材料力學(xué)性能（第2版）-時海芳第六章

第六章

金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂實際工程結(jié)構(gòu)和零件總是在外加載荷和環(huán)境介質(zhì)的聯(lián)合條件下工作的。將環(huán)境因素對材料力學(xué)性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)；把由環(huán)境效應(yīng)造成的破壞稱為環(huán)境斷裂。環(huán)境條件:溫度、射線、介質(zhì)金屬機件在加工過程往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在服役過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，便會產(chǎn)生特殊的斷裂現(xiàn)象。這些斷裂形式大多為低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險性。本章將主要闡述金屬材料應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂特征及斷裂機理，介紹金屬材料抵抗應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂的力學(xué)性能指標(biāo)及防止其斷裂的措施；同時將簡單介紹高聚物和無機非金屬材料的環(huán)境脆性第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件1.應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象材料或零件在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象應(yīng)力腐蝕的危險性在于它常發(fā)生在相當(dāng)緩和的介質(zhì)和不大的應(yīng)力狀態(tài)下，而且往往事先沒有明顯的預(yù)兆，故常造成災(zāi)難性的事故。是在應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)的聯(lián)合作用下，按特有機理產(chǎn)生的斷裂，其斷裂強度比單個因素分別作用后再迭加起來的要低得多。應(yīng)力腐蝕斷裂并不是金屬在應(yīng)力作用下的機械性破壞與化學(xué)介質(zhì)作用下的腐蝕性破壞的疊加§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)2.產(chǎn)生條件應(yīng)力、環(huán)境（介質(zhì)）和材料三者共存是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的必要條件。1)應(yīng)力：拉應(yīng)力（工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力），一般產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力很低；若無介質(zhì)作用可以長期工作而不斷裂。2)化學(xué)介質(zhì)：特定材料只有在特定的介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。介質(zhì)具有弱腐蝕性，無拉應(yīng)力作用材料具有一定的耐蝕性。3)材料對于金屬而言，純金屬一般無應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。5§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)合金一般都具有應(yīng)力腐蝕，而且有一定敏感成分。層錯能低，滑移系少，合金位錯能夠形成平面結(jié)構(gòu)的合金比層錯能高，滑移系多，位錯易形成波紋結(jié)構(gòu)的合金的應(yīng)力腐蝕敏感性高。3.典型材料的應(yīng)力腐蝕1)不銹鋼在氯化物溶液中的應(yīng)力腐蝕（氯脆）介質(zhì)中氧濃度越高，引發(fā)應(yīng)力腐蝕開裂所需的Cl-濃度越低。當(dāng)Ni的質(zhì)量分數(shù)為8%（18-8奧氏體不銹鋼）時，應(yīng)力腐蝕斷裂的時間最短，敏感性最高。海水和工業(yè)用水中的Cl-濃度雖然低得多，但局部沸騰或局部高溫會導(dǎo)致Cl-濃縮而引發(fā)應(yīng)力腐蝕破裂?！?應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)2)低碳鋼在熱堿溶液中的應(yīng)力腐蝕（蒸汽機鍋爐在高溫堿性溶液中的“堿脆”堿脆）當(dāng)NaOH的濃度為4％~75％時，能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，但中等濃度(如35％)時最為敏感；NaOH的濃度愈低時，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋所需的溫度就愈高。當(dāng)碳含量為0.2％時堿脆敏感性最高，隨碳含量降低(C＜0.2％)或升高(C＞0.2％)均使堿脆敏感性降低。3)銅合金在含氨水溶液中的應(yīng)力腐蝕（氨脆）黃銅彈殼在銨離子介質(zhì)中的“季裂”(SeasonCracking)引起季裂的主要腐蝕介質(zhì)是潮濕空氣中的銨離子、水和氨的混合物。在形成表面氧化膜的溶液中，黃銅的應(yīng)力腐蝕是沿晶斷裂；在不形成表面氧化膜的條件下、或者強烈冷變形的情況下可能發(fā)生穿晶斷裂。黃銅中Zn的質(zhì)量分數(shù)＜15%時，對應(yīng)力腐蝕破裂不敏感。§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)二、應(yīng)力腐蝕斷裂機理及特征1.機理：1）滑移溶解機理金屬或合金在腐蝕介質(zhì)中可能會形成一層鈍化膜，應(yīng)力使膜局部破裂(如位錯滑出產(chǎn)生滑移臺階使膜破裂，蠕變使膜破裂或拉應(yīng)力使沿晶脆性膜破裂)。陽極溶解,形成蝕坑，產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而陽極電極電位降低，陽極溶解加快，裂紋擴展。新鮮金屬在溶液中會發(fā)生再鈍化，陽極溶解停止。膜破裂(滑移、蠕變或脆斷)、金屬溶解、再鈍化過程的循環(huán)重復(fù)。2）擇優(yōu)溶解機理晶界陽極相擇優(yōu)溶解，應(yīng)力一方面使溶解形成的裂紋張開，使其它沿晶陽極相進一步溶解；另一方面，應(yīng)力可使各個被溶解陽極相之間的孤立基體“橋”撕裂或使它的電位下降而被溶解?！?應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)3）介質(zhì)導(dǎo)致解理機理一類認為應(yīng)力作用下特殊離子(如Cl-)的吸附能降低表面能，從而導(dǎo)致脆斷(應(yīng)力吸附脆斷理論)；另一類認為表面鈍化膜或硫松層能阻礙位錯的發(fā)射，從而使材料由韌變脆。4）氫致開裂機理如果應(yīng)力腐蝕的陰極反應(yīng)是H++e=H，原子氫進入金屬并富集到足夠程度后可能引發(fā)脆性斷裂。這實際上是在應(yīng)力腐蝕條件下發(fā)生的氫致開裂。5）閉塞電池機理(1)在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，金屬表面的缺陷處形成微蝕孔或裂紋源。(2)微蝕孔和裂紋源的通道非常窄小，孔隙內(nèi)外溶液不容易對流和擴散，形成所謂的“閉塞區(qū)”。(3)由于陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)共存，一方面金屬原子變成離子進入溶液；另一方面電子和溶液中的氧結(jié)合形成氫氧根離子，1/2O2+H2O+2e→2OH-

