第7章-金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂

第7章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂1§7-1應(yīng)力腐蝕一、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)力腐蝕斷裂(SCC)：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)力脆斷現(xiàn)象。特點：拉應(yīng)力，特定介質(zhì)，時間，脆斷。低碳鋼、低合金鋼——堿脆、硝脆

不銹鋼——氯脆

銅合金——氨脆

22、產(chǎn)生條件應(yīng)力：靜應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的屈服強度，且一般為拉應(yīng)力。包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力?；瘜W(xué)介質(zhì)：一定材料對應(yīng)一定的化學(xué)介質(zhì)；表6-1所示金屬材料：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，敏感性不同。34二、應(yīng)力腐蝕斷裂機理及斷口形貌特征關(guān)于應(yīng)力腐蝕的機理曾提出許多學(xué)說，如活性通路—電化學(xué)理論，膜破裂理論、氫脆理論，“化學(xué)脆變—脆性破裂”理論，腐蝕產(chǎn)物楔入理論、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)境破裂三階段理論……等。5最基本的是：滑移—溶解理論(或稱鈍化模破壞理論)和氫脆理論。1、應(yīng)力腐蝕斷裂機理滑移－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)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。6陽極金屬變成正離子進(jìn)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(jìn)行，鈍化膜不能恢復(fù)，裂紋將逐步向縱深擴展。在應(yīng)力腐蝕過程中，衡量腐蝕速度的腐蝕電流I表示為：R－微電池中的電阻；Vc,Va-電池兩極的電位。如果在介質(zhì)中的極化過程不是非常強烈，則Vc-Va變得很小，腐蝕過程就大受抑制；如果介質(zhì)中去極化過程很強，Vc-Va很大，腐蝕電流增大，致使金屬表面受到全面腐蝕，表面不能形成鈍化膜。71）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貌也是完全脆性的。（2）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（黑色或灰黑色），但深裂紋的裂夾區(qū)顏色可能很淺，不易為肉眼辨認(rèn)。（4）由于斷裂總是從與介質(zhì)接觸的表面開始，故啟裂區(qū)表面附近的斷口顏色最深，有時由于腐蝕進(jìn)展的變化會在斷口上留下海灘花樣。（5）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。82、應(yīng)力腐蝕斷口特征2）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(dāng)（如數(shù)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類似解理形貌。（3）在腐蝕產(chǎn)物很厚的情況下，斷口形貌可能被掩蓋。（4）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”的腐蝕產(chǎn)物。（5）清洗過的SCC斷口能看出被腐蝕的跡象，尤其是沿晶型，更易辨認(rèn)，這是同單純氫脆及其它沿晶斷口相區(qū)別的重要依據(jù)。93）應(yīng)力腐蝕斷裂途徑

10(1)根據(jù)金屬和合金的種類及介質(zhì)不同，SCC可以是沿晶的或穿晶的：碳鋼和鉻不銹鋼多系沿晶奧氏體不銹鋼多為穿晶鋁、鈦、鎳也多為沿晶

但也有例外的。(2)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，但裂紋常有分叉現(xiàn)象，呈枯樹枝狀。三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)1、應(yīng)力腐蝕曲線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。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(biāo)σscc不能客觀地反映裂紋機件對應(yīng)力腐蝕的抗力。發(fā)展了兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)：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da/dt1112三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)2、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCC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。含宏觀裂紋的試樣，恒定載荷，特定介質(zhì)，測KI~tf曲線。KISCC值的測定：1)

恒載荷法：使KI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。2)恒位移法：使KI不斷減少，用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。13142、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCC15整個試驗過程中載荷恒定，隨著裂紋的擴展，裂紋尖端KI增大，可用下式計算：其中α＝1－a/W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)力場強度因子KI初，記錄各種KI初作用下的斷裂時間tf，以KI初與tf為坐標(biāo)作圖，曲線水平部分所對應(yīng)KI初的即為材料的KIscc162、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCCK<KISCC時，在應(yīng)力作用下，材料或零件可以長期處于腐蝕環(huán)境中而不發(fā)生破壞。KISCC<K<KIC時，在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力共同作用下，裂紋呈亞臨界擴展，隨裂紋不斷增長，裂紋尖端K值不斷增大，達(dá)到KIC斷裂。K>KIC時，加上初始載荷后試樣立即斷裂。KISCC也可以測量裂紋擴展速率da/dt。172、應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCC3、應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt定義：單位時間內(nèi)裂紋的擴展量。da/dt=f(KI)da/dt—KI曲線上的三個階段：存在一個門檻值KISCC。當(dāng)KI＜KISCC時，da/dt=0或微不足道。第Ⅰ階段：當(dāng)KI超過KIscc時裂紋突然加速擴展，da/dt－KI曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行。da/dt值小，但受K之影響較大。第II段出現(xiàn)水平線段，da/dt決定于環(huán)境而受應(yīng)力強度的影響較小,第II階段時間越長，材料抗應(yīng)力腐蝕性能越好。若通過實驗測出某種材料在第II階段的da/dt值及第二階段結(jié)束時的KI值，就可估算出機件在應(yīng)力腐蝕條件下的剩余壽命。第Ⅲ階段裂紋長度接近臨界尺寸，da/dt依賴于KI，材料進(jìn)入失穩(wěn)擴展的過渡區(qū)。當(dāng)KI增大到KIC時便失穩(wěn)擴展斷裂。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(jìn)行的。應(yīng)力腐蝕機理就是滑移—溶解理論。它可以簡單地歸結(jié)為四個過程，即滑移—膜破—陽極溶解—再鈍化。防止應(yīng)力腐蝕的方法要視具體的材料—介質(zhì)而定。主要措施：1、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)力腐蝕的金屬材料。選材時還應(yīng)盡可能選取KIscc較高的合金。2、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。3、改善化學(xué)介質(zhì)一方面設(shè)法減少和消除促進(jìn)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。4、采用電化學(xué)保護(hù)采用陰極保護(hù)法使金屬在化學(xué)介質(zhì)中的電位遠(yuǎn)離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域。19§7-2氫脆定義：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。一、氫在金屬中的存在形式內(nèi)含的氫(冶煉和加工中帶入的氫)；外來的氫(工作中，吸H)；以間隙原子狀態(tài)固溶在金屬中；以分子狀態(tài)存在于孔洞、氣泡裂紋等處；在金屬(如V、Nb、Ti、Zr、Hf)中形成氫化物。20二、氫脆類型及其特征1、氫蝕(氣蝕)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。宏觀斷口形貌：呈氧化色，顆粒狀。微觀：晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。2、白點（發(fā)裂）H過量時，隨溫度降低合金中H的溶解度降低，容易形成H2,使H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，因此成為白點。白點是一種嚴(yán)重的缺陷，降低材料的性能。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。21223、氫化物致脆與氫有較大親和力的ⅣB、ⅤB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。晶粒粗大，氫化物呈薄片狀→較大應(yīng)力集中→危害大晶粒細(xì)小，氫化物塊狀不連續(xù)分布→危害小4、氫導(dǎo)致延滯斷裂定義：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)部形成裂紋且擴展，最后突然發(fā)生的脆性斷裂。特點：1)只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)；2)提高應(yīng)變速率，可降低材料氫脆的敏感性；3)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H量增加一直降低；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，由于氫脆降低塑性，卸載停留一定時間后再進(jìn)行高速加載可以恢復(fù)塑性，消除氫脆三、鋼的氫致延滯斷裂機理三個階段：孕育，裂紋亞穩(wěn)擴展，失穩(wěn)擴展階段。孕育期：α－Fe晶格中氫原子數(shù)量↑+遷移+偏聚1）氫氣團(tuán)導(dǎo)致裂紋氫固溶于α－Fe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)，形成氫氣團(tuán)。氣團(tuán)隨位錯運動，當(dāng)其遇到障礙時產(chǎn)生位錯塞積，同時氫原子在塞積區(qū)聚集。若應(yīng)力足夠大，則在位錯塞積端部形成較大應(yīng)力集中，形成裂紋。2）裂紋尖端聚集導(dǎo)致裂紋拉應(yīng)力促進(jìn)氫的溶解并通過問錯運動向原裂紋尖端區(qū)域偏聚。當(dāng)偏聚的H濃度足夠多時使該區(qū)域脆化而產(chǎn)生裂紋。裂紋的步進(jìn)式擴展：當(dāng)新裂紋和原裂紋尖端匯合，裂紋便擴展一段距離，隨后停止。重新經(jīng)過孕育，再擴展一段距離，形成步進(jìn)式擴展2324三、鋼的氫致延滯斷裂機理四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