2015年材料力学性能课件-第6章

• 腐蚀的延伸率指标：指材料腐蚀前后延 伸率的变化。
• Kδ=[(δ-δ’)/ δ] ×100%(腐蚀时间t后) • （2）局部腐蚀耐蚀性评定
• 局部腐蚀的种类和测试方法很多，评 定标准也不尽相同，所以应根据局部腐 蚀的类型选择表示腐蚀程度的指标，按 其使用条件与要求选用评定标准。
• 第二节 金属材料的应力腐蚀断裂
• （3）局部一旦遭到破坏；常常造成突发事件； • （4）金属材料的表面状态对金属的腐蚀过程的进行
有显著的影响。
• 第一节 材料腐蚀的基本概念
• 一.腐蚀的基本概念
• 腐蚀：物质的表面因发生化学或电化学反 应而受到破坏的现象。
• 材料的腐蚀是一种自发进行的过程，是物 质由高能态向低能态的转变形式。
3、改善化学介质
• 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；另一方面可在化学介质 中添加缓蚀剂。
（2）化学介质：只有在特定的化学介质中，某 种金属材料才能产生应力腐蚀。
（3）金属材料：一般纯金属不会产生应力腐蚀， 所有合金对应力腐蚀均有不同程度的敏感性。 在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏 感的合金成分（如镁铝合金）。
表6－1 常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质
金属 材料
化学介质
金属 材料
• 记录各种KI初作用下的断 裂时间tf，以KI初与lgtf为坐 标作图，曲线水平部分所 对应KI初的即为KISCC。
图6-9悬臂梁弯曲试验装置简图 1.砝码，2.溶液槽，3.试样
3.应力腐蚀裂纹扩展速率
• 单位时间内应力腐蚀 裂纹的扩展量称应力腐蚀 裂纹扩展速率即da/dt， 实验证明：
•
da/dt = f(KI)
表面为泥状花样，被一层腐 蚀产物覆盖，有泥状裂纹
图6-3 奥氏体不锈钢应力腐蚀断口微观形貌
混合断裂
穿晶型应力腐蚀裂 纹可用在应力作用下局 部微区产生滑移台阶使 钝化膜破裂来说明，如 图6-4(a)所示。
沿晶型应力腐蚀裂 纹是因晶界被沉淀相弱 化，而在表面突出的单 个晶粒形成台阶，使表 面钝化膜破裂而形成的， 如图6-4(b)所示。
• 如果在介质中的极化过程相当强烈，则Vc-Va变 得很小，腐蚀过程就大受抑制；
• 如果介质中去极化过程很强，Vc-Va很大，腐蚀 电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面 不能形成钝化膜。
三、应力腐蚀断裂断口分析
• 1、应力腐蚀断裂断口宏观特征 • 应力腐蚀端口的宏观形貌与疲劳断口颇为
相似。也有亚稳扩展区和最后瞬断区。在亚 稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化物。常呈黑 色或黑灰色，具有脆性特征。 • 最后瞬断区一般为快速撕裂破坏，显示基体 材料的特性。
• （3） 应力和环境共同作用下的腐蚀 • ① 应力腐蚀断裂：拉应力下的电化学腐
蚀
• ② 腐蚀疲劳：交变应力下电化学腐蚀： 船用螺旋桨推进器、涡轮及涡轮叶片、内 燃机连杆。
• ③ 氢损伤：氢脆、氢鼓泡、氢蚀
•
三、耐蚀性及其评定方法
• 金属材料在某一环境介质下承受或抵抗腐蚀的能力 ――称为金属材料的耐蚀性或抗蚀性。
• 二．应力腐蚀的机理 • 阳极溶解机理—钝化膜破坏理论：拉应力
使钝化膜破裂，阳极电位下降，形成微电 池，产生阳极溶解。偏析引起晶间腐蚀。
图8－2
图6-1应力腐蚀断裂机理简图
在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I为：
1 I R (Vc Va )
• R－微电池中的电阻；Vc，Va电池两极的电位。
材料力学性能讲义
第一章 材料单向静拉伸的力学性能 第二章 材料在其它静载下的力学性能 第三章 材料的冲击韧性和低温脆性 第四章 材料的断裂韧性 第五章 材料的疲劳性能
☆第六章 材料的应力腐蚀与氢脆断裂
第七章 材料的磨损性能 第八章 材料的高温力学性能
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂 Stress corrosion and hydrogen embrittlement fracture
• 金属腐蚀的危害非常大，它不仅仅对金属材料本身 造成破坏，更重要的是使制品的等级下降、精度、 灵敏度等受损，影响其使用价值甚至报废。
• （1）腐蚀造成的破坏一般先从金属表面开始，然后 伴随着金属腐蚀过程进一步发展；
• （2）腐蚀破坏扩展到金属材料的内部；并使金属性 质和组成发生改变。这种破坏往往是局部向整体扩 展；
• （3）第II段出现水平线段， da/dt 决定于环境而受应力 强度的影响较小。
• （4）第Ⅲ阶段裂纹长度接 近临界尺寸，da/dt依赖于KI， 材料进入失稳扩展的过渡区。 当KI增大到KIC时便失稳扩展 断裂。
图6-8 应力腐蚀裂纹的da/dt-KI关 系曲线
四、防止应力腐蚀的措施
1、合理选择金属材料 • 针对机件所受应力和接触的化学介质，选用耐应 力腐蚀的金属材料。选材时还应尽可能选取KIscc • 较高的合金。 2、减少或消除机件中的残余拉应力 • 必要时采用退火工艺以消除应力或采用喷丸等表 • 面处理方法。