。但在閉塞區(qū)，氧迅速耗盡，得不到補充，最后只能進行陽極反應(yīng)?！?應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)(4)縫內(nèi)金屬離子水解產(chǎn)生H+離子，使pH值下降，Me2++2H2O+2e→Me(OH)2+2H+。由于縫內(nèi)金屬離子和氫離子增多，為了維持電中性，縫外的Cl-陰離子可移至縫內(nèi)，形成腐蝕性極強的鹽酸，使縫內(nèi)腐蝕以自催化方式加速進行。2.特征1)造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應(yīng)力(外加的或殘余拉應(yīng)力)；2)應(yīng)力腐蝕造成的破壞是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形；3)對每一種金屬或合金，只有在特定的介質(zhì)中才會發(fā)生應(yīng)力腐蝕,即存在應(yīng)力腐蝕開裂敏感的材料/環(huán)境組合。4)應(yīng)力腐蝕的裂紋擴展速率一般在10-9~10-6m/s，是漸進緩慢的；遠大于腐蝕速度、但遠小于單純力學(xué)的斷裂速度。5)應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力的方向；15§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)6)應(yīng)力腐蝕破壞的斷口，宏觀特征與疲勞斷口相似，也有亞穩(wěn)擴展區(qū)和最后瞬斷區(qū)。在亞穩(wěn)擴展區(qū)可見到腐蝕產(chǎn)生和氫化現(xiàn)象，可以呈黑色或灰黑色，具有脆性特征。最后瞬斷區(qū)一般為快速撕裂破壞，顯示出基體材料的特性。7)應(yīng)力腐蝕的主裂紋擴展時，常有分枝。微觀裂紋分叉，呈枯樹枝狀，表面可見“泥狀花樣”腐蝕產(chǎn)物及腐蝕坑§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)8)應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是沿晶斷裂，甚至是兼有這兩種形式的混合斷裂。三、應(yīng)力腐蝕斷裂的測試方法與評價指標(biāo)1）光滑試樣測試方法：(a)恒載荷試驗：在腐蝕著的光滑平板或圓棒拉伸試樣下端懸掛砝碼或通過杠桿、液壓系統(tǒng)、彈簧等施加拉伸應(yīng)力，同時測定在不同應(yīng)力下的斷裂時間。(b)恒應(yīng)變試驗：試件通過塑性形變至預(yù)定的形態(tài)，應(yīng)力來自加工變形產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。試件形狀有環(huán)形、U形、叉形和彎梁試件等。較符合實際情況，且試樣和夾具簡單而便宜，因此在工廠試驗室中用得較多。評價指標(biāo)：采用一組相同的試樣，在不同的應(yīng)力水平作用下測定其斷裂時間tf，作出σ-tf曲線?！?應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)斷裂時間tf隨著外加拉伸應(yīng)力的降低而增加。當(dāng)外加應(yīng)力低于某一定值時，應(yīng)力腐蝕斷裂時間tf趨于無限長，此應(yīng)力稱為不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力σscc

