工程材料力學(xué)性能腐蝕

工程材料力學(xué)性能腐蝕第一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日環(huán)境介質(zhì)作用下的失效分析環(huán)境介質(zhì)

環(huán)境――指機(jī)電產(chǎn)品工作現(xiàn)場的氣氛、介質(zhì)和溫度等外界條件。

環(huán)境失效的主要模式是腐蝕金屬零件腐蝕損傷是指金屬材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)及電化學(xué)作用而遭受的變質(zhì)和破壞。

第二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日環(huán)境介質(zhì)作用下的失效分析金屬腐蝕失效――點蝕、大氣腐蝕、接觸腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫脆、腐蝕疲勞、液態(tài)金屬脆等。金屬腐蝕每年造成的損失巨大。

第三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日第一節(jié)應(yīng)力腐蝕斷裂的分析與判斷金屬構(gòu)件在靜應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下所導(dǎo)致的脆性斷裂為應(yīng)力腐蝕斷裂。應(yīng)力腐蝕的條件應(yīng)力腐蝕的特點應(yīng)力腐蝕的斷口特征第四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的條件引起應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力一般為拉應(yīng)力。純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞。金屬材料只有在特定的活性介質(zhì)中才發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，即對于一定的金屬材料，需要有一定特效作用的離子、分子或絡(luò)合物才會導(dǎo)致構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕斷裂。

第五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的特點應(yīng)力腐蝕斷裂屬脆性損傷，即使是延性極佳的材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂時也是脆性斷裂。斷口平齊，與主應(yīng)力垂直，沒有明顯的塑性變形痕跡，斷口形態(tài)呈顆粒狀。應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，而且腐蝕裂紋常常被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，從外表很難觀察到。因此，應(yīng)力腐蝕斷裂成為不易預(yù)防，危害性極大的斷裂。第六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的特點應(yīng)力腐蝕試樣持續(xù)加載時，應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展大體上由三個階段組成。

第七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的特點焊接、冷加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和組織變化很容易成為應(yīng)力腐蝕的力學(xué)原因，甚至不同合金的膨脹系統(tǒng)的差別也可能成為應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力源。應(yīng)力腐蝕斷裂的速度比機(jī)械快速脆斷慢得多，但應(yīng)力腐蝕斷裂的速度比點蝕等局部腐蝕速度快得多。金屬材料在腐蝕環(huán)境中所經(jīng)歷的過程也很重要，如果在腐蝕性環(huán)境中呆一段時間，然后再干燥一段時間，再重新處于腐蝕性環(huán)境中時，其腐蝕速率更快。

第八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的斷口特征斷口的宏觀特征：斷口平直，并與正應(yīng)力垂直，沒有剪切唇口，沒有明顯的塑性變形，斷口表面有時比較灰暗，這通常是由于有一層腐蝕產(chǎn)物所覆蓋。應(yīng)力腐蝕斷裂起源于表面，且為多源，起源處表面一般存在腐蝕坑，且存在有腐蝕產(chǎn)物，離源區(qū)越近，腐蝕產(chǎn)物越多。腐蝕斷裂斷口上一般沒有放射狀花樣。斷口的微觀形貌：解理或準(zhǔn)解理、沿晶斷裂或混合型斷口。第九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的斷口特征高強(qiáng)度鋁合金典型特征是沿晶斷裂，并在晶界面上有腐蝕產(chǎn)生的痕跡。鋁合金應(yīng)力腐蝕斷口上還可以看到另一種泥紋狀花樣，平坦面上分布著龜裂裂紋，平坦面并不是斷口金屬的真實面貌，而是晶界面上覆蓋了厚厚一層腐蝕產(chǎn)物。

