材料力学性能课件(金属的应力腐蚀和氢脆断裂)PPT课件
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第06章金属的应力腐蚀和氢脆断裂
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测定金属材料的K 测定金属材料的 ISCC 值可用恒载荷法或恒位 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用， 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所 用试样与测定的K 的三点弯曲试样相同， 用试样与测定的 IC 的三点弯曲试样相同 ， 装置见 图6-6。 。 裂纹尖端的ΚⅠ可用公式（6-2）计算。 裂纹尖端的 可用公式（ ）计算。
（6-2） ） 通过做出Κ 的关系图线， 通过做出 Ⅰ初 — lgtf的关系图线，便可从曲线 的水平部分所对应的Κ 值即为材料的Κ 的水平部分所对应的 Ⅰ初值即为材料的 Ⅰscc。
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2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt 、应力腐蚀裂纹扩展速率 当应力腐蚀裂纹尖端的K 当应力腐蚀裂纹尖端的 I>KISCC时，裂纹就会 不断扩展。 不断扩展。 单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 单位时间内裂纹的扩展量称为 应力腐蚀裂纹 扩展速率， 扩展速率，da/dt。 。
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2、微观特征 断口的微观形貌一般为沿晶断裂 沿晶断裂， ⑴ 断口的微观形貌一般为 沿晶断裂 ， 也可能 为穿晶断裂。 穿晶断裂。 ⑵ 其表面可见到 “ 泥状花样 ” 的 腐蚀产物 （见图6-3a）及腐蚀坑（见图 见图 ） 腐蚀坑（见图6-3b）。 ） 应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象 显微裂纹有分叉现象， ⑶ 应力腐蚀的 显微裂纹有分叉现象 ， 呈枯树 枝状，如图所示。表明应力腐蚀时， 枝状 ， 如图所示 。 表明应力腐蚀时 ， 有一主裂纹 扩展较快，其它分枝扩展较慢， 扩展较快 ，其它分枝扩展较慢， 根据这一特征可 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。
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4、 采用电化学保护 使金属远离电化学腐蚀 、 采用电化学保护使金属远离电化学腐蚀 敏感电位区域 敏感电位区域 因为金属在化学介质中只有在一定的电极电 位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此采用外加 位范围内才会产生应力腐蚀现象 ， 因此采用外加 电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应 电位的方法， 力腐蚀敏感电位区域，也是一种防止措施。 力腐蚀敏感电位区域， 也是一种防止措施 。 一般 采用阴极保护法。 采用 阴极保护法。此方法不适用于高强度钢和其 阴极保护法 它氢脆敏感材料。 它氢脆敏感材料。
测定金属材料的K 测定金属材料的 ISCC 值可用恒载荷法或恒位 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用， 移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所 用试样与测定的K 的三点弯曲试样相同， 用试样与测定的 IC 的三点弯曲试样相同 ， 装置见 图6-6。 。 裂纹尖端的ΚⅠ可用公式（6-2）计算。 裂纹尖端的 可用公式（ ）计算。
（6-2） ） 通过做出Κ 的关系图线， 通过做出 Ⅰ初 — lgtf的关系图线，便可从曲线 的水平部分所对应的Κ 值即为材料的Κ 的水平部分所对应的 Ⅰ初值即为材料的 Ⅰscc。
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2、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt 、应力腐蚀裂纹扩展速率 当应力腐蚀裂纹尖端的K 当应力腐蚀裂纹尖端的 I>KISCC时，裂纹就会 不断扩展。 不断扩展。 单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹 单位时间内裂纹的扩展量称为 应力腐蚀裂纹 扩展速率， 扩展速率，da/dt。 。
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2、微观特征 断口的微观形貌一般为沿晶断裂 沿晶断裂， ⑴ 断口的微观形貌一般为 沿晶断裂 ， 也可能 为穿晶断裂。 穿晶断裂。 ⑵ 其表面可见到 “ 泥状花样 ” 的 腐蚀产物 （见图6-3a）及腐蚀坑（见图 见图 ） 腐蚀坑（见图6-3b）。 ） 应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象 显微裂纹有分叉现象， ⑶ 应力腐蚀的 显微裂纹有分叉现象 ， 呈枯树 枝状，如图所示。表明应力腐蚀时， 枝状 ， 如图所示 。 表明应力腐蚀时 ， 有一主裂纹 扩展较快，其它分枝扩展较慢， 扩展较快 ，其它分枝扩展较慢， 根据这一特征可 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。 将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。
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4、 采用电化学保护 使金属远离电化学腐蚀 、 采用电化学保护使金属远离电化学腐蚀 敏感电位区域 敏感电位区域 因为金属在化学介质中只有在一定的电极电 位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此采用外加 位范围内才会产生应力腐蚀现象 ， 因此采用外加 电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应 电位的方法， 力腐蚀敏感电位区域，也是一种防止措施。 力腐蚀敏感电位区域， 也是一种防止措施 。 一般 采用阴极保护法。 采用 阴极保护法。此方法不适用于高强度钢和其 阴极保护法 它氢脆敏感材料。 它氢脆敏感材料。
《材料力学性能》PPT课件
反向加载，规定残余伸长应力降低的现象。
注：所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包辛格效应。 可用来研究材料加工硬化的机制。
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消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶
温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退 火。
如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大， 则也得到弹性滞后环（图b） 。
如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图 c） 。
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金属的循环韧性
定义：
金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功 的能力，也称为金属的内耗或消振性。
意义：
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
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第1章 静载荷下材料的力学性能
1.1 应力-应变曲线
拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试 验方法之一。本章将详细讨论金属材料在单向拉 伸静载荷作用下的基本力学性能指标如：屈服强 度、抗拉强度、断后伸长率和断面伸长率等。
循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以 高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振 动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。
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1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
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包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残 余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余 伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；
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注：所有退火状态和高温回火的金属与合金都有包辛格效应。 可用来研究材料加工硬化的机制。
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消除包申格效应的方法：
(1) 预先进行较大的塑性变形； (2) 在第二次反向受力前先使金属材料于回复或再结晶
温度下退火，如钢在400-500℃，铜合金在250-270℃退 火。
如果施加交变载荷，且最大应力低于宏观弹性极限，加载速率比较大， 则也得到弹性滞后环（图b） 。