若斷裂時間tf隨外加應(yīng)力的降低而持續(xù)不斷地緩慢增長，則在給定的時間下發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的應(yīng)力作為條件臨界應(yīng)力σscc§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)光滑試樣測試方法的缺點：（a）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σscc不能客觀地反映裂紋機件對應(yīng)力腐蝕的抗力；（b）試驗數(shù)據(jù)分散，有時可能會得出錯誤的結(jié)論；（c）不能正確得出裂紋擴展速率的變化規(guī)律；（d）費時，且不能用于工程設(shè)計。2）裂紋試樣的測試方法：a）恒載荷法試驗裝置：懸臂梁彎曲產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時間與初始應(yīng)力場強度因子KI初有關(guān)。M為彎矩;B和W為試樣的厚度和寬度；α=1-a/W，a為裂紋的長度?！?應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)b）恒位移法裝置：用緊湊拉伸試樣和螺栓采用一組相同試樣，在不同應(yīng)力水平作用下測定其斷裂時間tf，作出KI-tf曲線也可同時測出da/dt-KI曲線。原理：當(dāng)裂紋擴展時，載荷逐漸下降。由于載荷下降對KI

的影響大于裂紋增大的影響，因而使KI不斷減小，da/dt相應(yīng)減小，最終將導(dǎo)致裂紋停止擴展(或da/dt

≤10-7mm/s)，此時KI就是KISCC。a為裂紋長度，即從加載螺釘中心線至裂紋頂端的距離；B和W為試樣的厚度和寬度；f(a/W)為形狀因子函數(shù)：§1應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)（1）先用螺釘加載到所需的位移δ，然后放入到特定的介質(zhì)中，定期測量試樣表面的裂紋長度，由此獲得a-t曲線，作a-t曲線的切線，就得da/dt。（2）待裂紋完全停止擴展后，取出試樣，并精確地測出止裂后的裂紋長度ac，就可得到臨界應(yīng)力場強度因子KISCC。試驗步驟：恒載荷試驗：所需試樣多，試驗裝置復(fù)雜，KISCC

測量準確。恒位移試驗：一個試樣，所需時間較長。評價指標(biāo)（a）臨界應(yīng)力強度因子KISCC當(dāng)KI值降低到某一臨界值時，應(yīng)力腐蝕斷裂實際上就不發(fā)生了。這時的KI值稱為應(yīng)力腐蝕破裂的門檻值，以KISCC表示?！?應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)大多數(shù)金屬材料，在特定的化學(xué)介質(zhì)中都有一定的門檻值。但有些材料如鋁合金，卻沒有明顯的門檻值；其門檻值可定義為在規(guī)定的試驗時間內(nèi)不發(fā)生腐蝕斷裂的上限KI

值。一般認為對于這類試驗的時間至少要1000小時（b）SCC裂紋擴展速率當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的KI>KISCC時，裂紋就會不斷擴展。應(yīng)力腐蝕裂紋