材料的腐蚀具有双重性。通常腐蚀对金属构 件是有害的，但有时可以利用腐蚀现象对金 属材料进行电化学加工，如制备信息硬件的 印刷线路板，制取奥氏体不锈钢粉末等。
• 二． 腐蚀的类型
1． 根据金属腐蚀的机理不同分类
• （1） 化学腐蚀：金属表面或非电解质直接发 生化学作用而引起的破坏，非电解质是指干燥气 体、高温气体、非电解质溶液等。金属的高温氧 化不属于电化学腐蚀。金属在非电解质溶液中的 腐蚀是指金属在有机物液体中的腐蚀。
• 应力腐蚀断裂SCC：拉应力和特定介质共同作
用下所引起的断裂 • • 一．应力腐蚀断裂的条件及特征 • 1、应力腐蚀现象 低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含
有硝酸根离子介质中的“硝脆”。 奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”。 铜合金在氨气介质中的氨脆。
2、产生条件
（1）应力：机件所承受的应力包括工作应力和 残余应力。在化学介质诱导开裂过程起作用 的是拉应力，且产生应力腐蚀的应力不一定 很大。
2． 根据腐蚀的环境分类 • （1） 大气腐蚀：金属在大气环境下发生的腐蚀。 • （2） 海水腐蚀：金属构件在海洋环境中发生的腐蚀。 • （3） 淡水腐蚀：金属在硬水或软水中的腐蚀。 • （4） 土壤腐蚀：金属在土壤中的腐蚀。 • （5） 化工介质腐蚀：酸、碱、盐溶液、有机化合物 • （6） 熔融介质腐蚀：熔融盐、碱、高温液体金属 3． 根据腐蚀破坏的外部特征分类 • （1） 全面腐蚀：均匀腐蚀，腐蚀分布在整个表面上并
2、局部腐蚀的程度与评定方法
• （1）局部腐蚀程度的表示方法
• 金属的局部腐蚀其质量及外形尺寸一般没有明显 变化，但其力学性能下降。为判断金属局部腐蚀的 程度，可以进行力学性能试验测定金属腐蚀后的性 能变化加以评定：
• 腐蚀强度指标：指材料腐蚀前后的强度极限变化 率。
• Kσ=[(σb-σ’b)/ σb] ×100%(腐蚀时间t后) • Kσ－腐蚀强度指标 σb－腐蚀前强度 • σ’b－腐蚀后强度
• 曲线分为三个阶段：
• （1）存在一个门槛值 KISCC。当KI＜KISCC时， da/dt =0 或微不足道。
图6-8 应力腐蚀裂纹的da/dt-KI关 系曲线
• （2）第Ⅰ阶段：当KI超过 KIscc时裂纹突然加速扩展， d轴a平/dt行－。KId曲a线/dt几值乎小与，纵但坐受标 KI之影响较大。
连成一片的腐蚀破坏。
• （2）不均匀腐蚀：腐蚀主要发生在金属表面的某一区 域，而表面的其他部分未被破坏。
金属腐蚀破坏形态 1-均匀腐蚀，2-不均匀腐蚀，3-选择性腐蚀，4-应力腐蚀， 5-斑点腐蚀，6-溃疡腐蚀，7-孔蚀，8-缝隙腐蚀， 9-晶间腐蚀，10-穿晶腐蚀，11-表面下腐蚀，12-疲劳腐蚀
• （2） 电化学腐蚀：金属表面与电解质溶液发 生电化学反应而引起的破坏。（阳极反应与阴极 反应）
腐蚀电池形成原因举例
钢 铝
渗
（d）应力及形变差异
铁 (b)金属中含杂相
©表面状态不同
粘土
砂土
（e）氧浓度差异
表面状态不同缝内Cu2+浓度 比缝外高
铜
铜
（f）金属离子浓度差异
化学介质
NaOH溶液； 低碳钢 沸腾硝酸盐溶液；沸 和低合 腾浓MgCl2溶液， 金钢 海水、海洋性和工业
性气氛；
奥氏体 酸性和中性氯化物溶 不锈钢 液；熔融氯化物
镍基 热浓NaOH溶液； 合金 HF蒸气和溶液；
铝合金 铜合金 钛合金
氯化物水溶液； 海水和海洋大气； 潮湿工业大气；
氨蒸气； 含氨气体； 含氨离子的水溶液 发烟硝酸；300℃以 上的氯化物；潮湿 空气及海水；
1、均匀腐蚀的程度与评定方法
• （1）腐蚀速度的质量指标
• 金属因腐蚀而发生质量变化，在失重时是指腐蚀前的 质量与清除腐蚀产物后的质量之间的差值。
• 用下式表示
V W0 W1
S t
• V-－失重时的腐蚀速度g/m2h
• W0－金属初始质量 • W1－清除腐蚀产物后的质量 • S－金属的表面积 t－腐蚀时间
显然：KI初≥KISCC为金属材料在应力腐蚀 条件下的断裂判据
• 测定金属材料的KIscc可用 恒载荷法或恒位移KI初， 一般用恒载荷法。
• 整个试验过程中载荷恒定， 随着裂纹的扩展，裂纹尖
端KI增大，可用下式计算：
KI
4.12M BW 3/ 2
1
[
3
3 ]1/ 2
• 其中α＝1－a/W，M=FL
• 应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点：
• 1、造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于 材料的屈服强度，而且一定是拉伸应力。 • 2、应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没 有明显的塑性变形。
• 3、应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处， 而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。