2015年材料力学性能课件-第6章

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• (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。
• 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。
• 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。
图6-5应力腐蚀裂纹的分叉 现象
三、应力腐蚀力学性能指标
• 1.临界腐蚀应力 求一出组应相力同腐试蚀样断测裂量强不度同σ应SC力C。下的断裂时间tf,
图8-8 图6-6应力腐蚀σ-tf关系图8曲-线9
• 2. 应力腐蚀临界应力场强度因子 • KI初—tf,应力一定。KI在变化直至KIc,当KI小于
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;
(a) 穿晶裂纹的形成
(b) 沿晶裂纹的形成
图6-4 应力腐蚀裂纹的类型
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。
• (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。
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• 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。
• 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;
• 5、应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但 应力腐蚀裂纹并不总是分技的。
2、应力腐蚀断口微观特征
• 表面为泥状花样及腐蚀坑。断口为沿晶 断裂,也有穿晶解理断裂或者准解理断 裂,或混合型断裂。
泥状花样
腐蚀坑
图6-2 应力腐蚀断口的微观形貌特征
奥氏体不锈钢应力腐蚀的断口的 微观形貌。
表面有腐蚀产物和外来杂 质覆盖层,形似岩石状
(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
• 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。
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
• 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)
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
在增重时是指腐蚀后带有腐蚀产物时的质量与 腐蚀前的质量之间的差值。用下式表示:
V W2 W0 S t
V+-增重时的腐蚀速度g/m2h W2-带有腐蚀产物的金属质量
(2)金属腐蚀速度的深度指标 把金属的厚度因腐蚀减少的量,以线量单位
表示,并换算成相当于单位时间的数值。在衡量密 度不同的金属腐蚀程度时,此种指标极为方便。
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。
• 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
• (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
渗碳体
新管道
新管道
(a)不同金属组合 应力集中
(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


(f)金属离子浓度差异
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。
• (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

• 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。
• 可按下式将腐蚀的失重指标换算成腐蚀的深度指 标:
• VL= V-×24×365×10-3/ρ= V-×8.76/ρ • VL-腐蚀的深度指标 mm/a (毫米/年) • ρ-金属的密度 g/cm3
• (3)均匀腐蚀金属耐蚀性的评定 • 对于均匀腐蚀的金属材料,耐蚀性等级的划分大
多采用深度指标,但金属腐蚀深度一般是随时间变 化的,所以从腐蚀手册查到的资料难以精确地反映 出实际情况,因此选用评定标准时,应考虑实际情 况和使用期限。
• 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。
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
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
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
KISCC则不发生腐蚀断裂——应力腐蚀临界应力场 强度因子与时间关系。
KISCC
图6-7某种钛合金预制裂纹试样的KI-tf曲线
KISCC——在特定的化学介质中不发生 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(或称应 力腐蚀门槛值)。对于大多数金属材料, 在特定的化学介质中的KISCC值是一定的。 因此,KISCC可作为力学性能指标,表示含 有宏观裂纹的材料,在应力腐蚀条件下的 断裂韧度。
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。
• 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。
• 4、应力腐蚀破坏的断口,其颜色灰暗,表 面常有腐蚀产物。
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
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