擴展速率da/dt與KI有關(guān)曲線可分為三個階段：I：當(dāng)KI剛超過KISCC時，裂紋經(jīng)過一段孕育期后突然加速擴展，da/dt-KI曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行。II：曲線出現(xiàn)水平線段，da/dt基本上和應(yīng)力強度因子KI無關(guān)，因為這時裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象，裂紋擴展主要受電化學(xué)過程控制?！?應(yīng)力腐蝕(StressCorrosionCracking)III：裂紋長度己接近臨界尺寸，da/dt又隨KI值的增加而急劇增大，這時材料進入失穩(wěn)擴展的過渡區(qū)。當(dāng)KI達到KIC時，裂紋便失穩(wěn)擴展至斷裂。四、防止應(yīng)力腐蝕的措施1）降低或消除應(yīng)力a)改進結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免或減少局部應(yīng)力集中；b)進行消除應(yīng)力處理；c)采用噴丸或其它表面處理方法，使機件表層中產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力。2）控制環(huán)境a)改善材料使用條件(避免在敏感介質(zhì)中使用)b)加入緩蝕劑c)保護涂層d)電化學(xué)保護3）改善材質(zhì)a)正確選材b)開發(fā)耐應(yīng)力腐蝕或KISCC較高的新材料c)改進冶煉和熱處理工藝（改變組織和減少雜質(zhì)）第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂§2氫脆由于氫原子很小，氫很容易在各種金屬與合金的晶格中移動。氫的滲入對金屬與合金的性能產(chǎn)生許多有害的影響，因此金屬中的氫是一種有害元素，只須極少量的氫0.0001%即可導(dǎo)致金屬變脆。由于氫與應(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，稱為氫脆斷裂或氫致斷裂，簡稱氫脆。一、氫在金屬中的存在形式二、氫脆類型及其特征三、鋼的氫致延滯斷裂機理四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系五、防止氫脆的措施一、氫的來源及其在金屬中的存在形式1.氫的來源可分為“內(nèi)含的”和“外來的”兩種。內(nèi)含的氫:材料在冶煉、熱加工、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等制造過程中吸收的氫。外來的氫：材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環(huán)境中服役時從含氫環(huán)境介質(zhì)中吸收的氫。2.存在形式：①間隙固溶于金屬中在室溫下氫在一般金屬中的溶解度很低，約為10-9~10-10。氫在固溶體中的分布是不均勻的，常在各種缺陷處富集。②擴散聚集于較大缺陷處，以分子態(tài)形式析出。③與某些元素如V、Nb、Ti、Zr、Hf反應(yīng)生成氫化物④與第二相反應(yīng)生成氣體二、氫脆類型及特征由于氫在材料中存在的狀態(tài)不同及其氫與金屬交互作用性質(zhì)的不同，氫可通過不同的機制使材料脆化：§2氫脆§2氫脆1.氫氣壓力引起的開裂（白點）當(dāng)鋼中含有過量的氫時，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和的氫未能擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成H2分子。此時，氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，形成微裂紋。微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色，所以稱為白點。在鋼的縱向剖面上，白點呈發(fā)紋狀，所以又稱為發(fā)裂。影響因素鋼的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)對白點的形成有很大的影響：奧氏體鋼對白點不敏感；在合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼中容易形成白點。鋼中存在內(nèi)應(yīng)力時，會加劇白點傾向?！?氫脆防止措施：可通過精煉除氣，鍛后緩冷、等溫退火或焊前烘烤焊條等工藝方法，以及在鋼中加入稀土或其他微量元素等方法，降低鋼中的含氫量。2.氫蝕在高溫高壓下，氫與鋼中的固溶體或滲碳體發(fā)生如下的反應(yīng)：C（Fe）+4H→CH4

Fe3C→3Fe+C,C+2H2→CH4反應(yīng)所生成的甲烷氣體，也可以在鋼中形成高壓;使基體金屬晶界結(jié)合力減弱,導(dǎo)致鋼材的塑性大幅度降低，這種現(xiàn)象稱為氫蝕。特點：（a）CH4氣泡的形成必須依附于鋼中夾雜物或第二相質(zhì)點，而第二相質(zhì)點往往存在于晶界上，因此氫蝕脆化裂紋常沿晶界發(fā)展，斷口顏色呈氧化色，呈顆粒狀，晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂。（b）CH4

的形成和聚集到一定的量，需要一定的時間，因此氫蝕過程存在孕育期，并且溫度越高，孕育期越短?！?氫脆（c）鋼發(fā)生氫蝕的溫度為300~500℃，低于200℃時不發(fā)生氫蝕。防止措施:（a）降低鋼中的含碳量，可減少形成CH4