第十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的斷口特征奧氏體不銹鋼在氯離子介質(zhì)中主要是穿晶斷裂，而300系列不銹鋼在海洋性大氣介質(zhì)中除產(chǎn)生沿晶斷裂之外。還可見到韌窩。應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展的早期斷面上可以見到泥紋花樣。呈河流花樣或扇形的準(zhǔn)解理形貌是面心立方金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的又一典型特征。應(yīng)力腐蝕的微觀斷口上還常見二次裂紋，沿晶界面上一般存在腐蝕溝槽，棱邊不大平直。應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展過程中會發(fā)生裂紋分叉現(xiàn)象，即在應(yīng)力腐蝕開裂中裂紋擴(kuò)展時有一主裂紋擴(kuò)展得最快，其余是擴(kuò)展得較慢的支裂紋。第十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日應(yīng)力腐蝕的斷口特征亞臨界裂紋擴(kuò)展中，裂紋分叉可分為兩種，其中一種是微觀分叉，這種分叉表現(xiàn)為裂紋前沿分為多個局部裂紋，這些分叉裂紋的尺寸都在一個晶粒直徑范圍之內(nèi)。另一種是宏觀分叉，分叉的尺寸較大，有時可達(dá)幾個毫米，甚至厘米。這種應(yīng)力腐蝕裂紋分叉現(xiàn)象在鋁合金、鎂合金、高強(qiáng)度鋼及鈦合金中都可以見到。人們用應(yīng)力腐蝕這一特征來區(qū)分實際斷裂構(gòu)件是應(yīng)力腐蝕還是腐蝕疲勞、晶間腐蝕或其他斷裂方式。第十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日第二節(jié)氫致破斷失效的

分析和判斷由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，從而使金屬零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力持續(xù)作用下導(dǎo)致的失效稱為氫致破斷失效，俗稱氫脆。氫脆的類型及特點氫的來源氫在金屬中存在的形式與作用氫脆的斷口特征金屬零件氫脆斷裂失效性質(zhì)判別氫脆與應(yīng)力腐蝕斷裂的比較第十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆的類型及特點根據(jù)氫的來源可分為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆；根據(jù)應(yīng)變速度與氫脆敏感性的關(guān)系可分為第一類氫脆和第二氫脆；根據(jù)經(jīng)過低速度變形，去除載荷，靜止一段時間再進(jìn)行高速變形時其塑性能否恢復(fù)，又可分為可逆性氫脆和不可逆性氫脆。

第十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆的類型及特點1、第一類氫脆1)這種氫脆裂紋都是由于金屬內(nèi)部氫含量過高所造成的。2)在材料承受載荷之前金屬內(nèi)部已經(jīng)存在某些斷裂源，在應(yīng)力作用下加快了這些裂紋的擴(kuò)展。3)屬于不可逆氫脆，當(dāng)裂紋已經(jīng)形成，再除氫也無濟(jì)于事。氫蝕、氫分子氣泡及氫化物氫脆均屬于此類。第十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆的類型及特點2、第二類氫脆1)變形速度對氫脆影響很大，變形速度增加，金屬的氫脆敏感性下降，變形速度降低，金屬的氫脆敏感性增加。2)氫脆裂紋源的萌生與應(yīng)力有關(guān)。裂紋源的生成是應(yīng)力和氫交互作用下逐步形成，加載之前并不存在裂紋源。3)其中有些氫脆是可逆的，有些是不可逆的。