如果交变载荷中最大应力超过宏观弹性极限，就会得到塑性滞后环（图 c） 。
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金属的循环韧性
定义：
金属材料在交变载荷（或振动）下吸收不可逆变形功 的能力，也称为金属的内耗或消振性。
意义：
材料力学性能指标具体数值的高低表示材料 抵抗变形和断裂能力的大小，是评定材料质 量的主要依据。
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第1章 静载荷下材料的力学性能
1.1 应力-应变曲线
拉伸试验是工业上应用最广泛的基本力学性能试 验方法之一。本章将详细讨论金属材料在单向拉 伸静载荷作用下的基本力学性能指标如：屈服强 度、抗拉强度、断后伸长率和断面伸长率等。
循环韧性越高，机件依靠自身的消振能力越好，所以 高循环韧性对于降低机器的噪声，抑制高速机械的振 动，防止共振导致疲劳断裂意义重大。
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1.2.4、包申格效应（Bauschinger）
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包申格效应的定义：
金属材料经过预先加载产生少量塑性变形，残 余应变约1-4%，卸载后再同向加载，规定残余 伸长应力（弹性极限或屈服强度）增加；
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应力腐蚀和氢脆PPT课件
命明显缩短，冲击韧性值显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下， 材料经过一段时期后会突然脆断。
第39页/共78页
• 在近代工业发展中，大量的实践证明，几乎所有 的金属材料都有程度不同的氢脆倾向，高强度钢 含氢不到 百万分之一量级就引起滞后破坏便是一 例。
• 而氢又是石油化工工业中的重要原料和工作介质， 钢材长期和氢接触，不但可能变脆，而且在较高 温度下还可能被氢腐蚀。
• 应力腐蚀的裂纹扩展速率较小，有点象疲劳， 是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达 到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外 载时，就突然发生断裂。
第14页/共78页
• 应力腐蚀断裂速度为0.01～3mm/h，远远大于 无应力存在下的局部腐蚀速度（如孔蚀等）， 但又比单纯力学断裂速度小得多。
• 例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106 倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级， 这主要由于纯力学断裂通常对应的应力水平要 高得多。
能力知识点3 提高应力腐蚀抗力的措施
第31页/共78页
降低和消除应力
• 在加工(如热处理、焊接、电镀等)和装配过程中，应尽量避免产 生残余拉应力，或者在加工中采取必要的消除应力措施。
• 制备和装配时尽量使结构具有最小的应力集中系数，并使其与 介质接触部分具有最小的残余拉应力。
第32页/共78页
合理选择金属材料
第33页/共78页
改善化学介质
• 控制环境，改善使用条件，除去介质中危害性大的化学成分。 例如把水中氧降低到1×10-6以下；使用离子交换树脂去除氯离 子等。
• 控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以下，以抑制SCC 的发生。
• 采用外加电流阴极保护法也可以防止SCC的发生，而且在裂纹 形成后还可使其停止发展。
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• 在近代工业发展中，大量的实践证明，几乎所有 的金属材料都有程度不同的氢脆倾向，高强度钢 含氢不到 百万分之一量级就引起滞后破坏便是一 例。
• 而氢又是石油化工工业中的重要原料和工作介质， 钢材长期和氢接触，不但可能变脆，而且在较高 温度下还可能被氢腐蚀。
• 应力腐蚀的裂纹扩展速率较小，有点象疲劳， 是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达 到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外 载时，就突然发生断裂。
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• 应力腐蚀断裂速度为0.01～3mm/h，远远大于 无应力存在下的局部腐蚀速度（如孔蚀等）， 但又比单纯力学断裂速度小得多。
• 例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106 倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级， 这主要由于纯力学断裂通常对应的应力水平要 高得多。
能力知识点3 提高应力腐蚀抗力的措施
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降低和消除应力
• 在加工(如热处理、焊接、电镀等)和装配过程中，应尽量避免产 生残余拉应力，或者在加工中采取必要的消除应力措施。
• 制备和装配时尽量使结构具有最小的应力集中系数，并使其与 介质接触部分具有最小的残余拉应力。
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合理选择金属材料
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改善化学介质
• 控制环境，改善使用条件，除去介质中危害性大的化学成分。 例如把水中氧降低到1×10-6以下；使用离子交换树脂去除氯离 子等。
• 控制温度，使材料工作在该体系的临界温度以下，以抑制SCC 的发生。
• 采用外加电流阴极保护法也可以防止SCC的发生，而且在裂纹 形成后还可使其停止发展。
金属材料的力学性能ppt课件.ppt
为塑性变形。
F F F
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
拉伸试验
d0
F
F
l0
L 拉伸前
dk
lk
拉伸后
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料
的脆性愈大
通常把a K值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而降低。
加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， a K在值
Fe
e
k
4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变
形
5、b点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 拉伸曲线
l l0
应力—应变曲线
l
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
K — 断裂点
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
F F F
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拉伸试验
d0
F
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L 拉伸前
dk
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拉伸后
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
标准冲击试样有两种，一种是Ｕ形缺口试样，另一种是Ｖ
形缺口试样。它们的冲击韧度值分别以a KU和a KV。
材料的a K值愈大，韧性就愈好；材料的a K值愈小，材料
的脆性愈大
通常把a K值小的材料称为脆性材料 研究表明，材料的a K值随试验温度的降低而降低。
加载速度越快，温度越低，表面及冶金质量越差， a K在值
Fe
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k
4、s’b曲线：弹性变形+均匀塑性变
形
5、b点出现缩颈现象，即试样局部
o
截面明显缩小试样承载能力降低，
拉伸力达到最大值，而后降低，但
变形量增大，K点时试样发生断裂。
F S0 拉伸曲线
l l0
应力—应变曲线
l
e — 弹性极限点 S — 屈服点 b — 极限载荷点
K — 断裂点
为了规范事业单位聘用关系，建立和 完善适 应社会 主义市 场经济 体制的 事业单 位工作 人员聘 用制度 ，保障 用人单 位和职 工的合 法权益
3) 维氏硬度
维氏硬度试验原理
维氏硬度压痕
维氏硬度计
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第6章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
KI初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即
为材料的KIscc
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K<KISCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于 腐蚀环境中而不发生破坏。
KISCC<K<KIC时，在腐蚀性环境和应力共同作用下， 裂纹呈亚临界扩展，随裂纹不断增长，裂纹尖端K值 不断增大，达到KIC断裂。
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2
2、产生条件
应力：静应力远低于材料的屈服强度，且一般为拉应 力。包括工作应力和残余应力。
化学介质：一定材料对应一定的化学介质；表6-1所 示
金属材料：纯金属一般不会产生应力腐蚀，合金对应 力腐蚀都比较敏感，不同的合金成分，敏感性不同。
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