中的碳供應(yīng)。（b）加入鉻、鉬、鈦或釩等碳化物形成元素，使其形成的穩(wěn)定碳化物不易分解，可以延長氫蝕的孕育期。（c）球化處理和消除加工應(yīng)力，降低鋼的氫蝕傾向。3.氫化物致脆對于IVB或VB族金屬(如純鈦、α-鈦合金、鎳、釩、鋯、鈮及其合金)，由于它們與氫有較大的親和力，極易生成脆性氫化物，使材料的塑性、韌性降低，產(chǎn)生脆化。1）分類：第一類氫脆：當(dāng)熔融金屬冷凝時，由于溶解度的降低，氫自固溶體中析出，并與基體金屬化合生成了氫化物。這種由于預(yù)先存在氫化物所引起的脆性屬于第一類氫脆?！?氫脆第二類脆性：合金中原有的氫含量較低，不足以形成氫化物；但當(dāng)受到應(yīng)力作用時，氫將向拉應(yīng)力區(qū)或裂紋前沿聚集、一旦達到足夠濃度，過飽和氫將從固溶體中析出并形成氫化物。由于應(yīng)力感生氫化物所引起的脆化，屬于第二類氫脆。2）特點：金屬材料對氫化物造成的氫脆敏感性，隨溫度降低及試樣缺口的尖銳程度增加而增加。裂紋常沿氫化物與基體的界面發(fā)生，因此在斷口上?？梢园l(fā)現(xiàn)氫化物。氫化物的形狀和分布對脆性有明顯的影響。沿晶界呈片狀分布敏感性提高。4.氫致延滯斷裂1）現(xiàn)象：高強鋼或鈦合金含有適量的固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段時間孕育后，在金屬內(nèi)部，特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，裂紋逐步擴展，最后突然發(fā)生脆性斷裂?！?氫脆由于氫的擴散需要一定的時間，加載后要經(jīng)過一定時間才斷裂，所以稱為氫致延滯斷裂2）特點：只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強度鋼多出現(xiàn)在-100~150℃之間，在室溫下最敏感。提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性降低。因此，只有在慢速加載試驗中才能顯示這類脆性可顯著降低金屬材料的斷后伸長率，但含氫量超過一定數(shù)值后，斷后伸長率不再變化。高強度鋼的氫致延滯斷裂還具有可逆性。3）機理氫致滯后斷裂過程可分為三個階段，即孕育階段、裂紋亞穩(wěn)擴展階段及失穩(wěn)擴展階段。a)孕育階段:鋼的表面單純吸附氫原子不會產(chǎn)生氫脆。氫必須進入α-Fe晶格中并偏聚到一定濃度后才能形成裂紋。由環(huán)境介質(zhì)中的氫引起氫致延滯斷裂，必須經(jīng)過三個步驟：§2氫脆氫原子進入鋼中、氫在鋼中遷移和氫的偏聚。這三個步驟都需要時間，這就是氫致滯后斷裂的孕育階段。b）裂紋形核：在外加應(yīng)力作用下，氫原子將遷移到位錯線附近的拉應(yīng)力區(qū)，形成氫氣團；氣團隨位錯運動，但又落后一定距離。因此氣團對位錯起“釘扎”作用，產(chǎn)生局部應(yīng)變硬化。當(dāng)運動著的位錯與氫氣團遇到障礙時，便產(chǎn)生位錯塞積，同時造成氫原子在塞積區(qū)聚集。如應(yīng)力足夠大，則在位錯塞積的端部形成較大的應(yīng)力集中，由于不能通過塑性變形使應(yīng)力松弛，于是便形成裂紋。c)裂紋擴展：在外加應(yīng)力作用下，金屬中已形成裂紋的尖端是三向拉應(yīng)力區(qū)。因而，氫原子易于通過位錯運動向裂紋尖端區(qū)域聚集?！?氫脆氫原子一般偏聚在裂紋尖端塑性區(qū)與彈性區(qū)的界面上，當(dāng)偏聚濃度再次達到臨界值時，便使這個區(qū)域明顯脆化而形成新裂紋。新裂紋與原裂紋的尖端相匯合，裂紋便擴展一段距離，隨后又停止。d）擴展直至斷裂再孕育、再擴展，最后，當(dāng)裂紋經(jīng)亞穩(wěn)擴展達到臨界尺寸時便失穩(wěn)擴展而斷裂。因此，氫致延滯斷裂的擴展方式是步進式。4）斷口形貌宏觀形貌：與脆性斷裂相似微觀形貌：§2氫脆KI高，穿晶韌窩；KI低，沿晶斷裂沿原A晶界斷裂，有撕裂棱雜質(zhì)含量降低，穿晶斷裂三、氫致延滯斷裂與SCC關(guān)系產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕時總是伴隨有氫的析出，析出的氫又易于形成氫致延滯斷裂。區(qū)別在于應(yīng)力腐蝕為陽極溶解過程，形成所謂的陽極活性通道而使金屬開開裂；而氫致延滯斷裂是陰極吸氫過程。采用極化試驗方法來判斷具體合金-化學(xué)介質(zhì)系統(tǒng)的斷裂究竟屬于哪種斷裂類型：§2氫脆當(dāng)外加小的陽極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時間的是應(yīng)力腐蝕外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時間的是氫致延滯斷裂2.在強度較低的材料中，或者雖為高強度材料但受力不大時，氫致開裂的斷裂源不在表面，而是在表面以下的某一深度處。3.氫致斷裂的主裂紋沒有分枝4.氫脆斷口一般較光亮，沒有腐蝕產(chǎn)物或腐蝕產(chǎn)物的量很少。49§2氫脆四、防止氫脆的措施1.環(huán)境因素設(shè)法切斷氫進入金屬的途徑，或者控制這條途徑上的某個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，延緩在這個環(huán)節(jié)上的反應(yīng)速度，使氫不進入或少進入金屬中。如采用表面涂層，使機件表面與環(huán)境介質(zhì)中的氫隔離。2.力學(xué)因素在機件設(shè)計和加工過程中，應(yīng)排除各種產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力的因素，相反，采用表面處理使表面獲得殘余壓應(yīng)力層，對防止氫致延滯斷裂有良好的作用。3.材質(zhì)因素含碳量較低且硫、磷含量較少的鋼，氫脆敏感性較低。鋼的強度越高，對氫脆越敏感。因此，對在含氫介質(zhì)中工作的高強度鋼的強度應(yīng)有所限制?！?氫脆第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂§3高聚物的環(huán)境脆性當(dāng)高聚物暴露在特定的環(huán)境中時，往往發(fā)現(xiàn)聚合物的強度和延伸率將會明顯減小的現(xiàn)象，稱為聚合物的環(huán)境脆性。在特定的環(huán)境介質(zhì)中使用時，由于環(huán)境介質(zhì)和應(yīng)力的共同作用會加速聚合物的開裂。把這種現(xiàn)象，稱為聚合物的環(huán)境應(yīng)力開裂使聚合物產(chǎn)生環(huán)境脆性或開裂的環(huán)境介質(zhì)很多如氧、水或水蒸氣及陽光中的紫外線輻照、各種酸和有機溶劑等。一、水性介質(zhì)中聚合物的脆性潮濕空氣、水、水蒸氣、NaOH溶液等，是使聚合物發(fā)生脆化的主要環(huán)境介質(zhì)。1）除與環(huán)境中的水分外，聚合物在環(huán)境介質(zhì)中的強度損失還與介質(zhì)的種類和接觸時間有關(guān)?！?高聚物的環(huán)境脆性與空氣中的斷裂強度相比，在水中短時浸泡后尼龍-66纖維的強度降低了約5%；在水中浸泡3小時后，其強度又降低了3%。在pH為0~2的鹽酸溶液中浸泡后，尼龍-66纖維的強度將會降低20%。2）環(huán)境介質(zhì)中的水分，還能使玻璃態(tài)聚合物引發(fā)銀紋所需的應(yīng)力或應(yīng)變大為降低（環(huán)境銀紋效應(yīng)）。有機玻璃吸水后，引發(fā)銀紋的臨界應(yīng)力σc逐漸下降。與干燥試樣相比，吸水率僅為0.3%時，σc