第十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫的來源金屬材料在加工、制造過程中，以及在使用環(huán)境下很容易受到氫的浸入。氫原子具有最小的原子半徑，所以易于進(jìn)入金屬，隨后在靜應(yīng)力作用下，向應(yīng)力高的部位擴(kuò)散聚集，由原子變?yōu)榉肿?，此時在氫聚集的部位會產(chǎn)生巨大的體積效應(yīng)，導(dǎo)致氫脆。第十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫的來源氫進(jìn)入金屬的方式主要有三種：1、在冶煉、焊接及熱處理過程中進(jìn)入的氫：由于氫在金屬材料中的溶解度隨著溫度而變化，當(dāng)溫度降低或組織轉(zhuǎn)變，氫的溶解度由大變小時，氫便從固溶體中析出，而由于凝固或冷卻速度較快，跑不出去，就殘留在金屬材料基體內(nèi)。2、在電鍍、酸洗及放氫型腐蝕環(huán)境中產(chǎn)生的氫：這類氫通常在化學(xué)或電化學(xué)處理中進(jìn)入。這種過程最突出的就是電鍍、酸洗及腐蝕。3、在使用環(huán)境下氫的滲入：金屬材料處于在高溫的氫氣氛中，以致氫進(jìn)入金屬促進(jìn)氫脆。特別是當(dāng)溫度高于400C。第十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫在金屬中存在的形式與作用氫并不能以分子狀態(tài)滲入金屬材料中，氣相的氫滲入鋼中只能通過部分或全部地在鋼表面上分解或電離后進(jìn)入。陰極反應(yīng)過程中生成的是氫原子，而不是氫分子。由于氫原子具有高度的化學(xué)活潑性，它首選吸附在金屬表面上，然后有一部分氫原子脫附而生成氫分子，另一部分氫原子擴(kuò)散滲入金屬內(nèi)部被吸收。第十九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫在金屬中存在的形式與作用氫進(jìn)入金屬之后，部分氫可能解離成離子和電子，這種氫離子被電子所束縛，活動能力降低。而以原子存在的氫則并不被靜電所吸引，它們在濃度梯度下擴(kuò)散而占據(jù)晶體點陣中的空隙、結(jié)點、空穴等缺陷處。在高強(qiáng)鋼中，這種呈原子態(tài)的氫是產(chǎn)生氫脆的主要作用者。第二十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫在金屬中存在的形式與作用以分子態(tài)存在的氫活動能力較差，多存在于金屬的缺陷處，不易從金屬中逸出。氫還可以氫化物的形式存在于金屬材料的晶界處，使晶界脆化。因此，氫在金屬中以離子態(tài)存在時相對比較穩(wěn)定，其它存在方式都會在金屬中產(chǎn)生氫分布的局部化，位借、晶界、沉淀相及夾雜與基體的界面、氣孔等缺陷處均是氫易于聚集的地方。此外，制品根部、微裂紋尖端處等應(yīng)力集中的區(qū)域，氫與局部應(yīng)力場交互作用，在此處形成氫的局部高濃度偏聚。有關(guān)氫脆斷裂的機(jī)制分別有氫氣壓力假設(shè)、位錯假設(shè)、氫吸附假設(shè)和晶格脆化假設(shè)等，但至今尚沒有一種完善的理論。

第二十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆的斷口特征

1、金屬氫脆的斷口宏觀形貌特征氫脆不是一種獨立的斷裂機(jī)制，氫的加入只是有助于某種斷裂機(jī)制，如解理斷裂或沿晶斷裂的作用。其斷裂的方式可能是沿晶的，也可能是穿晶的，或是兩者的混合。氫脆斷口宏觀形貌主要特征是：斷口附近無宏觀塑性變形，斷口平齊，結(jié)構(gòu)粗糙，氫脆斷裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀，色澤為亮灰色，斷面干凈，無腐蝕產(chǎn)物。非氫脆斷裂區(qū)呈暗灰色纖維狀，并伴有剪切唇邊。

第二十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆的斷口特征

1、金屬氫脆的斷口宏觀形貌特征高強(qiáng)度鋼氫脆斷裂新鮮斷口宏觀形貌，往往在灰色的基體上顯示出銀白色的亮區(qū)；在大截面鍛件的斷口上可觀察到白點；在小型零件或絲材斷口邊沿上可觀察到白色亮環(huán)。放大觀察時可看到細(xì)小的裂紋(即發(fā)裂)。氫脆斷裂源可在表面，也可在次表層，與拉伸應(yīng)力水平、加載速率及缺口半徑、氫濃度的分布等因素有關(guān)。但大多在零件表皮下三向應(yīng)力最大處。只有當(dāng)表面存在尖角或截面突變等應(yīng)力集中時，氫脆斷裂源才有可能產(chǎn)生于表面。第二十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆的斷口特征

1、金屬氫脆的斷口宏觀形貌特征在氫脆斷裂宏觀斷口上，粗大棱線收斂方向即氫脆裂縫萌生區(qū)。氫脆斷裂源大多在零件表皮下與氫在表面容易逸出及表面為二維應(yīng)力有關(guān)，氫脆斷裂對三向應(yīng)力非常敏感。第二十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆的斷口特征

2、金屬氫脆斷口微觀形貌金屬氫脆斷口微觀形貌一般顯示沿晶分離，也可能是穿晶的、沿晶分離系沿晶界發(fā)生的沿晶脆性斷裂，呈冰糖塊狀。斷口的晶面平坦，沒有附著物，有時可見白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條，這種線條

是晶界最后斷裂位置的反映，并存在大量的雞爪形的撕裂棱。

第二十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日金屬零件氫脆斷裂失效性質(zhì)判別判斷依據(jù)：1、宏觀斷口表面潔凈，無腐蝕產(chǎn)物，斷口平齊，有放射花樣。氫脆裂區(qū)呈結(jié)晶顆粒狀亮灰色；2、顯微裂縫呈斷續(xù)而曲折的鋸齒狀，裂紋一般不分叉；3、微觀斷口沿晶分離，晶粒輪廊鮮明，晶界面上伴有變形線(發(fā)紋線或雞爪痕)，二次裂紋較少，撕裂棱或韌窩較多；4、失效部位應(yīng)力集中嚴(yán)重，氫脆斷裂源位于表面；應(yīng)力集中小，氫脆斷裂源位于次表面；5、失效件存在工作應(yīng)力主要是靜拉應(yīng)力，特別是三向靜拉應(yīng)力；

第二十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日金屬零件氫脆斷裂失效性質(zhì)判別6、氫脆斷鮮明的臨界應(yīng)力極限隨著材料強(qiáng)度的升高而急劇下降；一般硬度低于HRC=22時不發(fā)生氫脆斷裂而產(chǎn)生鼓泡。7、一般鋼中的含氫量在(5~10)*10-6以上時就會產(chǎn)生氫致裂紋，但對高強(qiáng)鋼，即使鋼中含氫量在1*10-6以下，由于應(yīng)力的作用，處在點陣間隙中的氫原子會通過擴(kuò)散集中于缺口所產(chǎn)生的應(yīng)力集中處，氫原子與位錯的交互作用，使位錯線被釘扎住，不能再自由活動，從而使基體變脆。第二十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆與應(yīng)力腐蝕斷裂的比較氫脆與應(yīng)力腐蝕斷裂是很難分開的，尤其是高強(qiáng)度鋼及某些高強(qiáng)度鋁合金、鈦合金，要嚴(yán)格區(qū)分則更加困難。兩種模式在斷口形貌特征上的區(qū)別有：1、應(yīng)力腐蝕斷裂起源于表面，而氫脆起源于亞表面；2、應(yīng)力腐蝕斷裂沿晶區(qū)有較多、較深的二次裂縫或蝕坑；而氫脆沒有或很少；3、應(yīng)力腐蝕斷裂的晶粒界面常有蝕坑、腐蝕溝痕，晶粒輪廓外形亦顯得圓滑；而氫脆的晶界面上常有變形線(發(fā)紋線或雞爪痕)，晶粒輪廓鮮明；

第二十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期日氫脆與應(yīng)力腐蝕斷裂的比較4、應(yīng)力腐蝕斷裂區(qū)沒有宏觀放射花樣，也無韌窩花樣，而氫脆斷裂區(qū)常伴有撕裂韌窩，并有宏觀放射花樣；5、應(yīng)力腐蝕裂源區(qū)及其附近常有腐蝕產(chǎn)物，多有泥紋花樣；而氫脆斷裂則不應(yīng)有。裂紋特征大不相同，應(yīng)力腐蝕裂紋易分叉，因而常呈多條裂紋或是樹枝狀；而氫脆裂紋幾乎不分叉。應(yīng)力腐蝕與氫脆開裂條