纹且扩展，最后突然发生的脆性断裂。
特点：
1) 只在一定温度范围内出现；
2) 提高应变速率，可降低材料氢脆的敏感性；
3) 显著降低材料断 后 延 伸 率 ，但有一极限值；而断面收
缩率随含H量增加一直降低；
4) 高强度钢的这类断裂有可逆性。即低应力慢速应变后，
由于氢脆降低塑性，卸载停留一定时间后再进行高速加载
4
滑移－溶解理论
在阳特极定金化属学变介成质正中离首子先进在入表电面解形质成中一产层生钝阳化极膜溶，解在，拉于应是力在 作金用属下表裂面纹形尖成端蚀地坑区。产拉生应局力部在塑蚀性坑变或形原，有滑裂移纹台的阶尖在端表形面成 露应头力时集钝中化，膜使破阳裂极，电显位露降出低新，表加面速。阳这极个金新属表的面溶在解电。解如质果 溶裂液纹中尖成端为的阳应极力，集具中有始钝终化存膜在的，金那属么表微面电为池阴反极应，便从不而断形进 成行腐，蚀钝微化电膜池不。能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。
氢脆断裂ppt课件
2）沿晶断口显示出的晶界面平坦且无附着物， 有时可见白亮、不规则的细线条。
微观断口形貌与含氢量、钢的成分、晶粒大小、 应力大小、应变速度及温度等因素有关。
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16ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀 应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
所引起的准解理面。
29
主要特征：
拉伸塑性降低 缺口抗拉强度降低 静载条件下的延迟断裂 屈服强度不受明显影响 易发生于低应变速率及中温范围
2
1、断口宏观特征
1）典型的脆性断裂特征：平齐、光亮，常存 在放射状棱线或呈颗粒状。
2）断口上有时可见银灰色并发亮的斑点，此 即白点。
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2、微观特征
1）常呈现沿晶或准解理形貌，有时可见解理 或局部韧窝。
一.氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。
某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。
二者常常共存。
1
二、氢 脆
常发生于高强度钢和高强度合金中。
28
差异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
微观断口形貌与含氢量、钢的成分、晶粒大小、 应力大小、应变速度及温度等因素有关。
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三、应力腐蚀和氢脆的比较
广义均属应力腐蚀 应力腐蚀：应力-阳极过程 氢脆：应力-阴极过程
所引起的准解理面。
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主要特征：
拉伸塑性降低 缺口抗拉强度降低 静载条件下的延迟断裂 屈服强度不受明显影响 易发生于低应变速率及中温范围
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1、断口宏观特征
1）典型的脆性断裂特征：平齐、光亮，常存 在放射状棱线或呈颗粒状。
2）断口上有时可见银灰色并发亮的斑点，此 即白点。
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2、微观特征
1）常呈现沿晶或准解理形貌，有时可见解理 或局部韧窝。
一.氢脆断裂
某些金属或合金在腐蚀性介质中，受拉应力（或残 余应力）的作用，同时又有电化学腐蚀而导致正 常的韧性材料迅速开裂和早期脆性损坏的现象， 称为应力腐蚀断裂。
某些金属或合金中原来就存在或吸收了过量的氢， 在外加张应力或残余应力的作用下引起的脆性开 裂称为氢脆断裂。
二者常常共存。
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二、氢 脆
常发生于高强度钢和高强度合金中。
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差异
• 应力腐蚀：
沿晶裂纹优先在表面生核，源点有大量的腐蚀产物。 沿晶区有严重的二次裂纹或腐蚀坑。 穿晶型的应力腐蚀断口，往往具有泥纹状花样等特征。
第6章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂
6.1 应力腐蚀
一、定义：
应力腐蚀断裂： 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用
下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象， 称为应力腐蚀断裂。
实际服役的零件通常承受的应力水平较低，介质 的腐蚀作用也较弱，它们单独存在时，零件可能 不会失效。但在二者联合作用下，失效则发生。
应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破 坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成 的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有 机理产生的断裂。其断裂强度比单个因素分别作用 后再叠加起来的要低得多。
6.1 应力腐蚀
二、应力腐蚀断裂产生的条件及特征
1、拉应力是产生应力腐蚀断裂的必要条件 拉应力可来自外载（工作应力），也可以来自各 种残余应力，如焊接、冷加工、热处理等引起的 残余应力。
2、产生应力腐蚀的环境总是存在化学介质 介质的腐蚀性一般都很弱，若无拉应力作用，材 料在介质中的腐蚀速度很慢，甚至可在金属表面 形成保护膜而不产生应力腐蚀断裂。只有在介质 与拉应力同时作用下，才产生强烈的应力腐蚀。 而且，产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，即 每种材料只对某些介质敏感，而该介质对其它材 料可能没有明显作用。
3、金属材料中只有合金才产生应力腐蚀，一般纯金 属不会发生应力腐蚀。所有合金对应力腐蚀都有 不同程度的敏感性。
4、应力腐蚀是一种延迟断裂，即在拉应力作用下， 需经一定时间后才产生裂纹和裂纹扩展。
5、应力腐蚀断裂一般是脆性的，不产生宏观塑性变 形。其断口可为沿晶、穿晶和混合型断裂。多数
情况下，以沿晶断裂为主。
一、氢脆的概念
由氢和应力联合作用而使材料产生脆性断 裂的现象谓之氢脆断裂，简称氢脆，亦称氢损 伤。
二、氢脆产生原因
• 氢脆的产生可有多种途径。在应力腐蚀过程 中，除在阳极产生金属溶解外，若同时在阴极 发生 H++eH 的反应生成原子氢，则会使氢 吸附在金属表面。
金属材料的断裂和断裂韧性课件PPT
有撕裂棱，河流花样不明显
撕裂棱的形成过程示意图
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准解理断裂和解理断裂的异同
同：穿晶断裂，脆性断裂，有小解理刻面、台阶。
①断裂起源：准解理源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子 ，而 解理则自晶界/相界一侧向另一侧延伸； ② 裂纹传播途径：准解理向四周放射状不连续扩展，与晶粒位向无关， 与细小第二相有关，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； ③ 解理位向：准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关 系，源头不清。
微观：大量韧窝，内含夹杂物或第二相，微孔萌生处。
无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
在晶内微孔聚合，穿晶断裂
应力强度因子KI和断裂韧性KIc
ห้องสมุดไป่ตู้
低于许用应力，构件突然断裂 金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度。
微孔聚集断裂机理：形核—长大—聚合
三种基本断裂类型的实例
宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。
前推进直至断裂。
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微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
的流向与裂纹扩展方向一致 。
➢ 原因一：通过扭曲晶界或大角度晶界，相邻晶粒内解理面位向差很
大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端高应变激发晶界另一侧面裂纹成核。
➢ 原因二：裂纹不沿单一晶面发生，在跨越若干个相互平行的位于不
同高度上的解理面处发生，在交界处形成台阶。
➢ 解理断裂的另一个微观特征：舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩
撕裂棱的形成过程示意图
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准解理断裂和解理断裂的异同
同：穿晶断裂，脆性断裂，有小解理刻面、台阶。
①断裂起源：准解理源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子 ，而 解理则自晶界/相界一侧向另一侧延伸； ② 裂纹传播途径：准解理向四周放射状不连续扩展，与晶粒位向无关， 与细小第二相有关，解理是由晶界向晶内扩展，形成河流花样； ③ 解理位向：准解理小平面的位向与基体解理面之间无确定的对应关 系，源头不清。
微观：大量韧窝，内含夹杂物或第二相，微孔萌生处。
无明显塑性变形，沿解理面分离，穿晶断裂
在晶内微孔聚合，穿晶断裂
应力强度因子KI和断裂韧性KIc
ห้องสมุดไป่ตู้
低于许用应力，构件突然断裂 金属：裂纹尖端塑性区尺寸远小于裂纹长度。
微孔聚集断裂机理：形核—长大—聚合
三种基本断裂类型的实例
宏观解理断口：较为平坦、发亮的结晶状断面。
前推进直至断裂。
27
微孔聚合的三种形式 剪切裂纹一般沿滑移线发生.