值就降低了40%，且銀紋變得又細又密。3）聚合物的環(huán)境脆性，也可用靜態(tài)疲勞曲線表征。在298K、相對濕度100%的環(huán)境中，聚酯的延遲斷裂強度隨時間的增加而直線下降；§3高聚物的環(huán)境脆性但同一工作應(yīng)力下，聚酯在323K、水環(huán)境中的延遲斷裂壽命更短、即脆性增大?！?高聚物的環(huán)境脆性二、有機溶劑體系中聚合物的應(yīng)力開裂由于有機溶劑的反應(yīng)活性高于水和空氣，環(huán)境的有機溶劑更容易通過擴散進入聚合物內(nèi)部及裂紋尖端。一方面使裂紋尖端發(fā)生腫脹，降低了材料了的表面能或裂紋擴展所需要的能量GC；另一方面，環(huán)境介質(zhì)通過使聚合物發(fā)生塑性化，轉(zhuǎn)變降低了聚合物開裂所需的臨界應(yīng)變和流變應(yīng)力，從而使聚合物的開裂傾向增大，加速了聚合物的應(yīng)力開裂。影響因素：高聚物所受的應(yīng)力水平越高，環(huán)境應(yīng)力開裂所需要的時間越短。介質(zhì)與聚合物溶解度參數(shù)的差異、及介質(zhì)向材料內(nèi)的擴散速率也是重要的控制因素§3高聚物的環(huán)境脆性銀紋長度a與試驗時間t、應(yīng)力場強度KI的關(guān)系為：1）從應(yīng)力場強度KI看，也存在應(yīng)力場強度的臨界值KIm，低于此臨界值時，銀紋不發(fā)生擴展。2）當(dāng)KIm＜KI＜KIn時，在給定的應(yīng)力場強度KI

