材料力学性能第六章

8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
24
四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系
两者的区别在于应力腐蚀为 阳极溶解过程（图a），形 成所谓的阳极活性通道而使 金属开裂；而氢致延滞断裂 是阴极吸氢过程。
一般采用极化试验方法来判 断具体合金-化学介质系统的 断裂究竟属于哪种断裂类型：
当外加小的阳极电流而缩短 产生裂纹时间的是应力腐蚀 （图c），当外加小的阴极 电流而缩短产生裂纹时间的 是氢致延滞断裂（图d）。
材料力学性能
裴立宅
材料科学与工程学院 Email: lzpei1977@163.com, lzpei@ahut.edu.cn
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
1
第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
2
金属机件在加工过程往往产生残余应力，在服 役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中 各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断 裂现象，其中主要是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。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
27
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
28
整个试验过程中载荷恒定，所以随着裂纹扩 展，裂纹尖端的KI增大：
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
13
试样实验时必须制备一
组尺寸相同的试样，每
个试样承受不同的恒定 载荷F，使裂纹尖端产 生录不试同样大在小各的 种KKII初初，作记用 下的断裂时间tf，
曲初就线是水材平料部的分K对IS应CC的。KI
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， 工程上的氢脆多为此类。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
21
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100~150℃之间，在室温下最敏感。
(2) 提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低，因此，只有 在慢速加载试验中才能显示这类脆性。
另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入加入 一定量的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大 提高。
(4) 采用电化学保护
由于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，采用外加电位的方法，使金属在化学介 质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的 一种措施。
(3) 可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。
(4) 高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
22
三、钢的氢致延滞断裂机理
钢的表面单纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，氢必 须进行α-Fe晶格中并偏聚到一定浓度后才能形成裂 纹。
20
(3) 氢化物致脆
对于IVB族或VB族金属（如钛、α-钛合金、 Ni、V、Zr、Nd及 其合金），由于与H有较大的亲和力，容易生成脆性氢化物， 使金属脆化。
(4) 氢致延滞断裂
高强度钢或钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，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。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
17
第二节 氢脆
定义：由于氢与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）氢在金属中的存在形式：
(1) 一般氢以间隙原子状态固溶在金属中，其溶解度随温度降 低而降低；
(2) 扩展聚集在较大的缺陷（如空洞、气泡、裂纹等）处，以 氢分子存在；
测用定恒金载属荷材法料或的恒K位I移SCC法值。可
以恒载荷法的悬臂梁弯曲 试验法最常用，所用试样 与样测相定同的。KIC的三点弯曲试
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
12
试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相 连，力臂端并没有通过砝码进行加载，试样 穿在溶液槽中，使预制裂纹沉浸在化学介质 中。
因此，应尽量减少机件上的应力集中效应，加热和冷却均匀。 必要时采用退火工艺消除应力。如果能采用喷丸或其它表面处 理方法，使机件表层中产生一定的残余压应力，则更为有效。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
16
(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，如 通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防 奥氏体不锈钢十分有效。
（一）应力腐蚀断裂机理 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化
膜破坏理论）和氢脆理论。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
7
（二）宏观腐蚀断口特征
宏观特征与疲劳断口相似， 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 生和氢化现象，可以呈黑色 或灰黑色，具有脆性特征。
常见的几种氢脆及其特征：
(1) 氢蚀 这是由于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。这种氢脆现象的断裂源产生 在机件与高温、高压氢气相接触的部位。对碳钢来说，低于 220℃时不发生氢蚀。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
19
(2) 白点（发裂）
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
25
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
26
五 防止氢脆的措施
1. 环境因素
设法切断氢进入金属的途径，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。如采用表面涂层，使机件表面与环境介质中的氢隔离。
氢原子一般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，便使这个区域明显脆化 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，随后又停止，见右 图(a)。
以后是再孕育、再扩展，最后，当裂 纹经亚稳扩展达到临界尺寸时便失稳 扩展而断裂。因此，氢致延滞断裂的 扩展方式是步进式，这是与应力腐蚀 裂纹渐进式扩展方式不同的。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
14
（二）应力腐蚀裂纹扩展速 率da/dt
当应力腐蚀裂纹尖端的 KI>KISCC时，裂纹就会不断 扩展。
单位时间内裂纹的扩展量就 称为应力腐蚀裂纹扩展速率， da/dt。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
15
四 防止应力腐蚀的措施
最后瞬断区一般为快速撕裂 破坏，显示出基体材料的特 性。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
8
ຫໍສະໝຸດ Baidu
断口形貌：一般为沿晶断裂，也可为穿晶解理断裂或 准解理断裂，表面可看到“泥状花样”的腐蚀产物。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
9
三、应力腐蚀抗力指标
通常用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断 裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。
因此，由环境介质中的氢引起氢致延滞断裂必须经 过三个步骤：
氢原子进入钢中、氢在钢中的迁移和氢的偏聚。 这三个步骤都需要时间，这就是氢致延滞断裂的孕
育阶段。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
23
由于氢使晶格膨胀，所以拉应力将促 进氢的溶解。
在外加应力作用下，金属中已形成裂 纹的尖端是三向拉应力区，因而氢原 子易于通过位错运动向裂纹尖端区域 聚集。
（一）KISCC
试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹 的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子 KI初有关。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
11
人们将试样在特定化学介 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KISCC表示。
接、装配过程中产生的残余拉应力在应力腐蚀中也 有重要作用。 一般产生应力腐蚀的应力并不大，如果没有化学介 质的协同作用，机件可在该应力下长期服役而不断 裂。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
5
（2）化学介质 （3）金属材料
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
6
二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
(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，这是一个基本原则。
例如：铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的机件就 应避免使用铜合金。
(2) 减少或消除机件中的残余拉应力
残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，主要是由于金属机件 的设计和加工工艺不合理产生。
当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。 如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成H2 分子。
此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕 裂，形成微裂纹。
这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，所以称为 白点。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
本章将阐述金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征 及断裂机理，介绍金属材料抵抗应力腐蚀和氢 脆断裂的力学性能指标及防止其断裂的措施。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
3
第一节 应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件
1. 应力腐蚀现象
定义：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（Stress Corrosion Cracking, SCC）。
应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破 坏与化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加造成的， 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 迭加起来的要低得多。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
4
2. 产生条件
（1）应力 在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力，焊
2. 力学因素
在机件设计和加工过程中，应排除各种产生残余拉应力的因素， 相反，采用表面处理使表面获得残余压应力层，对防止氢致延 滞断裂有良好的作用。
3. 材质因素
含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性较低。钢的强 度越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中工作的高强度 钢的强度应有所限制。
测试过程：采用一组相同试样，在不同应力水平作用下测定其 断裂时间tf，作出σ-tf曲线。
从而求出该种材料不发生 应力腐蚀的临界应力σscc， 据此来研究合金元素、组 织结构及化学介质对材料 应力腐蚀敏感性的影响。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
10
根据断裂力学原理，人们利用预制裂纹的试样，引入应力场强度因子 KI的概念来研究金属材料的抗应力腐蚀性能，得到了两个重要的应力 腐蚀抗力指标，即应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC和应力腐蚀裂纹 扩展速率da/dt，这两个指标可用于机件的选材和设计。
(3) 与一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物，或 与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的H可与渗碳体 中的碳作用形成甲烷等。
8/12/2020
安徽工业大学 材料科学与工程学院
18
（二）氢脆类型及其特征
氢脆对金属性能的影响都是有害的，由于氢在金属中存在的状 态不同以及氢与金属交互作用性质的不同，氢可通过不同的机 件使金属脆化，因而氢脆的种类很多。