變變形失效。鍋爐受熱面管子及蒸汽管道由于實(shí)際操作的短期超溫及長期超溫，往往造成管子蠕脹及爆破，這是過量高溫蠕變變形引起的普遍且典型的例子。 (3)變形失效的原因及改進(jìn)措施如果是由載荷及溫度而引起的彈性變形失效，則可以通過：選擇彈性模量高的材料；改進(jìn)結(jié)構(gòu)增加承載面積；降低應(yīng)力水平；適當(dāng)?shù)钠ヅ洳牧霞霸O(shè)計(jì)，可避免溫差引起的彈性變形失效等。如果是過量塑性變形而引起的失效，則可以通過：從設(shè)計(jì)、制造、操作等環(huán)節(jié)中降低構(gòu)件實(shí)際應(yīng)力，包括工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力及

5、各種應(yīng)力集中；選擇高屈服強(qiáng)度材料及合適的熱處理工藝規(guī)范。 防止高溫蠕變變形失效的方法主要是選用抗蠕變性能合適的材料與防止裝備中構(gòu)件的超溫使用。6.1.2 斷裂失效 斷裂是金屬材料在應(yīng)力的作用下分為互不相連的兩個(gè)或兩個(gè)以上部分的現(xiàn)象。斷裂金屬材料在變形超過其塑性極限完全分開.原子間結(jié)合力遭受破壞。斷裂過程一般都經(jīng)歷三個(gè)階段，即裂紋的萌生、裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展及失穩(wěn)擴(kuò)展，最后是斷裂。所有材料斷裂后，在斷裂部位都有匹配的兩個(gè)斷裂表面，稱為斷口，斷口及其周圍留下與斷裂過程有密切相關(guān)的信息。 斷裂是金屬材料常見的失效形式之一，又是危害性較大的失效形式。且工程中金屬構(gòu)件斷裂的原因往往又不是單一的，而是幾個(gè)因素共

6、同作用的結(jié)果。金屬斷裂的物理本質(zhì)一、斷裂的基本類型 根據(jù)斷裂前金屬是否呈現(xiàn)有明顯的塑性變形，可將斷裂分為韌性斷裂與脆性斷裂兩大類。 通常以單向拉伸時(shí)的斷面收縮率大于5%者為韌性斷裂，而小于5%者為脆性斷裂。 此外，按斷裂面相對(duì)作用力方向的取向關(guān)系，分正斷與剪斷兩種形式，垂直于最大正應(yīng)力的斷裂稱正斷，沿最大切應(yīng)力方向發(fā)生的斷裂為剪斷。 通常正斷沿解理面斷裂；剪斷沿滑移面斷裂。 (2) 韌性斷裂 在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂叫做韌性斷裂。 a韌性斷裂的特征 韌性斷裂是一個(gè)緩慢的斷裂過程，塑性變形與裂紋成長同時(shí)進(jìn)行。裂紋萌生及亞穩(wěn)擴(kuò)展阻力大、速度慢，材料在斷裂過程中需要不斷消耗相當(dāng)多的能量

7、。隨著塑性變形的不斷增加，承載面積減小，至材料承受的載荷超過了強(qiáng)度極限b時(shí)，裂紋擴(kuò)展達(dá)到臨界長度，就發(fā)生韌性斷裂。斷裂應(yīng)變可大于5以上。韌性斷裂 在斷裂前金屬經(jīng)受了較大的塑性變形，其斷口呈纖維狀，灰暗無光。韌性斷裂主要是穿晶斷裂，如果晶界處有夾雜物或沉淀物聚集，則也會(huì)發(fā)生晶間斷裂。 韌性斷裂也有不同的表現(xiàn)形式：一種是切變斷裂，例如密排六方金屬單晶體沿基面作大量滑移后就會(huì)發(fā)生這種形式的斷裂，其斷裂面就是滑移面，如圖3-68b所示；另一種是試樣在塑性變形后出現(xiàn)縮頸，一些塑性非常好的材料如金、鉛和鋁，可以拉縮成一個(gè)點(diǎn)才斷開，如圖3-68c所示；對(duì)于一般的韌性金屬，斷裂則由試樣中心開始，然后沿圖3-6

8、8d所示的虛線斷開，形成杯錐狀斷口。 宏觀斷裂微觀斷裂正斷與剪斷的宏觀與微觀形式韌性斷裂有如下幾個(gè)特點(diǎn)：1。韌性斷裂前已發(fā)生了較大的塑性變形，斷裂時(shí)要消耗相當(dāng)多的能量，所以韌性斷裂是一種高能量的吸收過程；2。在小裂紋不斷擴(kuò)大和聚合過程中，又有新裂紋不斷產(chǎn)生，所以韌性斷裂通常表現(xiàn)為多斷裂源；3。韌性斷裂的裂紋擴(kuò)展的臨界應(yīng)力大于裂紋形核的臨界應(yīng)力，所以韌性斷裂是個(gè)緩慢的撕裂過程；4。隨著變形的不斷進(jìn)行裂紋不斷生成、擴(kuò)展和集聚，變形一旦停止，裂紋的擴(kuò)展也將隨著停止。 b韌性斷裂的斷口形態(tài) 斷口的宏觀形態(tài)：韌性斷裂的宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)域，即纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇區(qū)。 纖維區(qū) 是韌性斷裂斷口的最突出特

9、征，常位于斷裂的起點(diǎn)，即裂紋萌生處，在光滑圓形試樣拉伸斷口中，它位于中心部位，斷面與主應(yīng)力相垂直，是材料內(nèi)部處在三向應(yīng)力作用下裂紋緩慢擴(kuò)展所形成的。一般情況下，纖維區(qū)呈現(xiàn)凹凸不平的宏觀形貌。 放射區(qū) 是裂紋快速擴(kuò)展的結(jié)果，通常呈放射狀，當(dāng)構(gòu)件為板狀時(shí)也呈人字條紋。 剪切唇區(qū) 是斷裂最后階段形成的，這時(shí)構(gòu)件的斷面處在平面應(yīng)力狀態(tài)下，撕裂面與主應(yīng)力(拉伸軸)成45。角，斷面平滑呈灰色。剪切唇區(qū)往往在斷口的邊緣出現(xiàn)。 當(dāng)加載速度降低、溫度升高、構(gòu)件尺寸變小時(shí)，都可使纖維區(qū)和剪切唇區(qū)增大。 斷口的顯微形態(tài)。韌性斷裂的微觀斷口常見韌窩及蛇形花樣， 韌窩的形成大致認(rèn)為是由于材料顯微孔洞在受力產(chǎn)生塑性變形過

10、程中，孔洞變大、孔洞間的壁厚逐漸減薄至斷裂分離而形成。韌窩的數(shù)量取決于顯微孔洞數(shù)目的多少，韌窩的大小和深淺與材料的塑性有關(guān)，通常韌窩愈大愈深，材料的塑性愈好。在韌窩的中心常有夾雜物或第二相質(zhì)點(diǎn)。 在某些金屬材料中，由于較大塑性變形后，沿滑移面分離，而形成起伏彎曲的條紋等形貌，一般稱為蛇形花樣。它通常是由于交叉滑移的結(jié)果。c韌性斷裂的原因及改進(jìn)措施 韌性斷裂往往是因材料受到較大的載荷或過載所引起。選用強(qiáng)度較高的金屬材料，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮構(gòu)件的承載能力，實(shí)際操作中嚴(yán)禁超載、超溫、超速，注意構(gòu)件及設(shè)備異常的變形，對(duì)防止韌性斷裂發(fā)生都是有效的。 (3) 脆性斷裂 金屬材料在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀

11、可見的塑性變形的斷裂叫做脆性斷裂。材料塑性變形能力很低，裂紋尖端的應(yīng)力集中不能因塑性變形而松弛。 a脆性斷裂的特征。脆性斷裂是一個(gè)快速斷裂的過程，材料內(nèi)部的微裂紋很快擴(kuò)展達(dá)到臨界長度，幾乎不經(jīng)歷裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段就進(jìn)入裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段，裂紋擴(kuò)展阻力小，擴(kuò)展速度很快，最大可達(dá)聲音在該材料中的傳播速度。由于脆性斷裂前材料仍處在低應(yīng)力工作狀態(tài)，沒有可見的塑性變形，沒有變形先兆，危害性很大。 b脆性斷裂的斷口形態(tài) 斷口的宏觀形態(tài)。脆性斷裂的斷口一般與正應(yīng)力垂直，宏觀表面平齊，顏色光亮。常能在斷口上看見兩個(gè)明顯的特征：一為小刻面，一為人字條紋或山形條紋。1脆性斷裂 在斷面外觀上沒有明顯的塑性變形跡象，直接

12、由彈性變形狀態(tài)過渡到斷裂，斷裂面和拉伸軸接近正交，斷口平齊，如圖3-68a所示。 脆性斷裂在單晶體試樣中常表現(xiàn)為沿解理面的解理斷裂。所謂解理面，一般都是晶面指數(shù)比較低的晶面，如體心立方的（100）面。 在多晶體試樣中則可能出現(xiàn)兩種情況：一是裂紋沿解理面的穿晶斷裂，斷口可以看到解理亮面；二是裂紋沿晶界的晶間斷裂，斷口呈顆粒狀。 解理斷裂 cleavage穿晶脆性斷裂：在一定條件下（低溫高速及應(yīng)力集中），當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值，快速沿一定的結(jié)晶面（解理面）而發(fā)生的斷裂。例：低碳鋼發(fā)生解理斷裂時(shí)，常沿鐵素體100晶面發(fā)生。 密排六方 0001解理面：原子間距最大、原子結(jié)合鍵最弱的晶面。解釋: T對(duì)斷裂應(yīng)力

13、f/屈服強(qiáng)度s影響不同T對(duì)f影響不大,對(duì)s影響顯著TT c. f s ductileT T c. f s brittle斷口的顯微形態(tài)。脆性斷口的顯微形態(tài)常見解理臺(tái)階與河流花樣、舌狀花樣、魚骨狀花樣等。這些花紋出現(xiàn)的原因是脆性斷裂裂紋沿解理面擴(kuò)展，而解理面是平行密排面的一組平面，不同高度的解理面之間的裂紋相互貫通便形成解理臺(tái)階，許多的解理臺(tái)階的相互匯合便形成河流條紋。所以河流條紋實(shí)際上是斷裂面上的微小解理臺(tái)階在圖像上的表現(xiàn)，河流條紋就是相當(dāng)于各個(gè)解理平面的交割。河流條紋的流向也是裂紋擴(kuò)展的方向，河流的上游(即河流分叉方向)是裂紋源。c產(chǎn)生脆性斷裂的原因 ： 應(yīng)力狀態(tài)與缺口效應(yīng)。應(yīng)力狀態(tài)是指構(gòu)件

14、所受應(yīng)力的類型、分布、大小和方向。不同的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)脆性斷裂有不同的影響：最大切應(yīng)力促進(jìn)塑性滑移的發(fā)展，是位錯(cuò)移動(dòng)的推動(dòng)力，它對(duì)形變和斷裂的發(fā)生和發(fā)展過程都產(chǎn)生影響；最大拉伸應(yīng)力則只促進(jìn)脆性裂紋的擴(kuò)展。因此，最大拉應(yīng)力與最大切應(yīng)力的比值(max max)愈大，構(gòu)件失效脆性斷裂的可能性愈大。在三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)下比值(max max)最大，極易導(dǎo)致脆性斷裂。在實(shí)際金屬構(gòu)件中，常見由于應(yīng)力分布不均勻而造成的三向應(yīng)力狀態(tài)，如構(gòu)件的截面突然變化、小的圓角半徑、預(yù)存裂紋、刀痕、尖銳缺口尖端處往往由應(yīng)力集中而引起應(yīng)力不均勻分布，周圍區(qū)域?yàn)榱吮３肿冃螀f(xié)調(diào)，便對(duì)高應(yīng)力區(qū)以約束作用，即造成三向拉伸應(yīng)力狀態(tài)。這些都是

15、造成金屬構(gòu)件在靜態(tài)低載荷下產(chǎn)生脆性斷裂的重要原因。溫度工程上大量使用的碳素鋼、低合金鋼及高合金的鐵素體鋼，都有低溫脆性。隨著溫度的降低，鋼的屈服應(yīng)力增加，韌性下降，解理應(yīng)力也隨著下降。當(dāng)溫度在材料脆性轉(zhuǎn)變溫度以下時(shí)，材料的解理應(yīng)力小于其屈服應(yīng)力，材料的斷裂由韌性斷裂轉(zhuǎn)為脆性斷裂。工程界采用的脆性轉(zhuǎn)變溫度判據(jù)主要有下列幾種，均按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。 韌脆轉(zhuǎn)變溫度 在一系列不同溫度的沖擊試驗(yàn)中，沖擊吸收功AK急劇變化或斷口韌性轉(zhuǎn)變的溫度區(qū)域(GB T 2291994金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法)。 斷口形貌轉(zhuǎn)變溫度FATT 無塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT尺寸效應(yīng)。鋼板與鍛件的厚度對(duì)脆性斷裂有較大的影響，當(dāng)鋼的潔凈

16、度不夠高，同一鋼號(hào)隨厚度的增加，其韌性有顯著的變化。焊接質(zhì)量。焊接殘余應(yīng)力與裂紋的存在對(duì)焊接構(gòu)件的斷裂起著重要的作用，尤其是厚的焊接構(gòu)件，由于其拘束度大，在焊接后往往有很高的拉伸殘余應(yīng)力.工作介質(zhì)。較高的應(yīng)力水平，則與特定腐蝕介質(zhì)的協(xié)調(diào)作用下極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕而導(dǎo)致脆性斷裂。 鋁合金在氯化鈉水溶液、海水等介質(zhì)中產(chǎn)生的斷裂；銅合金在氨氣、氨的水溶液等介質(zhì)中產(chǎn)生的斷裂都是由于構(gòu)件本身存在應(yīng)力，且在特定腐蝕介質(zhì)環(huán)境下工作而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂。特別是高強(qiáng)度鋼構(gòu)件，如果在較低的靜載荷下發(fā)生突然的斷裂事故，就應(yīng)考慮是否發(fā)生了應(yīng)力腐蝕或氫脆而造成的破壞。 材料和組織因素。脆性材料、劣等冶金質(zhì)量，有氫脆傾向的材料

17、以及缺口敏感性大的鋼種都能促使發(fā)生脆性斷裂。d防止脆性斷裂的途徑 為確保構(gòu)件在使用中的安全，傳統(tǒng)的強(qiáng)度計(jì)算是以材料的屈服點(diǎn)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，這種設(shè)計(jì)不可能避免構(gòu)件的脆性斷裂。因?yàn)閭鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)不包含脆性強(qiáng)度概念，沒有考慮缺陷大小、溫度、加載速度、構(gòu)件尺寸效應(yīng)、三向應(yīng)力狀態(tài)等引起脆性斷裂的因素。 設(shè)計(jì)者在選擇材料時(shí)，除考慮材料的強(qiáng)度外，還應(yīng)保證材料有足夠的韌性。應(yīng)該從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)來選擇材料，若材料有較高的斷裂韌性時(shí)，則構(gòu)件中允許有較大的缺陷存在。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)控制影響脆斷的因素如下：構(gòu)件的最低工作溫度和構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)；承受的載荷類型(交變載荷、沖擊載荷等)；環(huán)境腐蝕介質(zhì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使得由缺陷所產(chǎn)生的應(yīng)

18、力集中減小到最低限度，例如減少尖銳角，消除未熔合與未熔透的焊縫，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量保證結(jié)構(gòu)幾何尺寸的連續(xù)性。設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量減少和避免焊縫集中和重疊交叉。需采用較好的焊接方法，保證熔透，盡量避免焊縫表面缺陷。在條件允許的情況下焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量消除焊接殘余應(yīng)力。二、斷裂過程與物理本質(zhì) 金屬的塑性變形過程和斷裂過程是同時(shí)發(fā)生的，而斷裂過程通常又可以分為裂紋生核和裂紋擴(kuò)展兩個(gè)階段。 從力學(xué)角度看，金屬多晶體在外力的作用下發(fā)生塑性變形的初始階段并不是在所有晶粒內(nèi)同時(shí)發(fā)生，而首先在位向有利的晶粒（即外力對(duì)其滑移系統(tǒng)具有最大切應(yīng)力的晶粒）中以滑移或?qū)\晶方式發(fā)生塑性變形。 從位錯(cuò)理論的觀點(diǎn)來看：金屬的塑性變