下，銀紋的長度a與試驗時間t的平方根成正比結(jié)合銀紋長度a與應(yīng)力場強度KI的線性變化規(guī)律，可得出如下的關(guān)系：§3高聚物的環(huán)境脆性Ce是與聚合物種類和環(huán)境有關(guān)的常數(shù)；為流體的壓力。3）當(dāng)KI＞KIn后，銀紋先快速擴展張大，而后逐漸減慢到勻速擴展直至斷裂KIn隨試樣厚度的增加而增大；如果將試樣側(cè)面密封起來而不與溶劑接觸，則銀紋的擴展速率會明顯降低。三、紫外線輻照紫外線輻照，也會使聚合物的主分子鏈發(fā)生斷裂，抗銀紋開裂能力降低，從而產(chǎn)生脆性斷裂。第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂§4無機非金屬材料的環(huán)境脆性一、現(xiàn)象當(dāng)無機材料長期置于腐蝕性環(huán)境如潮濕氣體、水性溶液、有機溶劑等中使用，并受到外部機械載荷的影響時，材料的強度會隨時間的延長而降低；或材料內(nèi)部的裂紋將緩慢擴展。把這種現(xiàn)象稱為無機材料的應(yīng)力腐蝕破壞（應(yīng)力腐蝕斷裂），或無機材料的環(huán)境脆性?！?無機非金屬材料的環(huán)境脆性一、玻璃和陶瓷材料的環(huán)境脆性1.玻璃在潮濕的空氣環(huán)境中，硼硅酸玻璃的靜態(tài)疲勞曲線下移；同樣斷裂時間下，潮濕空氣中材料的強度約為干燥空氣的40%。玻璃的強度與環(huán)境的試驗溫度有關(guān)，存在一個強度明顯降低的溫度敏感區(qū)間當(dāng)溫度低于此溫度區(qū)間下限時，由于原子的活性小，空氣中的水分子擴散到裂紋尖端的速度較低，因而裂紋尖端的腐蝕速率較小。§4無機非金屬材料的環(huán)境脆性高于此溫度區(qū)間后，因材料表面水蒸氣吸附能力的下降，及高溫下裂紋尖端塑性變形能力的增加，材料發(fā)生脆化的程度較低。da/dt~KI曲線，可分為三個區(qū)域: