第八章材料在环境介质中的力学性能_材料的宏微观力学性能

b.应力腐蚀总是伴随有氢的析出，析出的氢又易于形 成氢致延滞断裂
氢脆与应力腐蚀的关系
不同点 极化曲线 断 口 形 貌 不 同
应力腐蚀：阳极溶解过程
极化曲线
氢脆：阴极吸氢过程
4.防止氢脆的措施
环境因素：切断氢进入金属中的途径，或者控制这条途径 上的某个关键环节，延缓在这个环节上的反应 速度，使氢不进入或少进入金属中 力学因素：排除各种产生残余拉应力的因素; 采用表面处 理使表面获得残余压应力层
细长 裂纹
解释 氢溶解度的减小(因为温度降低)而过饱和，聚集 形成氢分子，应力集中
氢、氢脆及其类型
氢化物致脆
氢与某些金属有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，使 金属脆化 断口特征：断口上可见氢化物 典型实例： 室温下，钛与氢形成氢化钛(TiHx)而产生氢脆 氢化物致脆与材料微结构的关系 晶体晶粒粗大，氢化物在晶界上呈薄片状、产生较大的应 力集中;若晶粒较细，氢化物多呈块状不连续分布，对金属 危害较小。
应力腐蚀抗力指标
若已知第二阶段的 da / dt 以及第二阶段结束时的K I 便可估算材料的剩余寿命
aC a0 tf da / dt
lg da / dt
KI
其中 aC 可由 K I 求出
应力腐蚀机理
1.阳极快速溶解机理
该理论认为裂纹一旦形成，裂纹尖端的应力集中将导致裂纹尖端前沿区 发生迅速屈服，晶体内位错沿着滑移面连续到达裂纹尖端前沿表面，产 生大量瞬间活性溶解质点，导致裂纹尖端(阳极)快速溶解
在外加应力作用下，氢原子易于通 过位错运动向裂纹尖端区域聚集。
氢原子偏聚在裂纹尖端塑性区与 弹性区的界面上，当偏聚浓度再 次达到临界值时，便使此区域明 显脆化而形成新裂纹 新裂纹与原裂纹的尖端相汇合， 裂纹便扩展一段距离，随后停止
裂纹再孕育，再扩展 最后达到临界尺寸 失稳扩展而断裂
此时，电阻的变化证实了 裂纹扩展的特征 电阻呈阶跃性的增大
防止应力腐蚀措施
应力腐蚀的产生条件和影响因素决定了应力腐蚀的控制 方法 1.合理选材 尽量避免金属或合金在容易发生应力腐蚀的环境介质中使用 2.控制应力
减少或消除机件中的残余应力 ，减少机件上的应力集中
3.改善环境介质
一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子， 另一方面，也可在介质中添加缓蚀剂
含Cl- 、Br - 、I-水溶液、 N2O4 、甲醇、三氯乙烯、有机酸
应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征
3.应力腐蚀断裂特征 宏观上： 脆性断裂、无颈缩、无杯锥状现象 断口表面呈黑色或灰黑色 常有分叉现象，呈枯树枝状 微观上： 可见到泥状花样的腐蚀产物
沿晶断裂型
应力腐蚀抗力指标
1.门槛应力 SCC 将无裂纹拉伸试样放入腐蚀介 质中，加恒应力 经过一定的孕育期后就会产生 应力腐蚀开裂，直至断裂 特点： 外加应力的下降，断裂时间增长 腐蚀介质 试样 外加应力小于某一临界值时，试 样在规定的时间内并不发生应力 腐蚀断裂
外加应力小于某一临界值时，试 样在规定的时间内并不发生应力 腐蚀断裂
定义：能产生氢脆延滞腐蚀断裂的最小应力
氢致延滞断裂抗力指标
2.应力腐蚀临界强度因子
K C
应力强度因子为 K 1 应力强度因子为 K 2
可见：
t f1 tf2
K 1
K 2
t f1 t f 2
பைடு நூலகம்
断裂时间是随着应力强度因子 的降低而增加
引言
环境敏感断裂分类：
零件的受力状态
静应力 环境介质 应力腐蚀 氢脆
交变应力
摩擦力
振动力
环境介质
腐蚀疲劳 磨损腐蚀 微动腐蚀
本章研究内容
8.2 应力腐蚀断裂
应力腐蚀断裂定义、产生条件和断裂特征
应力腐蚀抗力指标
应力腐蚀断裂机理 防止应力腐蚀的措施
应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征
1.应力腐蚀(Stress Corrosion Cracking，SCC) 材料在特定腐蚀介质和静应力共同作用下发生的 脆性断裂
氢、氢脆及其类型
1.氢脆的类型 氢蚀 氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界 结合力减弱而导致金属脆化
断口特征
宏观：呈氧化色，颗粒状
微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂
典型实例：碳钢在300～500度的高压氢气环境中的脆性断裂
氢、氢脆及其类型
白点：
也称发裂
椭圆形 斑点 典型实例 锻造后急冷的钢
应力腐蚀机理
外加应力增大时，膜仍然保持完整，但 造成位错在滑移面塞积
当外力达到一定程度时，位错开动后膜破 裂 ，当滑移台阶高度远大于膜厚时，容易 暴露出新鲜的基体金属 隧洞
基体金属与介质发生验机快速溶解，形成 隧洞
应力腐蚀机理
隧洞表面又形成表面钝化膜，造成位 错重新塞积
在应力和介质的作用下，位错再次开 动表面膜破裂，又开始无膜区，暴露 金属又产生快速溶解 隧洞 长大 如此重复上述步骤，最终导致穿 晶断裂
应力腐蚀抗力指标
3.裂纹扩展速率 da / dt
当 K I 刚超过 KSCC时，裂纹快速扩 展，曲线几乎与纵坐标轴平行 曲线出现水平线段，da / dt 与K I 几乎无关。此时裂纹尖端发生 分叉现象，裂纹扩展主要受电 化学过程控制
裂纹长度已接近临界尺寸 , da / dt 随 K I 增大而急剧增大 , 当 K I 到达 K C 时便失稳扩展而断裂
材质因素： 选用对氢脆不敏感的材料，如含碳量低且硫、 磷含量较少的钢
8.3 腐蚀疲劳
腐蚀疲劳定义及其特点
腐蚀疲劳机理
腐蚀裂纹扩展模型 防止腐蚀疲劳的措施
腐蚀疲劳定义及其特征
氨蒸汽、汞盐溶液、含SO2大气、氨溶液、三氯化铁、硝酸溶液 氢氧化钠溶液、高纯水蒸气 氯化钠水溶液、海水、水蒸气、含SO2 大气、熔融氯化钠、含Br - 、 I-水溶液 硝酸、氢氧化钠、氰氟酸溶液、蒸馏水、 NaOH- H2O2溶液、 NaCl-K2CrO4溶液、海洋大气、 SO2-CO2湿空气
钛合金
常用金属发生应力腐蚀的敏感介质
合金 腐蚀介质
低碳钢
碳钢和低 合金钢 高强度钢
热硝酸盐溶液、碳酸盐溶液、过氧化氢
氢氧化钠、三氯化铁溶液、氢氰酸、海水、沸腾氯化镁 (w(MgCl2)=42%)溶液、 蒸馏水、潮湿大气、氯化物溶液、硫化氢
奥氏体不 锈钢
铜合金 镍合金 铝合金 镁合金
氯化物溶液、高温高压含氧高纯水、海水、F-、Br - 、NaOH-H2S 水溶液、 NaCl-H2SO2水溶液
裂纹
拉应力
定义：能产生应力腐蚀断裂的最小应力
应力腐蚀抗力指标
2.应力腐蚀临界强度因子 K SCC
应力强度因子为 K 1 应力强度因子为 K 2
可见：
t f1 tf2
K 1
K 2
断裂时间是随着应力强度因子 的降低而增加
t f1 t f 2
应力腐蚀临界应力强度因子：当应力小于某一临界值时， 在规定的时间内不发生应力腐蚀断裂，能产生应力腐蚀 断裂的最小应力强度因子定义为 K SCC 大多数金属材料，在特定的化学介质中 K SCC 值是一定的。可 作为金属材料的力学性能指标。
氢、氢脆及其类型
断口特征： 宏观 与一般的脆性断裂相似
微观 沿晶断裂，晶界上有许多撕裂棱 也可能是穿晶断裂
氢致延滞断裂抗力指标
1.门槛应力 SCC 裂纹 拉应力 将无裂纹拉伸试样放入腐蚀介 质中，加恒应力 经过一定的孕育期后就会产生 应力腐蚀开裂，直至断裂 特点： 外加应力的下降，断裂时间增长 腐蚀介质 试样
氢及其在金属中的行为
氢的来源 内部：金属在熔炼过程中及随后的加工制造过程 中吸收的氢 如焊接、酸洗、电镀过程 外来：金属机件在服役时从含氢环境介质中吸收的氢 如含有氢气和硫化氢的环境、水溶液、潮 湿空气等 由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的 现象，称为氢脆断裂 (简称氢脆，hydrogen embrittlement)
2. 位错理论对氢脆的解释
a. 裂纹形成 氢聚集位错处形成Conttrell气团 氢在 位错 处塞 积， 形成 应力 集中
外应力促进位错运动，而此时 Conttrell气团随位错运动而运动 位错与气团运动遇到障碍时，产 生位错塞积，同时氢原子在塞积 处聚集
应力 足够 大， 形成 裂纹
b.裂纹扩展特征
c.闭塞区内进行自催化的腐蚀，在拉应力作用下使裂纹 扩展，直至断裂
应力腐蚀机理
3.钝化膜理论 这种理论认为，金属表面有钝化膜覆盖，并不直接与介质接 触。在应力或活性离子的作用下易引起钝化膜破裂，露出活 性的金属表面。介质沿着某一择优途径浸入并溶解活性金属， 最终导致应力腐蚀断裂
断裂过程：
氧化膜 完整的膜形成，由于应力小，氧 化膜较完整、塑性好
定义：能产生氢致延滞腐蚀断裂的最小应力强度因子
氢致延滞断裂抗力指标
3.裂纹扩展速率 da / dt
当 K I 刚超过 K H 时，裂纹快速扩 展，曲线几乎与纵坐标轴平行 曲线出现水平线段，da / dt 与K I 几乎无关。此时裂纹尖端发生 分叉现象，裂纹扩展主要受电 化学过程控制
Ⅰ
裂纹长度已接近临界尺寸 , da / dt 随 K I 增大而急剧增大 , 当 K I 到达 K C 时便失稳扩展而断裂
裂纹尖端溶解速度与裂纹扩展速度的关系
ia vnF / m
试验验证举例 不锈钢在沸腾的氯化镁溶液中，无 应力时，电流为10-5 A/mm2，有应力 作用时为0.4～2A/mm2 ，相当于裂纹 尖端扩展速度为0.5～5mm/h
应力腐蚀机理
2.闭塞电池理论
a.在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺 陷处形成微蚀孔或裂纹源 b.微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容 易对流和扩散，形成所谓闭塞区
氢、氢脆及其类型
氢致延滞断裂
含有适量固溶态氢的金属，在低于屈服强度的应力持续作用 下，形成裂纹并扩展，最后突然发生脆性断裂。这种因为氢 的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂 特点：
a.只在一定温度范围内出现
b.提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低
c.降低金属材料的延伸率，但有一限值；断面收缩率则随含氢 量增加不断下降，材料强度越高，下降越剧烈
应力腐蚀 应力＋腐蚀
要点：
静应力很小，介质腐蚀性不一定强
应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征
2.应力腐蚀产生条件 敏感材料： 合金比纯金属更容易发生应力腐蚀断裂 如纯铁在热硝酸盐中不发生腐蚀，含碳量 达0.04％发生腐蚀
特定介质：对于某种材料，只有在特定的介质中，才 能产生应力腐蚀 应力： 工作应力或者残余应力，应力多为拉应力， 也有压应力
热环境：高温
引言
2.环境敏感断裂 应力与化学环境介质协同作用引起材料力学性能下降、甚 至出现提早断裂的现象
3.研究的重要性
近代工业对材料力学性能的要求越来越高，而环境介质却 越来越苛刻，往往潜存着环境敏感断裂的威胁 材料在环境介质作用下的力学性能是一个广泛涉及各个工 业部门的重要实际问题，日益受到工程设计人员及材料科 学工作者的重视
氢脆与温度和形变速率的关系 形成氢气团 氢气团对 位错钉扎 位错塞积 应力集中 氢致 延滞 断裂
？：氢脆只出现于一定形变速率和一定温度范围内
温度很低
氢原子扩散速 率慢，跟不上 位错运动，不 足以形成气团
不发生 氢 致 不发生 延 滞 断 裂 发生
形 变 速 率 一 定
温度太高
氢原子扩散速率很 快，极容易形成气 团，但极易离开气 团向周围扩散
温度适当
形式气团 ，伴随着位错 运动，氢易聚集于裂纹 顶端塑性区，以脆化
形变速率因素： 形变速率增大 位错运动速度增大 氢脆产生
温度升高
形变速率足够高，温度再高也不能让氢原子 跟上位错运动，则无法发生氢脆
3.氢脆与应力腐蚀的关系
共同点： a. 应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象。 应力 腐蚀介质 应力
本章内容
8.1 引言 8.2 应力腐蚀断裂 8.3 氢脆 8.4 腐蚀疲劳 8.5 材料在环境介质作用下力学性能的研究方法
引言
工程实例：
环境介质与外 力的共同作用
引言
1. 环境介质 a.构件总是在一定的环境介质下服役 b.环境介质：固体、气体、液体 c.环境介质的作用分类 化学介质：海水，酸，潮湿空气 辐射环境：电磁腐蚀
4. 采用电化学保护 阴极保护法
8.3 氢脆
氢脆的类型
位错理论对氢脆的解释 氢脆与应力腐蚀的关系 防止氢脆的措施
氢及其在金属中的行为
很少 氢 对 金 属 的 作 用 益处 钛合金，氢可作为临时合金元素来 改善其热加工性能及室温机械性能
金属氢化物可用作储氢材料或电池 材料 害处 氢脆断裂
主导 作用 导致多 种形式 失效