高强材度料钢内常部发本生身这存种在模着式大的片微的孔夹聚杂合，，微 微孔成核源：第二相粒子其。韧孔性通较过“脆正弱常的的夹”杂微连孔成聚裂合纹模。式要 在应力作用下，基体和第差二。相这粒是子不的合界格面材脱料开出，现的一种缺陷 或第二相粒子本身开裂，于是出现微孔。
的流向与裂纹扩展方向一致 。
➢ 原因一：通过扭曲晶界或大角度晶界，相邻晶粒内解理面位向差很
大，裂纹在晶界受阻，裂纹尖端高应变激发晶界另一侧面裂纹成核。
➢ 原因二：裂纹不沿单一晶面发生，在跨越若干个相互平行的位于不
同高度上的解理面处发生，在交界处形成台阶。
➢ 解理断裂的另一个微观特征：舌状花样，它是解理裂纹沿孪晶界扩
《金属材料力学性能》课件
《金属材料力学性能》PPT课件
• 金属材料力学性能概述 • 金属材料的拉伸性能 • 金属材料的冲击韧性 • 金属材料的硬度与耐磨性 • 金属材料的疲劳性能 • 金属材料的断裂韧性
01
金属材料力学性能概述
定义与分类
定义
金属材料的力学性能是指金属材料在受到外力作用时所表现出来的性能，包括 弹性、塑性、韧性、强度等。
屈服阶段
屈服阶段是金属材料在受到外力作用后发生屈服现象的阶段，此时金属材料开始 发生塑性变形，应力与应变不再呈线性关系。
屈服强度是描述金属材料在屈服阶段的力学性能指标，反映了金属材料抵抗屈服 现象的能力。
强化阶段
强化阶段是金属材料在屈服阶段之后发生强度增高的阶段， 此时金属材料的应力与应变关系呈上升趋势。
通过改变材料的内部结构来提高韧性，如通过退火或淬火处理。
提高金属材料断裂韧性的方法
冷加工
通过塑性变形提高材料的韧性，如轧 制、拉拔或挤压。
提高金属材料断裂韧性的方法
表面处理
VS
通过喷丸、碾压或渗碳淬火等表面处 理技术提高材料的韧性。
THANKS
感谢观看
金属材料的力学性能与经济发展密切 相关，高性能的金属材料能够推动产 业升级和经济发展。
科学研究
金属材料的力学性能是科学研究的重 要领域之一，对于深入了解金属材料 的本质特性和发展新型金属材料具有 重要意义。
02
金属材料的拉伸性能
拉伸试验与拉伸曲线
拉伸试验
通过拉伸试验可以测定金属材料的拉 伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、 延伸率等指标。
冲击试验与冲击韧性指标
冲击试验
通过在试样上施加冲击负荷，测定材 料抵抗冲击断裂的能力。
冲击韧性指标
• 金属材料力学性能概述 • 金属材料的拉伸性能 • 金属材料的冲击韧性 • 金属材料的硬度与耐磨性 • 金属材料的疲劳性能 • 金属材料的断裂韧性
01
金属材料力学性能概述
定义与分类
定义
金属材料的力学性能是指金属材料在受到外力作用时所表现出来的性能，包括 弹性、塑性、韧性、强度等。
屈服阶段
屈服阶段是金属材料在受到外力作用后发生屈服现象的阶段，此时金属材料开始 发生塑性变形，应力与应变不再呈线性关系。
屈服强度是描述金属材料在屈服阶段的力学性能指标，反映了金属材料抵抗屈服 现象的能力。
强化阶段
强化阶段是金属材料在屈服阶段之后发生强度增高的阶段， 此时金属材料的应力与应变关系呈上升趋势。
通过改变材料的内部结构来提高韧性，如通过退火或淬火处理。
提高金属材料断裂韧性的方法
冷加工
通过塑性变形提高材料的韧性，如轧 制、拉拔或挤压。
提高金属材料断裂韧性的方法
表面处理
VS
通过喷丸、碾压或渗碳淬火等表面处 理技术提高材料的韧性。
THANKS
感谢观看
金属材料的力学性能与经济发展密切 相关，高性能的金属材料能够推动产 业升级和经济发展。
科学研究
金属材料的力学性能是科学研究的重 要领域之一，对于深入了解金属材料 的本质特性和发展新型金属材料具有 重要意义。
02
金属材料的拉伸性能
拉伸试验与拉伸曲线
拉伸试验
通过拉伸试验可以测定金属材料的拉 伸性能，包括抗拉强度、屈服强度、 延伸率等指标。
冲击试验与冲击韧性指标
冲击试验
通过在试样上施加冲击负荷，测定材 料抵抗冲击断裂的能力。
冲击韧性指标
第7章_金属的应力腐蚀和氢脆断裂
8
2）应力腐蚀断口微观特征
（1）若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数百倍）倍率
下，沿晶断口的形貌是颗粒状。
（2）穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的类似解理形貌。 （3）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。
（4）腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是“泥状花样”
的腐蚀产物。 （5）清洗过的SCC断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿晶型，更易 辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口相区别的重要依据。
20
二、氢脆类型及其特征
1、氢蚀(气蚀) • 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。 • 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状。 • 微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。 2、白点（发裂） • H过量时，随温度降低合金中H的溶解度降低，容易形成H2, 使H的体积增加形成很大的内压力撕裂金属局部形成裂纹。 这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形，为银白色，因此成为白 点。白点是一种严重的缺陷，降低材料的性能。 • 减弱或消除的方法：精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以 及加入一些微量元素。
9
3）应力腐蚀断裂途径
(1) 根据金属和合金的种类及介 质不同， SCC 可以是沿晶的 或穿晶的： 碳钢和铬不锈钢多系沿晶 奥氏体不锈钢多为穿晶 铝、钛、镍也多为沿晶 但也有例外的。 (2)裂纹扩展的宏观方向与应力 有关，大体垂直于主应力， 但裂纹常有分叉现象，呈枯 树枝状。
10
三、应力腐蚀抗力指标
22
三、钢的氢致延滞断裂机理
• 三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。
•
• •
孕育期：α－Fe晶格中氢原子数量↑+迁移+偏聚
1）氢气团导致裂纹 氢固溶于α－Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用， 迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。 气团随位错运动，当其遇到障
2）应力腐蚀断口微观特征
（1）若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数百倍）倍率
下，沿晶断口的形貌是颗粒状。
（2）穿晶型的应力腐蚀断口有羽毛状花样或明显的类似解理形貌。 （3）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。
（4）腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是“泥状花样”
的腐蚀产物。 （5）清洗过的SCC断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿晶型，更易 辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口相区别的重要依据。
20
二、氢脆类型及其特征
1、氢蚀(气蚀) • 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。 • 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状。 • 微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。 2、白点（发裂） • H过量时，随温度降低合金中H的溶解度降低，容易形成H2, 使H的体积增加形成很大的内压力撕裂金属局部形成裂纹。 这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形，为银白色，因此成为白 点。白点是一种严重的缺陷，降低材料的性能。 • 减弱或消除的方法：精炼除气、锻后缓冷或等温退火，以 及加入一些微量元素。