19、形實(shí)質(zhì)上是位錯(cuò)在滑移面上運(yùn)動(dòng)和不斷增殖的過程。 金屬斷裂的基本過程 一、微裂紋的萌生機(jī)理 金屬發(fā)生斷裂，先要形成微裂紋。這些微裂紋主要來自兩個(gè)方面：一是材料內(nèi)部原有的，如實(shí)際金屬材料內(nèi)部的氣孔、夾雜、微裂紋等缺陷；二是在塑性變形過程中，由于位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)和塞積等原因而使裂紋形核。隨著變形的發(fā)展導(dǎo)致裂紋不斷長大，當(dāng)裂紋長大到一定尺寸后，便失穩(wěn)擴(kuò)展，直至最終斷裂。 裂紋形核理論 1位錯(cuò)塞積理論 2位錯(cuò)反應(yīng)理論 3位錯(cuò)墻側(cè)移理論 4位錯(cuò)消毀理論 1位錯(cuò)塞積理論 位錯(cuò)塞積引起裂口胚芽示意圖2位錯(cuò)反應(yīng)理論 圖3-71表示在相交的滑移面上，由于位錯(cuò)反應(yīng)發(fā)生了同號(hào)位錯(cuò)的聚合，便形成了微裂紋。在體心立方中，兩位錯(cuò)

20、相遇反應(yīng)的結(jié)果，可在解理面上形成不易滑移的001刃型位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)的合并即是體心立方的解理面（001）面上形成解理裂紋。 3位錯(cuò)墻側(cè)移理論 由于刃型位錯(cuò)的垂直排列構(gòu)成了位錯(cuò)墻，同時(shí)引起滑移面的彎折而使裂口形核（圖3-72），裂口面將是和滑移面重合。密排六方金屬沿滑移面斷裂的原因正是這一理論。 4位錯(cuò)消毀理論 在外力作用下位錯(cuò)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，若兩個(gè)相距為h10個(gè)原子間距的平行滑移面上，存在有異號(hào)刃型位錯(cuò)，當(dāng)它們相互接近后，就會(huì)彼此合并而消毀，便在中心處形成孔隙，隨著滑移的進(jìn)行，孔隙逐漸擴(kuò)大，形成長條形空洞（圖3-73）。 二、裂紋的擴(kuò)展 金屬材料在塑性變形過程中形成微裂紋（或空洞），并不意味著材料

21、即將斷裂，從微裂紋形成到導(dǎo)致金屬的最終斷裂是一個(gè)擴(kuò)展過程，這個(gè)過程與材料的性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)等外部條件密切相關(guān)。 塑性-脆性轉(zhuǎn)變 塑性與脆性并非金屬固定不變的特性，像金屬鎢，雖在室溫下呈現(xiàn)脆性，但在較高的溫度下卻具有塑性。在拉伸時(shí)為脆性的金屬，在高靜水壓力下卻呈現(xiàn)塑性。在室溫下拉伸為塑性的金屬，在出現(xiàn)缺口、低溫、高變形速度時(shí)卻可能變得很脆。所以，金屬是韌性斷裂還是脆性斷裂，取決于各種內(nèi)在因素和外在條件。 一般的金屬與合金（面心立方者除外）有塑性-脆性轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象。如果改變?cè)囼?yàn)溫度，就可以發(fā)現(xiàn)存在有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度Tc，在Tc以上，斷裂是韌性的，在Tc以下，斷裂就是脆性的。 圖3-74a表示了不同金屬斷面

22、收縮率隨溫度變化的情況，在轉(zhuǎn)變溫度處斷面收縮率突然下降。如果溫度保持不變，而將其他參數(shù)改變，例如改變晶粒度、屈服強(qiáng)度、變形速度、應(yīng)力狀態(tài)（用不同深度的缺口來影響應(yīng)力狀態(tài)，缺口越深、轉(zhuǎn)變溫度越高、造成所謂缺口脆性）等，如圖3-74b所示，同樣也可以出現(xiàn)塑性-脆性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。 (4) 疲勞斷裂 金屬材料在交變載荷作用下，經(jīng)過一定的周期后所發(fā)生的斷裂叫做疲勞斷裂。 生活經(jīng)驗(yàn) 用力拉一根鐵絲很難拉斷，反復(fù)地彎這根鐵絲卻能將它折斷。 工程中的零件或構(gòu)件的破壞80%以上是由于疲勞引起。21. 疲勞斷裂失效的基本形式 機(jī)械零件疲勞斷裂失效形式很多。 按交變載荷的形式不同，可分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞、接

23、觸疲勞、振動(dòng)疲勞等； 按疲勞斷裂的總周次的大?。∟f）可分為高周疲勞（Nf105）和低周疲勞（Nf104）； 按零件服役的溫度及介質(zhì)條件可分為機(jī)械疲勞（常溫、空氣中的疲勞）、高溫疲勞、低溫疲勞、冷熱疲勞及腐蝕疲勞等。 但其基本形式只有兩種，即由切應(yīng)力引起的切斷疲勞及由正應(yīng)力引起的正斷疲勞。其它形式的疲勞斷裂，都是由這兩種基本形式在不同條件下的復(fù)合。疲勞斷裂的基本形式和特征24.1 疲勞斷裂的基本形式和特征21.1、切斷疲勞失效 切斷疲勞初始裂紋是由切應(yīng)力引起的。切應(yīng)力引起疲勞初裂紋萌生的力學(xué)條件是：切應(yīng)力缺口切斷強(qiáng)度1；正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度1。 切斷疲勞的特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面

24、應(yīng)力狀態(tài)；初裂紋的所在平面與應(yīng)力軸約成45角，并沿其滑移面擴(kuò)展。 由于面心立方結(jié)構(gòu)的單相金屬材料的切斷強(qiáng)度一般略低于正斷強(qiáng)度，而在單向壓縮、拉伸及扭轉(zhuǎn)條件下，最大切應(yīng)力和最大正應(yīng)力的比值（即軟性系數(shù)）分別為2.0、0.5、0.8，所以對(duì)于這類材料，其零件的表層比較容易滿足上述力學(xué)條件，因而多以切斷形式破壞。例如鋁、鎳、銅及其合金的疲勞初裂紋，絕大多數(shù)以這種方式形成和擴(kuò)展。低強(qiáng)度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大應(yīng)力振幅、高的加載頻率及較高的溫度條件都將有利于這種破壞形式的產(chǎn)生。4.1 疲勞斷裂的基本形式和特征21.2、正斷疲勞失效 正斷疲勞的初裂紋，是由正應(yīng)力引起的。初裂紋產(chǎn)生的力學(xué)條件是：

25、正應(yīng)力缺口正斷強(qiáng)度1，切應(yīng)力缺口切斷強(qiáng)度1。 正斷疲勞的特點(diǎn)是：疲勞裂紋起源處的應(yīng)力應(yīng)變場為平面應(yīng)變狀態(tài)；初裂紋所在平面大致上與應(yīng)力軸相垂直，裂紋沿非結(jié)晶學(xué)平面或不嚴(yán)格地沿著結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展。 大多數(shù)的工程金屬構(gòu)件的疲勞失效都是以此種形式進(jìn)行的。特別是體心立方金屬及其合金以這種形式破壞的所占比例更大；上述力學(xué)條件在試件的內(nèi)部裂紋處容易得到滿足，但當(dāng)表面加工比較粗糙或具有較深的缺口、刀痕、蝕坑、微裂紋等應(yīng)力集中現(xiàn)象時(shí)，正斷疲勞裂紋也易在表面產(chǎn)生 高強(qiáng)度、低塑性的材料、大截面零件、小應(yīng)力振幅、低的加載頻率及腐蝕、低溫條件均有利于正斷疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展。 4.1 疲勞斷裂的基本形式和特征 (4) 疲

26、勞斷裂a(bǔ)疲勞斷裂的特征 疲勞載荷是交變載荷，其載荷形式雖然有許多變化，但其基本形式有三種：反向載荷、單向載荷及單向?qū)拜d荷，實(shí)際構(gòu)件的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的疲勞載荷波譜是多種多樣的。不論疲勞載荷如何多變，其基本特點(diǎn)是載荷隨時(shí)間而交變(應(yīng)力波形、應(yīng)力大小、應(yīng)力方向)。 構(gòu)件疲勞斷裂是在載荷經(jīng)多次循環(huán)，如幾十次或幾百萬次以后才發(fā)生的。一般將斷裂循環(huán)次數(shù)N104的疲勞稱為高周疲勞。有的以105為界限。疲勞斷裂應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度b常常小于靜載下的屈服點(diǎn)s 。材料的疲勞性能通常用疲勞曲線(N曲線)來表示。疲勞極限r(nóng) ，是試樣無限循環(huán)而不破壞的最高應(yīng)力。在疲勞極限以下的應(yīng)力運(yùn)轉(zhuǎn)，具有無限壽命；在疲勞極限以上的應(yīng)力運(yùn)轉(zhuǎn)

27、，具有有限的壽命。實(shí)際構(gòu)件的疲勞壽命往往低于實(shí)驗(yàn)室疲勞試驗(yàn)的小試樣的壽命。這是由于實(shí)際構(gòu)件的實(shí)際因素(表面應(yīng)力狀態(tài)、表面質(zhì)量、尺寸因素、冶金質(zhì)量和熱處理質(zhì)量等) 影響的結(jié)果。疲勞破壞只可能在有使材料分離扯開的交變拉伸(或擠壓)和交變剪切應(yīng)力的情況下出現(xiàn)，交變的純壓縮載荷不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞，壓應(yīng)力使裂紋閉合而不會(huì)使裂紋擴(kuò)展。很多構(gòu)件的最大拉應(yīng)力在材料的表面，加上表面容易出現(xiàn)工藝缺陷和應(yīng)力集中，所以疲勞源通常出現(xiàn)于構(gòu)件的表面。有時(shí)因經(jīng)熱處理和表面強(qiáng)化，疲勞源也可能出現(xiàn)在亞表面。只有當(dāng)材料內(nèi)部存在缺陷，例如夾雜物、內(nèi)部裂紋等，疲勞源才可能出現(xiàn)在構(gòu)件內(nèi)部。疲勞斷裂與其他形式斷裂一樣，經(jīng)歷疲勞裂紋萌生、疲

28、勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展與快速斷裂三個(gè)過程，與其他一次載荷斷裂不同，它是一種累進(jìn)式的斷裂。其最突出的顯微特征是裂紋內(nèi)表面存在著大量的、相互平行的條紋，稱為“疲勞輝紋”。是裂紋前沿隨交變載荷變化向前推進(jìn)留下的痕跡。疲勞裂紋在擴(kuò)展到一定的深度后，由于剩余工作截面減少，應(yīng)力逐漸增加，裂紋加速擴(kuò)展。當(dāng)剩余面積小到不足以承受載荷時(shí)，在交變應(yīng)力作用下，即發(fā)生突然的靜力破壞。疲勞斷裂在斷口附近沒有宏觀的塑性變形，因此，疲勞斷裂在宏觀上往往被稱為脆性斷裂。14.4 S-N曲線及疲勞極限的測定一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo) 試驗(yàn)表明：在某一循環(huán)特性下，若最大應(yīng)力不超過某一極限值，則材料可經(jīng)受無限次應(yīng)力循環(huán)而不發(fā)生疲勞。 通常將最大應(yīng)

29、力的這一極限值稱為材料在循環(huán)特性r 時(shí)的疲勞極限（持久極限），用表示r。 疲勞極限是衡量材料疲勞失效的強(qiáng)度指標(biāo) 疲勞極限與循環(huán)特性有關(guān) 對(duì)稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限最小 對(duì)稱循環(huán)是交變應(yīng)力中的最危險(xiǎn)情況一、疲勞的強(qiáng)度指標(biāo)14.4 S-N曲線及疲勞極限的測定二、疲勞極限的測定方法疲勞極限的測定： 2.第一根試樣承受max0.7b ； 通常在純彎曲變形下測定對(duì)稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限-1測定步驟： 1.準(zhǔn)備610個(gè)d =710 mm光滑小試樣； 3.逐步減小max，直到循環(huán)次數(shù)很大時(shí)，得到 -1=max。二、疲勞極限的測定方法14.4 S-N曲線及疲勞極限的測定二、疲勞極限的測定方法F522431Fa/21試樣

30、2夾頭3計(jì)數(shù)器4電機(jī)5傳動(dòng)軸6重物+aa6二、疲勞極限的測定方法疲勞極限的測定： 通常在純彎曲變形下測定對(duì)稱循環(huán)時(shí)的疲勞極限-114.4 S-N曲線及疲勞極限的測定二、疲勞極限的測定方法 以最大應(yīng)力為縱坐標(biāo)，循環(huán)次數(shù)(壽命)為橫坐標(biāo)，將疲勞試驗(yàn)結(jié)果描繪成的曲線，稱為應(yīng)力壽命曲線或S-N曲線。二、疲勞極限的測定方法14.4 S-N曲線及疲勞極限的測定二、疲勞極限的測定方法常溫試驗(yàn)結(jié)果表明： 若鋼材經(jīng)過107次循環(huán)仍未疲勞，則再增加循環(huán)次數(shù)，也不會(huì)疲勞。鋼材的疲勞極限經(jīng)107次循環(huán)仍未發(fā)生疲勞的最大 循環(huán)基數(shù)N0=107循環(huán)次數(shù) 應(yīng)力二、疲勞極限的測定方法在微觀認(rèn)識(shí)上，高周疲勞與低周疲勞的變形特征

31、有程度上的差異。在高周疲勞中，應(yīng)力標(biāo)稱是彈性的，構(gòu)件在破壞之前僅發(fā)生極小的總變形；而在低周疲勞中，應(yīng)力往往大到足以使每個(gè)循環(huán)周期產(chǎn)生可觀的塑性變形。對(duì)同種材料，低周疲勞比高周疲勞更具韌性特征。b疲勞斷裂的斷口形態(tài) 斷口的宏觀形態(tài)：疲勞源區(qū)形成較早，裂紋反復(fù)張合時(shí)相互摩擦次數(shù)多，一般較平整和光滑，源區(qū)可以是一個(gè)或多個(gè)，源區(qū)愈多，反映外加應(yīng)力愈高，應(yīng)力集中位置愈多或應(yīng)力集中系數(shù)愈大。多源斷口的源區(qū)存在臺(tái)階，比較粗糙。工程構(gòu)件的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)通常形成海灘花樣或貝殼花樣，這是由于實(shí)際載荷間歇停頓、幅值或頻率改變引起裂紋擴(kuò)展變化形成的圓弧線，稱為疲勞弧線，疲勞源位于疲勞弧線凹的一方，像弧線發(fā)射中心。實(shí)驗(yàn)

32、室試驗(yàn)時(shí)，載荷穩(wěn)定，一般難于觀察到宏觀疲勞弧線?？焖贁嗔褏^(qū)特征與靜拉伸快速斷裂區(qū)相似，視金屬材料塑性高低顯示韌性斷裂斜斷口或脆性斷裂平斷口。 疲勞斷口宏觀三個(gè)區(qū)的比例決定于應(yīng)力狀態(tài)、試樣形狀及材料力學(xué)性能。如高周疲勞應(yīng)力水平低、試樣材質(zhì)均勻無缺口、材料力學(xué)性能高，則終斷區(qū)面積較小。疲 勞 Fatigue低碳鋼低周拉拉疲勞試件的斷口疲 勞 Fatigue疲 勞 Fatigue斷口的顯微形貌。疲勞斷口的顯微形貌最突出的特征是疲勞輝紋及輪胎壓痕花樣，常作為疲勞斷裂判斷依據(jù)。 疲勞輝紋是一系列基本相互平行的條紋，略帶彎曲，呈波浪狀，并與裂紋擴(kuò)展方向相垂直。每一條疲勞輝紋表示該循環(huán)下疲勞裂紋擴(kuò)展前沿在前

33、進(jìn)過程中瞬時(shí)微觀位置，輝紋的數(shù)目與載荷循環(huán)次數(shù)相等。 在疲勞斷口上有時(shí)可見到類似汽車輪胎走過泥地時(shí)留下的痕跡，這種花樣稱為輪胎壓痕花樣，它是由于疲勞斷口兩個(gè)匹配斷面之間重復(fù)沖擊和相互運(yùn)動(dòng)所形成的機(jī)械損傷；也可能是由于松動(dòng)的自由粒子(硬質(zhì)點(diǎn))在匹配斷面上作用的結(jié)果。c疲勞斷裂的原因及改進(jìn)措施： 表面狀態(tài)。疲勞斷裂多數(shù)起源于構(gòu)件的表面，這是由于工作時(shí)表面應(yīng)力最高，加上各類加工工藝程序難以確保表面加工質(zhì)量而造成的。因此，提高構(gòu)件的表面加工質(zhì)量及強(qiáng)化表面處理是提高構(gòu)件疲勞抗力的重要途徑。 缺口效應(yīng)與應(yīng)力集中。在缺口的根部及其附近有高的峰值應(yīng)力和形成應(yīng)力集中區(qū)。缺口效應(yīng)大大降低材料的疲勞強(qiáng)度。材料的抗拉

34、強(qiáng)度愈高，缺口對(duì)疲勞強(qiáng)度削弱愈大，高強(qiáng)度材料削弱最嚴(yán)重。因此構(gòu)件應(yīng)避免應(yīng)力集中，缺口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一定要考慮疲勞斷裂問題，避免選用缺口敏感的材料。 殘余應(yīng)力。工藝制造上應(yīng)避免殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，或使構(gòu)件表面誘發(fā)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力 (如噴丸、滾壓等)。采取有效的焊后熱處理以降低或消除焊后殘余應(yīng)力。 材料本質(zhì)。不同的材料有不同的疲勞抗力，一般可從疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的比值，即疲勞比反映出來。中低強(qiáng)度鋼疲勞比為0.5，灰口鑄鐵為0.42，球墨鑄鐵為0.48，188鉻鎳奧氏體不銹鋼為0.38。對(duì)于高強(qiáng)度鋼，盡管抗拉強(qiáng)度大于1400MPa，疲勞強(qiáng)度也不超過700 MPa，因此高強(qiáng)度鋼容易引發(fā)疲勞裂紋。疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)

35、度之比不遵循線性關(guān)系。材料一定時(shí)，其潔凈度和組織狀態(tài)對(duì)疲勞抗力也有顯著的影響。材料中的夾雜物可以成為疲勞裂紋源，導(dǎo)致疲勞抗力降低。 溫度與腐蝕介質(zhì)。高溫使金屬材料強(qiáng)度降低，低溫使金屬材料脆性增加，疲勞裂紋都容易形成和擴(kuò)展，降低了疲勞抗力。 腐蝕介質(zhì)對(duì)構(gòu)件表面損傷誘發(fā)疲勞裂紋源，使鋼鐵材料的疲勞強(qiáng)度隨使用時(shí)間增加而降低，使鋼鐵材料疲勞曲線上的水平部分消失。 設(shè)計(jì)選材必須考慮環(huán)境條件因素，預(yù)防疲勞斷裂發(fā)生。缺口敏感性 ：材料由于存在缺口（切口、尖角、溝槽、橫孔等截面急劇變化之處）所引起的局部應(yīng)力集中導(dǎo)致其名義“強(qiáng)度”降低的程度；此處所說的“強(qiáng)度”，可以是抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、沖擊韌度或疲勞強(qiáng)度等。

36、6.1.3 表面損傷 (1) 腐蝕 腐蝕是材料表面與服役環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)的反應(yīng)使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象。隨著過程裝備的大型化及向高壓、高溫、高流速開拓，材料的腐蝕更顯嚴(yán)重。腐蝕造成的損失是巨大的。 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球工業(yè)裝備因腐蝕而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失占全球生產(chǎn)總值的24，中國2008年統(tǒng)計(jì)，腐蝕經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)9000億人民幣，占國民生產(chǎn)總值4。目前中國每年有30的鋼鐵因腐蝕而報(bào)廢，其中10不能回收。在化工、石油、輕工、能源等行業(yè)中，約60的裝備失效與腐蝕有關(guān)。耐蝕性 指材料抵抗環(huán)境介質(zhì)腐蝕 的能力腐蝕性 指環(huán)境介質(zhì)腐蝕材料的強(qiáng) 弱程度腐蝕過程的本質(zhì) 金屬 金屬化合物 G0， 自發(fā)過程 不可逆過程腐蝕的

37、危害 造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失造成金屬資源和能源的浪費(fèi)造成設(shè)備的破壞事故阻礙新技術(shù)的發(fā)展經(jīng)濟(jì)損失包括直接損失和間接損失直接損失：指采用防護(hù)技術(shù)的費(fèi)用和發(fā)生腐蝕破壞以后的維修、更換費(fèi)用和勞務(wù)費(fèi)用。間接損失：指設(shè)備發(fā)生腐蝕破壞造成停工、停產(chǎn)；跑、冒、滴、漏造成物料流失；腐蝕使產(chǎn)品污染，質(zhì)量下降，設(shè)備效率降低，能耗增加；在計(jì)算壁厚時(shí)需增加腐蝕裕度，造成鋼材浪費(fèi)等。按腐蝕機(jī)理及腐蝕形態(tài)是兩種常用的分類方法。 a按腐蝕機(jī)理分類有三種類型：化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕與物理腐蝕。 化學(xué)腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的破壞，在化學(xué)腐蝕過程中不產(chǎn)生電流。 如鋼在高溫下最初的氧化是通過化學(xué)反應(yīng)而完成的，金

38、屬材料在不含水的有機(jī)溶劑中的反應(yīng)也屬于化學(xué)腐蝕。 電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與電解質(zhì)因發(fā)生電化學(xué)作用而產(chǎn)生的破壞，按電化學(xué)機(jī)理進(jìn)行的腐蝕至少包含一個(gè)陽極反應(yīng)和一個(gè)陰極反應(yīng)，并以流過金屬內(nèi)部的電流和介質(zhì)中的離子流聯(lián)系在一起。陽極反應(yīng)是金屬離子從金屬轉(zhuǎn)移到介質(zhì)中并放出電子的陽極氧化過程；陰極反應(yīng)是介質(zhì)中氧化劑組分得到來自陽極的電子的還原過程。金屬材料在潮濕的空氣、海水及電解質(zhì)溶液中的腐蝕都屬于電化學(xué)腐蝕。物理腐蝕是指金屬材料由于單純的物理作用所引起的材料惡化或損失。例如用來盛放熔融鋅的鋼容器，由于鋼鐵被液態(tài)鋅所溶解，鋼容器逐漸變薄了；近年來引起廣泛關(guān)注的金屬塵化，也是一種物理作用的高溫氣相腐蝕，金屬塵

39、化一般是指一些金屬(如鐵、鎳、鈷及其合金)在高溫碳(碳?xì)?、碳氧氣體)環(huán)境下碎化為由金屬碳化物、氧化物、金屬和碳等組成的混合物而致金屬損失的行為，由于金屬塵化通常與金屬材料的滲碳有關(guān)，而且腐蝕速度較快，所以又稱為災(zāi)難性滲碳腐蝕。b按腐蝕形態(tài)分類 可把腐蝕分為全面腐蝕(均勻腐蝕)和局部腐蝕。 均勻腐蝕在材料整個(gè)暴露表面上或者在大面積上產(chǎn)生程度基本相同的腐蝕稱為均勻腐蝕，又稱全面腐蝕。均勻腐蝕使材料厚度均勻減薄，承載能力逐漸下降而失效。如果構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)考慮足夠的腐蝕裕度，則能在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)安全使用。 局部腐蝕常見類型有點(diǎn)蝕、晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、氫腐蝕和腐蝕疲勞等，而其中最常見又最危險(xiǎn)的是應(yīng)力腐蝕開裂

40、。 點(diǎn)腐蝕 在材料表面出現(xiàn)個(gè)別深坑或密集斑點(diǎn)的腐蝕稱為點(diǎn)腐蝕，又稱孔蝕或小孔腐蝕。蝕孔直徑小，一般只有數(shù)十微米，且蝕孔比較深。點(diǎn)蝕是具有破壞性的和隱藏的腐蝕形態(tài)之一，它常常使得構(gòu)件在整個(gè)失重還很小的時(shí)候，承載能力下降或孔蝕穿透而致失效。蝕孔常被腐蝕產(chǎn)物遮蓋，不易被發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)點(diǎn)蝕是由于含氯離子的溶液腐蝕鈍化金屬而引起的。金屬由于介質(zhì)的作用生成的腐蝕產(chǎn)物如果具有致密的結(jié)構(gòu)，形成了一層薄膜（往往是看不見的），緊密覆蓋在金屬的表面，則改變了金屬的表面狀態(tài)，使金屬的電極電位大大向正方向躍變，而成為耐蝕的鈍態(tài)。 孔蝕孔蝕即小孔腐蝕，亦稱點(diǎn)蝕。腐蝕破壞形態(tài)是金屬表面局部位置形成蝕孔或蝕坑，一般孔深大于孔徑

41、。 腐蝕的破壞特征 破壞高度集中 蝕孔的分布不均勻蝕孔通常沿重力方向發(fā)展 蝕孔口很小，而且往往覆蓋有固體沉積物，因此不易發(fā)現(xiàn)。 孔蝕發(fā)生有或長或短的孕育期(或誘導(dǎo)期)。 孔蝕的引發(fā) 孔蝕的形成可分為引發(fā)和成長(發(fā)展)兩個(gè)階段。在鈍態(tài)金屬表面上，蝕孔優(yōu)先在一些敏感位置上形成，這些敏感位置(即腐蝕活性點(diǎn))包括： 晶界(特別是有碳化物析出的晶界)，晶格缺陷 。非金屬夾雜，特別是硫化物,如FeS、MnS，是最為敏感的活性點(diǎn)。 鈍化膜的薄弱點(diǎn)(如位錯(cuò)露頭、劃傷等)。 孔蝕的影響因素 金屬材料 能夠鈍化的金屬容易發(fā)生孔蝕，故不銹鋼 比碳鋼對(duì)孔蝕的敏感性高。金屬鈍態(tài)愈穩(wěn)定，抗孔蝕性能愈好?？孜g最容易發(fā)生在

42、鈍態(tài)不穩(wěn)定的金屬表面。 對(duì)不銹鋼，Cr、Mo和N有利于提高抗孔蝕能力。 (2) 環(huán)境 活性離子能破壞鈍化膜，引發(fā)孔蝕。一般認(rèn)為，金屬發(fā)生孔蝕需要Cl- 濃度達(dá)到某個(gè)最低值(臨界氯離子濃度)。這個(gè)臨界氯離子濃度可以作為比較金屬材料耐蝕性能的一個(gè)指標(biāo)，臨界氯離子濃度高，金屬耐孔蝕性能好 。緩蝕性陰離子:緩蝕性陰離子可以抑制孔蝕的發(fā)生。 pH值 在較寬的pH值范圍內(nèi)，孔蝕電位Eb與溶液pH值關(guān)系不大。當(dāng)PH10，隨PH值升高，孔蝕電位增大，即在堿性溶液中，金屬孔蝕傾向較小。溫度溫度升高，金屬的孔蝕傾向增大。當(dāng)溫度低于某個(gè)溫度，金屬不會(huì)發(fā)生孔蝕。這個(gè)溫度稱為臨界孔蝕溫度(CPT) ，CPT愈高，則金屬

43、耐孔蝕性能愈好。 流動(dòng)狀態(tài) 在流動(dòng)介質(zhì)中金屬不容易發(fā)生孔蝕，而在停滯液體中容易發(fā)生，這是因?yàn)榻橘|(zhì)流動(dòng)有利于消除溶液的不均勻性，所以輸送海水的不銹鋼泵在停運(yùn)期間應(yīng)將泵內(nèi)海水排盡。 縫隙腐蝕 金屬之間或金屬與非金屬之間形成很小的縫隙(一般01mm寬度)，使縫隙內(nèi)介質(zhì)處于靜滯狀態(tài)，引起縫內(nèi)金屬加速腐蝕的一種局部腐蝕。許多金屬構(gòu)件如法蘭連接面、螺母壓緊面、銹層等，在金屬表面上形成了縫隙，縫內(nèi)外難以進(jìn)行介質(zhì)交換，形成氧濃差電池，促使Cl一進(jìn)入縫隙，在水解酸化和自催化作用下，引起嚴(yán)重的縫隙腐蝕。晶間腐蝕 局限在金屬晶界，晶粒本身腐蝕比較小。晶間腐蝕降低金屬晶粒之間的結(jié)合力，容易造成晶粒脫落或使材料強(qiáng)度明顯

44、下降。晶間腐蝕不易被發(fā)現(xiàn)，常常造成構(gòu)件突然破壞，危害性很大?？p隙腐蝕 縫隙腐蝕是指腐蝕破壞發(fā)生在金屬表面上的縫隙部位，在縫隙內(nèi)區(qū)域，腐蝕破壞形態(tài)可以是蝕孔，蝕坑，也可能是全面腐蝕。 縫隙種類 機(jī)器和設(shè)備上的結(jié)構(gòu)縫隙 固體沉積(泥沙、腐蝕產(chǎn)物等)形成的縫隙。 金屬表面的保護(hù)模 (如瓷漆、清漆、磷化層、金屬涂層)與金屬基體之間形成的縫隙。 縫隙尺寸 造成縫隙腐蝕的縫隙是狹縫，一般認(rèn)為其尺寸在0.025 0.1毫米范圍。寬度太小則溶液不能進(jìn)入，不會(huì)造成縫內(nèi)腐蝕；寬度太大則不會(huì)造成物質(zhì)遷移困難，縫內(nèi)腐蝕和縫外腐蝕無大的差別。 影響因素 （1）金屬材料 幾乎所有的金屬材料都會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕 ，鈍態(tài)的金屬對(duì)

45、縫隙腐蝕最為敏感 。（2）環(huán)境幾乎所有溶液中都能發(fā)生縫隙腐蝕，以含溶解氧的中性氯化物溶液最常見 。評(píng)定方法 （同孔蝕） 86420 12 24 36 48-0.9-0.7-0.5-0.1 0 0.1 2 4 6 8縫隙寬度: 1 3.5mm 2 2.7mm 3 2.0mm氧濃度(升/毫克)時(shí)間(小時(shí))縫隙內(nèi)海水中氧濃度的變化 玻璃-鈦縫隙123氧濃度(毫克/升)海水中氧的濃度對(duì)鋁合金和鈦合金電位的影響轉(zhuǎn)引自P48.49鋁合金 閉塞腐蝕電池理論 閉塞電池的概念由于閉塞的幾何條件（縫隙、孔蝕、裂紋）造成溶液的停滯狀態(tài)，使物質(zhì)的遷移困難，結(jié)果使閉塞區(qū)內(nèi)腐蝕條件強(qiáng)化，閉塞區(qū)內(nèi)外電化學(xué)條件形成很大的差異