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3）应力腐蚀断裂途径
(1) 根据金属和合金的种类及介 质不同， SCC 可以是沿晶的 或穿晶的： 碳钢和铬不锈钢多系沿晶 奥氏体不锈钢多为穿晶 铝、钛、镍也多为沿晶 但也有例外的。 (2)裂纹扩展的宏观方向与应力 有关，大体垂直于主应力， 但裂纹常有分叉现象，呈枯 树枝状。
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三、应力腐蚀抗力指标
22
三、钢的氢致延滞断裂机理
• 三个阶段：孕育，裂纹亚稳扩展，失稳扩展阶段。
•
• •
孕育期：α－Fe晶格中氢原子数量↑+迁移+偏聚
1）氢气团导致裂纹 氢固溶于α－Fe晶格，存在刃型位错的应力场时，氢原子与位错交互作用， 迁移到位错线附近的拉应力区，形成氢气团。 气团随位错运动，当其遇到障
金属应力腐蚀和氢脆断裂ppt课件
2. 白点〔发裂〕
当钢中含有过量的氢肘，随着温度降低， 氢在钢中的溶解度减小。假设过饱和的氢未 能分散逸出，便聚集在某些缺陷处而构成氢 分子。此时。氢的体积发生急剧膨胀，内压 力很大足以将金属部分撕裂，而构成微裂纹。 这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为 雪白色。故称为白点。
图6-9为10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上 的白点形貌
产生应力腐蚀。 ⑶ 金属资料 普通以为，纯金属不会产生应力腐蚀，一切合
金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
〔一〕 应力腐蚀断裂机理 关于在应力和化学介质结协作用下裂纹
的构成和扩展问题，有多种实际，至今尚未 得到一致的见解。下面着重引见以 阳极溶解为根底的钝 化膜破坏实际。如图 6-1所示。
〔二〕. 应力腐蚀断口特征
应力腐蚀的显微裂纹如 图6-2所示，常有分叉景象， 呈枯树枝状。这阐明，在应 力腐蚀时，有一主裂纹扩展 较快，其它分支裂纹扩展较 慢。根据这一特征可以将应 力腐蚀与腐蚀疲劳、晶间腐 蚀以及其它方式的断裂区分 开来。
断口的微观形貌丁般为沿晶断裂，也能 够为穿晶解理断裂。其外表可见到“泥状花 样〞的腐蚀产物(图6-4a)及腐蚀坑(图6-4b)。
图6-5为某种钛合金的预制裂纹试样在恒载荷下， 于3.5%NaCl水溶液中进展应力腐蚀实验的结果。
试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的、 最大应力场强 度因子称为应 力腐蚀临界应 力场强度因子 (或称为应力腐 蚀门槛值)，以
表示。
KⅠscc
对于含有裂纹的机件，当作用于裂纹尖端的初
始应力场强度因 KⅠ初 ≤ KⅠsc时c ，原始裂纹在化学介
第Ⅱ阶段时间越长，资料抗应力腐蚀性能越好。
四、防止应力腐蚀的措施
第7章 应力腐蚀和氢脆断裂
12
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
13
应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀断裂最基本机理：是滑移－溶解理论(或称钝化膜 破坏理论)和氢脆理论。
对应力腐蚀敏感的合金在特定化学介质中， （1）表面先形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，
即处于钝化态。若无应力作用，金属不会发生腐蚀破坏。
（2）若有拉应力作用，则 可使裂纹尖端产生局部塑 性变形，滑移台阶在表面 露头时钝化膜破裂，显露 出新鲜表面。
1
2
第一章 应力腐蚀和氢脆断裂
3
第一节 应力腐蚀
4
金属机件在加工过程中常会产生残余应力，在服役过程中 又承受外加载荷，同时又与周围环境中各种化学介质或氢相 接触，便会产个特殊的断裂现象，这就有应力腐蚀断裂和氢 脆断裂等。
这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。
随着航空航天、海洋、原子能发电、石油、化工等工业的迅 速发展，对金属材料强度的要求越来越高，接触的化学介质 的条件越加苛刻，致使上述各种断裂形式逐年增多。
（原来存在或从环境介质中吸收），在低于屈服强度的应力 持续作用下，经过一段时间（孕育）后，在金属内部，特别 在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆 性断裂。
这种因氢的作用而产生的延迟断裂称为“氢致延迟断裂”。 工程上所说“氢脆”：大多数是指这类氢脆。
32
氢致延滞断裂特点
氢致延滞断裂特点： 1）只在一定温度范围内出现； 如高强度钢多在－100～ 150℃间，而以室温下最敏感。
若裂纹尖端应力集中始终存在， 则微电池反应便不断进行，钝 化膜不能恢复，裂纹将逐步向 纵深扩展。
15
应力腐蚀断裂机理
应力腐蚀过程，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I 可表示为：
金属的应力腐蚀和氢脆断裂(共13张PPT)
第五页，共13页。
四、防止应力腐蚀的措施 1、合理选材； 2、减少拉应力； 3、改善化学介质； 4、采用电化学保护，使金属远离电化学 腐蚀区域。
第六页，共13页。
§6-2 氢脆
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） 一、氢在金属中存在的形式
内含的（冶炼和加工中带入的氢）；
a）粘着磨损，接触疲劳
b）凿削磨损，高应力磨损，低应力磨损
c）其他 腐蚀磨损，微动磨损 多种类型的综合 4、磨损机理 a）粘着机理
b）裂纹汇聚，断裂 c）显微切削（犁削）
5、磨损试验及观察
模拟试验；宏观观察，微观分析。
第十二页，共13页。
二、耐磨性
1、是材料的物性与服役工况的综合表现。 2、在一定条件下的，相对磨损量。 ε=△ω/△w 3、显微组织对耐磨性的影响
第二页，共13页。
2、断口特征
宏观：有亚稳扩展区，最 后瞬断区（与疲劳裂纹 相似）；断口呈黑色或 灰色。
微观：显微裂纹呈枯树枝 状；腐蚀坑；沿晶断裂 和穿晶断裂。（见图6-2， 和p2）
第三页，共13页。
三、力学性能指标 将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子。
3）氢化物
形成氢化物（凝固、热加工时形成；
t>tH 氢气团扩散，无氢脆。
用常规方法测定的 σ t 曲 宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；
KI>KISCC，裂纹扩展，速率da/dt
SCC～ f
线，得到的σ 不能客观地反映 da/dt~ KI |曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳）由（图6-7，P152）可以估算机件的剩余寿命。
第八页，共13页。
四、防止应力腐蚀的措施 1、合理选材； 2、减少拉应力； 3、改善化学介质； 4、采用电化学保护，使金属远离电化学 腐蚀区域。
第六页，共13页。
§6-2 氢脆
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） 一、氢在金属中存在的形式
内含的（冶炼和加工中带入的氢）；
a）粘着磨损，接触疲劳
b）凿削磨损，高应力磨损，低应力磨损
c）其他 腐蚀磨损，微动磨损 多种类型的综合 4、磨损机理 a）粘着机理
b）裂纹汇聚，断裂 c）显微切削（犁削）
5、磨损试验及观察
模拟试验；宏观观察，微观分析。
第十二页，共13页。
二、耐磨性
1、是材料的物性与服役工况的综合表现。 2、在一定条件下的，相对磨损量。 ε=△ω/△w 3、显微组织对耐磨性的影响
第二页，共13页。
2、断口特征
宏观：有亚稳扩展区，最 后瞬断区（与疲劳裂纹 相似）；断口呈黑色或 灰色。
微观：显微裂纹呈枯树枝 状；腐蚀坑；沿晶断裂 和穿晶断裂。（见图6-2， 和p2）
第三页，共13页。
三、力学性能指标 将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子。
3）氢化物
形成氢化物（凝固、热加工时形成；
t>tH 氢气团扩散，无氢脆。
用常规方法测定的 σ t 曲 宏观：有亚稳扩展区，最后瞬断区（与疲劳裂纹相似）；
KI>KISCC，裂纹扩展，速率da/dt
SCC～ f
线，得到的σ 不能客观地反映 da/dt~ KI |曲线上的三个阶段（初始、稳定、失稳）由（图6-7，P152）可以估算机件的剩余寿命。
第八页，共13页。
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九江学院材料科学与工程学院 杜大明
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
5
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理
九江学院材料科学与工程学院
杜大明
材料力学性能�来自第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
6
�
�
�
（1）当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在 金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即 所谓“钝化”。 （2）由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部 地区的保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露在腐蚀 介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。 （3）阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定 程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能 重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成 反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加深，最 后形成孔洞。 （4）孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面 附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介 质共同作用形成应力腐蚀裂纹。
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材料力学性能 2.白点
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
20
�白点：以氢分子的形式存在于缺陷处，多呈圆形或椭 圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，故称白点 。 � 原因：由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因 氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶 解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷 处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无 法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除 这类白点。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
17
四、防止应力腐蚀的措施
�（1）降低应力 �如能将构件所承受的应力降低到临界应力以下，则 可以避免应力腐蚀开裂。 � （2）改变介质条件 �改变介质条件可以减小或消除材料的应力腐蚀开裂 敏感性。 �（3）选用合适的合金材料 �一定的合金只在相应的介质中才显示应力腐蚀开裂 敏感性。 �（四）采用电化学保护 �由于金属在介质中只在一定的电极电位范围内才会 产生应力腐蚀开裂。采用外加电位的方法，使金属在 介质中的电位远离应力腐蚀开裂敏感电位区域。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
14
九江学院材料科学与工程学院
杜大明
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
15
（二）应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
16
�第Ⅰ阶段，当K1刚超过KIscc时，裂纹经过一段孕育期 后突然加速扩展，da/dt与K1的关系曲线几乎与纵坐标 轴平行。 �第Ⅱ阶段，曲线出现水平段，da/dt与KI几乎无关，因 为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹扩展主要受电化学过 程控制。 �第Ⅲ阶段，裂纹长度已接近临界尺寸， da/dt又明显 地依赖KI，且随KI而增加而增大，这是材料走向快速 扩展的过渡区，当KIi达到KIc时，便发生失稳扩展，材 料断裂。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
24
三.钢的氢致延滞断裂机理
�断裂过程分为三个阶段：孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶 段及失稳扩展阶段。 � 裂纹孕育：氢进入a-Fe晶格中，形成固溶体，使晶格 产生膨胀性弹性畸变。当有刃型位错的应力场存在时， 氢原子便与位错产生交互作用，迁移到位错线附近的拉 应力区，形成氢气团。在三向拉应力作用下，形成裂纹 尖端。 �亚稳扩展：拉应力促使H溶解，裂纹尖端高氢聚集，位 错塞积， � 失稳扩展：应变速度大，位错运动速度大于氢的扩散 速度
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
4
表6-1 合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质 合金
碳钢
腐蚀介质
荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H2S水 溶液，海水，海洋大气与工业大气(碱脆、硝 脆)
奥氏体不锈钢 氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮 湿空气（湿度90%），热NaCl，H2S水溶液，严 重污染的工业大气（氯脆） 马氏体不锈钢 氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物 航空用高强度 海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸 钢 铜合金 铝合金 水蒸汽，湿H2S，氨溶液（氨脆） 湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋 大气（脆裂）
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
18
6.2
氢 脆
一、氢在金属中的存在形式
�由于氢和应力共同作用而导致金属材料产生脆性断 裂的现象，称为氢脆。 �根据引起氢脆的氢之来源不同，分成两大类：一类 为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接 或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；第 二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它 含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢 的压力容器中出现的高压氢脆。 �氢在金属中的存在形式：氢分子，氢原子，氢化 物，间隙固溶体。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
8
晶间断裂可见腐蚀坑
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
9
晶间断裂可见腐蚀坑
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
10
穿晶断裂有人字形或羽毛状的标记
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材料力学性能 3.氢化物致脆
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
21
�与氢有较大亲和力的金属，极易生成金属的氢化物， 使金属脆化。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
22
4.氢致延滞断裂
�高强度金属中含有适量的处于固溶状态的氢(原来存在 的或从环境介质中吸收的)，在低于屈服强度的应力持续 作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三 向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆 性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为 氢致延滞断裂。 �特点：（1）只在一定温度范围内出现，如高强度钢多 出现在一100一150℃之间，而以室温下最敏感；（2）较 慢应变速率下明显，提高应变速率，材料对氢脆的敏感 性降低。（3）此类氢脆显著降低金属材料的断后伸长率 ，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化，而 断面收缩率则随含氢量增加不断下降，且材料强度愈高 ，下降愈剧烈。
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
23
�断口形貌：延晶断裂较多，实际上并不全是。 �当裂纹前端受很高的应力场强度因子作用时，是以微孔 了聚集型方式进行的； �在中等KI值下，是准解理或准解理加韧窝，或沿晶断裂 加韧窝； �在低KI值下是沿晶断裂形态，晶间小平面上有许多撕裂 棱，表明晶间在分离过程中还产生少量塑性变形。
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杜大明
材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
12
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材料力学性能
第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
13
�当裂纹尖端K1=K1c时，立即断裂； � 当KI为KI1时，经过t1时间后，由于裂纹扩展，裂纹 尖端K1达到KIc时才发生断裂； � 当KI为KI2时，经过t2时间才发生断裂，KIi表示经过ti 时间后，发生断裂的初始应力场强度因子。 �当K1降低到某一定值后，材料就不会由于应力腐蚀 而发生断裂（即材料有无限寿命），此时的KI就叫做 应力腐蚀临界应力场强度因子，并以K1scc表示。 �K1scc既然是材料的性能指标，用K1scc建立材料发生应 力腐蚀开裂的断裂判据。
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�（1）在位错密度较高的区域，氢的浓度也较高。在外加 应力作用下，当应变速率较低而温度较高时，氢气团的运 动速率与位错运动速率相适应，气团随位错运动，但又落 后一定距离。因此，气团对位错起“钉扎”作用，产生局部 应变硬化。 �（2）只有不断增大外加应力，产生新的位错才能继续产 生塑性变形。氢原子对这些新位错同样起钉扎作用。 �（3）当运动着的位错与氢气团遇到障碍(如晶界)时，便 产生位错塞积，同时造成氢原子在塞积区聚集。 �（4）若应力足够大，则在位错塞积的端部形成较大的应 力集中，从而形成裂纹。此处聚集的氢原子不仅使裂纹易 于形成，而且使裂纹容易扩展，最后造成脆性断裂。
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6.1
1.应力腐蚀现象
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应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
应力腐蚀现象
Stress Corrosion Cracking
�金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段
时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。 （常用英文的三个字头SCC表示）。
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应力腐蚀 1. 裂纹从表面开始； 2.裂纹分叉，有较多的 二次裂纹； 3.裂纹源区有较多的腐 蚀产物覆盖着； 4.裂纹源可能有一个或 多个。不一定在应力集 中处萌生裂纹源； 5.一般为沿晶断裂，也 有穿晶解理断裂；
氢脆 裂纹从内部开始； 裂纹几乎不分叉，有二 次裂纹； 腐蚀产物较少； 裂纹源可能是一个或多 个。多在三向应力区萌 生裂纹源； 多数为沿晶断裂，也可 能出现穿晶解理或准解 理断裂；
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理
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材料力学性能�来自第6章 金属的应力腐蚀与氢脆断裂
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（1）当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中，首先在 金属的表面形成一层保护膜，它阻止了腐蚀进行，即 所谓“钝化”。 （2）由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使局部 地区的保护膜破裂，破裂处基体金属直接暴露在腐蚀 介质中，成为微电池的阳极，产生阳极溶解。 （3）阳极小阴极大，所以溶解速度很快，腐蚀到一定 程度又形成新的保护膜，但在拉应力的作用下又可能 重新破坏，发生新的阳极溶解。这种保护膜反复形成 反复破裂的过程，就会使某些局部地区腐蚀加深，最 后形成孔洞。 （4）孔洞的存在又造成应力集中，更加速了孔洞表面 附近的塑性变形和保护膜破裂。这种拉应力与腐蚀介 质共同作用形成应力腐蚀裂纹。
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材料力学性能 2.白点
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�白点：以氢分子的形式存在于缺陷处，多呈圆形或椭 圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，故称白点 。 � 原因：由于某种原因致使材料中含有过量的氢，因 氢的溶解度变化（通常是随温度降低，金属中氢的溶 解度下降），过饱和氢未能扩散外逸，而在某些缺陷 处聚集成氢分子所造成的。一旦发现发裂，材料便无 法挽救。但在形成发裂前低温长时间保温，则可消除 这类白点。
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四、防止应力腐蚀的措施
�（1）降低应力 �如能将构件所承受的应力降低到临界应力以下，则 可以避免应力腐蚀开裂。 � （2）改变介质条件 �改变介质条件可以减小或消除材料的应力腐蚀开裂 敏感性。 �（3）选用合适的合金材料 �一定的合金只在相应的介质中才显示应力腐蚀开裂 敏感性。 �（四）采用电化学保护 �由于金属在介质中只在一定的电极电位范围内才会 产生应力腐蚀开裂。采用外加电位的方法，使金属在 介质中的电位远离应力腐蚀开裂敏感电位区域。
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（二）应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt
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�第Ⅰ阶段，当K1刚超过KIscc时，裂纹经过一段孕育期 后突然加速扩展，da/dt与K1的关系曲线几乎与纵坐标 轴平行。 �第Ⅱ阶段，曲线出现水平段，da/dt与KI几乎无关，因 为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹扩展主要受电化学过 程控制。 �第Ⅲ阶段，裂纹长度已接近临界尺寸， da/dt又明显 地依赖KI，且随KI而增加而增大，这是材料走向快速 扩展的过渡区，当KIi达到KIc时，便发生失稳扩展，材 料断裂。
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三.钢的氢致延滞断裂机理
�断裂过程分为三个阶段：孕育阶段、裂纹亚稳扩展阶 段及失稳扩展阶段。 � 裂纹孕育：氢进入a-Fe晶格中，形成固溶体，使晶格 产生膨胀性弹性畸变。当有刃型位错的应力场存在时， 氢原子便与位错产生交互作用，迁移到位错线附近的拉 应力区，形成氢气团。在三向拉应力作用下，形成裂纹 尖端。 �亚稳扩展：拉应力促使H溶解，裂纹尖端高氢聚集，位 错塞积， � 失稳扩展：应变速度大，位错运动速度大于氢的扩散 速度
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表6-1 合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质 合金
碳钢
腐蚀介质
荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H2S水 溶液，海水，海洋大气与工业大气(碱脆、硝 脆)
奥氏体不锈钢 氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮 湿空气（湿度90%），热NaCl，H2S水溶液，严 重污染的工业大气（氯脆） 马氏体不锈钢 氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物 航空用高强度 海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸 钢 铜合金 铝合金 水蒸汽，湿H2S，氨溶液（氨脆） 湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋 大气（脆裂）
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6.2
氢 脆
一、氢在金属中的存在形式
�由于氢和应力共同作用而导致金属材料产生脆性断 裂的现象，称为氢脆。 �根据引起氢脆的氢之来源不同，分成两大类：一类 为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接 或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；第 二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它 含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢 的压力容器中出现的高压氢脆。 �氢在金属中的存在形式：氢分子，氢原子，氢化 物，间隙固溶体。
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晶间断裂可见腐蚀坑
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晶间断裂可见腐蚀坑
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穿晶断裂有人字形或羽毛状的标记
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材料力学性能 3.氢化物致脆
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�与氢有较大亲和力的金属，极易生成金属的氢化物， 使金属脆化。
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4.氢致延滞断裂
�高强度金属中含有适量的处于固溶状态的氢(原来存在 的或从环境介质中吸收的)，在低于屈服强度的应力持续 作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三 向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆 性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为 氢致延滞断裂。 �特点：（1）只在一定温度范围内出现，如高强度钢多 出现在一100一150℃之间，而以室温下最敏感；（2）较 慢应变速率下明显，提高应变速率，材料对氢脆的敏感 性降低。（3）此类氢脆显著降低金属材料的断后伸长率 ，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化，而 断面收缩率则随含氢量增加不断下降，且材料强度愈高 ，下降愈剧烈。
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�断口形貌：延晶断裂较多，实际上并不全是。 �当裂纹前端受很高的应力场强度因子作用时，是以微孔 了聚集型方式进行的； �在中等KI值下，是准解理或准解理加韧窝，或沿晶断裂 加韧窝； �在低KI值下是沿晶断裂形态，晶间小平面上有许多撕裂 棱，表明晶间在分离过程中还产生少量塑性变形。
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�当裂纹尖端K1=K1c时，立即断裂； � 当KI为KI1时，经过t1时间后，由于裂纹扩展，裂纹 尖端K1达到KIc时才发生断裂； � 当KI为KI2时，经过t2时间才发生断裂，KIi表示经过ti 时间后，发生断裂的初始应力场强度因子。 �当K1降低到某一定值后，材料就不会由于应力腐蚀 而发生断裂（即材料有无限寿命），此时的KI就叫做 应力腐蚀临界应力场强度因子，并以K1scc表示。 �K1scc既然是材料的性能指标，用K1scc建立材料发生应 力腐蚀开裂的断裂判据。
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�（1）在位错密度较高的区域，氢的浓度也较高。在外加 应力作用下，当应变速率较低而温度较高时，氢气团的运 动速率与位错运动速率相适应，气团随位错运动，但又落 后一定距离。因此，气团对位错起“钉扎”作用，产生局部 应变硬化。 �（2）只有不断增大外加应力，产生新的位错才能继续产 生塑性变形。氢原子对这些新位错同样起钉扎作用。 �（3）当运动着的位错与氢气团遇到障碍(如晶界)时，便 产生位错塞积，同时造成氢原子在塞积区聚集。 �（4）若应力足够大，则在位错塞积的端部形成较大的应 力集中，从而形成裂纹。此处聚集的氢原子不仅使裂纹易 于形成，而且使裂纹容易扩展，最后造成脆性断裂。
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1.应力腐蚀现象
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应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
应力腐蚀现象
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�金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段
时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂。 （常用英文的三个字头SCC表示）。
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应力腐蚀 1. 裂纹从表面开始； 2.裂纹分叉，有较多的 二次裂纹； 3.裂纹源区有较多的腐 蚀产物覆盖着； 4.裂纹源可能有一个或 多个。不一定在应力集 中处萌生裂纹源； 5.一般为沿晶断裂，也 有穿晶解理断裂；
氢脆 裂纹从内部开始； 裂纹几乎不分叉，有二 次裂纹； 腐蚀产物较少； 裂纹源可能是一个或多 个。多在三向应力区萌 生裂纹源； 多数为沿晶断裂，也可 能出现穿晶解理或准解 理断裂；