46、，結(jié)果閉塞區(qū)內(nèi)金屬表面發(fā)生活性溶解腐蝕，使孔蝕和縫隙腐蝕以很大的速度擴(kuò)展。閉塞腐蝕電池的工作過程 （1）縫隙內(nèi)氧的貧乏 由于縫隙內(nèi)貧氧，縫隙內(nèi)外形成氧濃差電池?？p隙內(nèi)金屬表面為陽極，縫外自由表面為陰極。（2）金屬離子水解、溶液酸化（3） 縫隙內(nèi)溶液pH值下降，達(dá)到某個(gè)臨界值，不銹鋼表面鈍化膜破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)榛顟B(tài)，縫隙內(nèi)金屬溶解速度大大增加。（4）上述過程反復(fù)進(jìn)行，互相促進(jìn)，整個(gè)腐蝕過程具有自催化特性。 eeeeeeeeo2OH-OH-M+M+o2Na+Na+Na+Cl-M+o2OH-o2OH-M+o2OH-M+Cl-Na+eeeo2OH-OH-o2M(OH)2M+M+M+M+M+M+Cl-M+M+

47、Cl-M+M+M+Cl-Cl-M+Cl-Cl-Na+o2Cl-o2o2OH-初期階段后期階段金屬在海水中（中性氯化物溶液）縫隙腐蝕局部腐蝕 孔蝕和縫隙腐蝕的比較 孔蝕和縫隙腐蝕有許多相同之處。首先，腐蝕依賴于鈍態(tài)的金屬材料在含氯化物的溶液中容易發(fā)生，造成典型的局部腐蝕。其次，孔蝕和縫隙腐蝕成長階段的機(jī)理都可以用閉塞電池自催化效應(yīng)說明。 但孔蝕和縫隙腐蝕也有許多不同之處。第一，孔蝕的閉塞區(qū)是在腐蝕過程中形成的，閉塞程度較大；而縫隙腐蝕的閉塞區(qū)在開始就存在，閉塞程度較小。 第二，孔蝕發(fā)生需要活性離子(如Cl- 離子)，縫隙腐蝕則不需要，雖然在含Cl- 離子的溶液中更容易發(fā)生，第三，孔蝕的臨界電位E

48、b較縫隙腐蝕臨界電位Eb高，Eb與Erp之間的差值較縫隙腐蝕小(在相同試驗(yàn)條件下測量)，而且在Eb與Erp之間的電位范圍內(nèi)不形成新的孔蝕，只是原有的蝕孔繼續(xù)成長，但在這個(gè)電位范圍內(nèi)縫隙腐蝕既可以發(fā)生也可以成長。 晶間腐蝕 晶間腐蝕指腐蝕主要發(fā)生在金屬材料的晶粒間界區(qū)，沿著晶界發(fā)展，即晶界區(qū)溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒溶解速度。發(fā)生晶間腐蝕的電化學(xué) 條件（1）晶粒和晶界區(qū)的組織不同，因而電化學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。內(nèi)因（2）晶粒和晶界的差異要在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境下才能顯露出來。 外因 不銹鋼的晶間腐蝕 敏化熱處理 不銹鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的熱處理以后發(fā)生的，使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的熱處理叫做敏化熱處理。奧

49、氏體不銹鋼的敏化熱處理范圍為450C850C。當(dāng)奧氏體不銹鋼在這個(gè)溫度范圍較長時(shí)間加熱(如焊接)或緩慢冷卻，就產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性。鐵素體不銹鋼的敏化溫度在900C以上，而在700-800C退火可以消除晶間腐蝕傾向。 應(yīng)力腐蝕開裂(SCC) 是材料在特定的腐蝕性介質(zhì)與拉應(yīng)力共同作用下引起的，材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕時(shí)，腐蝕與拉應(yīng)力是互相促進(jìn)的。開始是腐蝕過程的集中或是應(yīng)力的集中在材料表面處形成微裂紋，繼而裂紋向材料內(nèi)部擴(kuò)展，其擴(kuò)展方向與主應(yīng)力方向垂直，既有沿晶裂紋，又可有穿晶裂紋，在主干裂紋延伸的同時(shí)有很多分支。隨著裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，盡管構(gòu)件是塑性材料制造的，最后也導(dǎo)致脆性斷裂。引起應(yīng)力腐蝕開裂的應(yīng)力

50、來源可以是外加的，也可以是構(gòu)件制造的殘余應(yīng)力。對(duì)于應(yīng)力腐蝕開裂來說，焊接和冷加工的殘余應(yīng)力有時(shí)是最主要的。 應(yīng)力腐蝕 應(yīng)力腐蝕是應(yīng)力和環(huán)境腐蝕的聯(lián)合作用造成的金屬破壞。在固定(靜止)應(yīng)力情況，稱為應(yīng)力腐蝕破裂(或應(yīng)力腐蝕開裂)，記為SCC；在循環(huán)應(yīng)力情況，稱為腐蝕疲勞， 記為CF。 特征 主要是合金發(fā)生SCC，純金屬極少發(fā)生 對(duì)環(huán)境的選擇性 形成了所謂“SCC的材料環(huán)境組合”。 金屬或合金腐 蝕 介 質(zhì)軟鋼碳鋼和低合金鋼奧氏體不銹鋼銅和銅合金鎳和鎳合金蒙乃爾合金鋁合金鉛鎂NaOH,硝酸鹽溶液,(硅酸納+硝酸鈣)溶液42%Mgcl2溶液,HCNNaCIO溶液,海水,H2S水溶液氯化物溶液,高溫高

51、壓蒸餾水氨蒸氣,汞鹽溶液,含SO2大氣NaOH水溶液,HF酸,氟硅酸溶液熔融Nacl,Nacl水溶液,海水,水蒸氣,含SO2大氣Pb(AC)2溶液海洋大氣,蒸餾水,Kcl-K2CrO4溶液產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂的材料-介質(zhì)組合 (局部腐蝕)(3) 只有拉應(yīng)力才引起SCC，壓應(yīng)力反而會(huì)阻止或延緩SCC的發(fā)生。 (4) 裂縫方向宏觀上和拉引力垂直，其形態(tài)有晶間型，穿晶型，混合型。 (5) SCC有孕育期，因此SCC的破斷時(shí)間tf可分為孕育期，發(fā)展期和快斷期三部分。 (6)發(fā)生SCC的合金表面往往存在鈍化膜或其他保護(hù)膜，在大多數(shù)情況下合金發(fā)生SCC時(shí)均勻腐蝕速度很小，因此金屬失重甚微。 低于某個(gè)臨界值th

52、時(shí)，材料不發(fā)生破裂，th稱為SCC臨界應(yīng)力。th愈大，材料耐SCC性能愈好。 腐蝕因素（1）SCC對(duì)環(huán)境有選擇性（2）氧化劑的存在有決定性作 用（3）溫度有著重要的影響。一般來說，溫度升高，材料發(fā)生SCC的傾向增 大。 （4）干濕交替環(huán)境使有害離子濃縮，SCC更容易發(fā)生 。 冶金因素 合金的化學(xué)成分、熱處理、組織結(jié)構(gòu)、加工狀態(tài)對(duì)其SCC敏感性都有影響。 對(duì)于奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的SCC來說，提高Ni含量，加入硅、銅，有利于提高抗SCC性能。 增加碳含量也有利于提高耐SCC性能，但含碳量大則容易產(chǎn)生晶間性SCC。 應(yīng)力腐蝕破裂的機(jī)理 SCC的機(jī)理有兩種：陽極溶解(AD)機(jī)理氫致開裂(HIC

53、)機(jī)理。 氫腐蝕 常見于碳鋼或低合金鋼在溫度高于200300、一定的氫分壓工作條件下。吸附在鋼表面的氫原子沿晶界向鋼材內(nèi)部擴(kuò)散，在高溫高壓下與鋼中不穩(wěn)定碳化物發(fā)生反應(yīng)生成甲烷。甲烷積聚使鋼材內(nèi)部產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，并伴隨著脫碳、顯微裂紋以及宏觀鼓泡的形成，其結(jié)果使材料強(qiáng)度及韌性大大下降，嚴(yán)重時(shí)使構(gòu)件斷裂。 氫損傷 金屬材料在高溫氫氣作用下發(fā)生機(jī)械性能劣化的現(xiàn)象叫做氫損傷。 （1）氫脆 把氫對(duì)金屬的物理作用所引起的損傷叫做氫脆。即氫溶解于金屬中形成固溶體，氫原子在金屬的缺陷中復(fù)合為氫分子。 （2）氫腐蝕 把氫與金屬化學(xué)作用引起的損傷叫做氫腐蝕。氫與鋼中碳化物等第二相反應(yīng)生成甲烷等氣體。氫腐蝕比氫脆

54、的破壞作用大得多。 腐蝕疲勞 是構(gòu)件材料在腐蝕性介質(zhì)與交變應(yīng)力共同作用下引起的，有疲勞斷裂的特征。疲勞裂紋源往往是表面的腐蝕坑，腐蝕加速疲勞裂紋的擴(kuò)展。裂紋穿晶分布并向內(nèi)部擴(kuò)展，只有主干裂紋，沒有分支。腐蝕疲勞因降低材料疲勞強(qiáng)度而導(dǎo)致構(gòu)件失效。腐蝕疲勞 在循環(huán)應(yīng)力(交變應(yīng)力)和腐蝕環(huán)境的聯(lián)合作用下金屬材料發(fā)生的嚴(yán)重腐蝕破壞叫做腐蝕疲勞(簡記為CF)。 SN曲線和疲勞極限 在腐蝕環(huán)境中疲勞極限不存在，即在低應(yīng)力下造成斷裂的循環(huán)數(shù)仍與應(yīng)力有關(guān)。為了便于對(duì)各種金屬材料耐腐蝕疲勞性能進(jìn)行比較，一般是規(guī)定一個(gè)循環(huán)次數(shù)(如107) ，從而得出名義的腐蝕疲勞極限，記為-1c。 腐蝕疲勞的特征 任何金屬(包括

55、純金屬)在任何介質(zhì)中都能發(fā)生腐蝕疲勞，即不要求特定的材料環(huán)境組合。 環(huán)境條件(腐蝕介質(zhì)條件種類、溫度、pH、氧含量等)對(duì)材料的腐蝕疲勞行為都有顯著影響。 純疲勞性能與循環(huán)頻率無關(guān)，腐蝕疲勞性能與頻率有關(guān)。 與應(yīng)力腐蝕破裂相比，腐蝕疲勞裂紋主要為穿晶型。 對(duì)金屬材料進(jìn)行陰極極化,可使裂紋擴(kuò)展速度明顯降低。 腐蝕疲勞機(jī)理 一般是用金屬材料的疲勞機(jī)理和電化學(xué)腐蝕作用結(jié)合來說明腐蝕疲勞的機(jī)理。 孔蝕或其他局部腐蝕造成缺口，縫隙，引起應(yīng)力集中，造成滑移?；婆_(tái)階的腐蝕溶解使逆向加載時(shí)表面不能復(fù)原，成為裂紋源。反復(fù)加載使裂紋不斷擴(kuò)展，腐蝕作用使裂紋擴(kuò)展速度加快。 在交變應(yīng)力作用下，滑移具有累積效應(yīng)，表面膜

56、更容易遭到破壞。 磨損腐蝕 定義 高速流動(dòng)的腐蝕介質(zhì)(氣體或液體)對(duì)金屬材料造成的腐蝕破壞叫做磨損腐蝕(erosion-Corrosion)，簡稱磨蝕，也叫做沖刷腐蝕。 影響因素 耐磨損腐蝕性能與它的耐蝕性和耐磨性都有關(guān)系。表面膜的保護(hù)性能和損壞后的修復(fù)能力，對(duì)材料耐磨損腐蝕性能有決定性的作用。 (3)流速對(duì)金屬材料腐蝕的影響是復(fù)雜的，當(dāng)液體流動(dòng)有利于金屬鈍化時(shí)，流速增加將使腐蝕速度下降。流動(dòng)也能消除液體停滯而使孔蝕等局部腐蝕不發(fā)生。只有當(dāng)流速和流動(dòng)狀態(tài)影響到金屬表面膜的形成、破壞和修復(fù)時(shí)，才會(huì)發(fā)生磨損腐蝕。 (4)液體中含量懸浮固體顆粒(如泥漿、料漿)或氣泡，氣體中含有微液滴 (如蒸氣中含冷

57、凝水滴)，都使磨損腐蝕破壞加重。 典 型 腐 蝕 率 (mdd)1英尺/每秒(1)4英尺/每秒(2)27英尺/每秒(3)材 料碳鋼鑄鐵硅青銅海革黃銅Hydraulic青銅G青銅鋁青銅(10%Al)鋁黃銅GO-10CuNi(0.8%Fe)TO-30CuNi(0.05%Fe)Monel(Ni70Cu30)316型不銹鋼Hastelloy C鈦 34 45 1 2 4 7 5 2 5 211110 72-22012-110-25427034317033923610599199394130 (1)浸入海潮中 (2)浸入人工海水溝中 (3)掛在浸沒的轉(zhuǎn)盤上不 同 流 速 的 海 水 對(duì) 金 屬 的 腐

58、蝕 磨損腐蝕的兩種重要形式 湍流腐蝕和沖擊腐蝕 高速流體或流動(dòng)截面突然變化形成了湍流或沖擊，對(duì)金屬材料表面施加切應(yīng)力，使表面膜破壞，不規(guī)則的表面使流動(dòng)方向更為紊亂，產(chǎn)生更強(qiáng)的切應(yīng)力，在磨損和腐蝕的協(xié)同作用下形成腐蝕坑。（a）（b）（c）（d） 湍流造成磨損腐蝕坑的機(jī)理 根據(jù)C。LOSS等，轉(zhuǎn)引自Conosion ProcessesP177空泡腐蝕 空泡腐蝕(Cavitation erosion)又叫氣蝕、穴蝕。當(dāng)高速流體流經(jīng)形狀復(fù)雜的金屬部件表面，在液體中形成所謂空泡，在空泡內(nèi)只有微量的水汽或低壓的空氣，因而和周圍高壓區(qū)形成很大的壓力差，氣泡受壓力而破滅。氣泡的反復(fù)生成和破滅產(chǎn)生很大的機(jī)械力使

59、表面膜局部毀壞，裸露出的金屬受介質(zhì)腐蝕形成蝕坑。蝕坑表面可再鈍化，氣泡破滅再使表面膜破壞。有的文獻(xiàn)上將摩振腐蝕(fretting)也劃歸磨損腐蝕 。（1）形成氣泡 （2）氣泡破滅，膜破壞 （3）重新成膜（4）形成新氣泡 （5）氣泡破滅，膜毀壞 （6）重新成膜 空泡腐蝕各步驟示意圖 （根據(jù) Henlee）冷焊前氧化顆粒接觸點(diǎn)磨損 氧化理論氧化物層暴露的金屬氧化物顆粒摩 振 腐 蝕 理 論 示 意 圖過程裝備大多在腐蝕環(huán)境下操作，目前還沒有在各種腐蝕條件下均耐蝕的工程材料，因此要針對(duì)不同的工況采取不同的防腐措施。 選材。選擇耐腐蝕材料制造過程裝備構(gòu)件。 保護(hù)。選擇適當(dāng)?shù)谋砻娓采w層可以隔離金屬表面與

60、腐蝕性介質(zhì)的接觸，有效的表面覆蓋層能起到屏蔽作用。如各種電鍍層、熱浸鍍和噴涂層、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、有機(jī)和無機(jī)涂層等。 電化學(xué)保護(hù)可使金屬材料腐蝕速度大大降低。常用犧牲陽極的陰極保護(hù)、外加電流陰極保護(hù)，在金屬可以鈍化時(shí)采用陽極保護(hù)。防護(hù)方法 電化學(xué)保護(hù) 陰極保護(hù)(1)保護(hù)原理 金屬電解質(zhì)溶液腐蝕體系受到陰極極化時(shí)，電位負(fù)移，金屬陽極氧化反應(yīng)過電位a 減小，反應(yīng)速度減小，因而金屬腐蝕速度減小，稱為陰極保護(hù)效應(yīng)。利用陰極保護(hù)效應(yīng)減輕金屬設(shè)備腐蝕的防護(hù)方法叫做陰極保護(hù) 。 (2) 兩種陰極保護(hù)法 外加電流陰極保護(hù)所需保護(hù)電流是由直流電源(如蓄電池、直流發(fā)電機(jī)、整流器等)提供的；而犧牲陽極保護(hù)中所需保護(hù)電流是