第六章过程装备失效与材料的关系

1、金属断裂的物理本质金属断裂的物理本质一、断裂的基本类型一、断裂的基本类型 根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂根据断裂前金属是否呈现有明显的塑性变形，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂两大类。分为韧性断裂与脆性断裂两大类。 通常以单向拉伸时的断面收缩率大于通常以单向拉伸时的断面收缩率大于5%5%者为韧性断裂，者为韧性断裂，而小于而小于5%5%者为脆性断裂。者为脆性断裂。 此外，按断裂面相对作用力方向的取向关系，分正断与此外，按断裂面相对作用力方向的取向关系，分正断与剪断两种形式，垂直于最大正应力的断裂称正断，沿最大切剪断两种形式，垂直于最大正应力的断裂称正断，沿最大切应力方向发生的断裂

2、为剪断。应力方向发生的断裂为剪断。 通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。通常正断沿解理面断裂；剪断沿滑移面断裂。 韧性断裂韧性断裂 在断裂前金属经受了较大的塑性变形，在断裂前金属经受了较大的塑性变形，其断口呈纤其断口呈纤维状，灰暗无光。维状，灰暗无光。韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界韧性断裂主要是穿晶断裂，如果晶界处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。处有夹杂物或沉淀物聚集，则也会发生晶间断裂。 韧性断裂也有不同的表现形式：一种是切变断裂，韧性断裂也有不同的表现形式：一种是切变断裂，例如密排六方金属单晶体沿基面作大量滑移后就会发生例如密排六方金属单晶体沿基面作大量滑移后就会发生这种形

3、式的断裂，其断裂面就是滑移面，如图这种形式的断裂，其断裂面就是滑移面，如图3-68b3-68b所示；所示；另一种是试样在塑性变形后出现缩颈，一些塑性非常好另一种是试样在塑性变形后出现缩颈，一些塑性非常好的材料如金、铅和铝，可以拉缩成一个点才断开，如图的材料如金、铅和铝，可以拉缩成一个点才断开，如图3-68c3-68c所示；对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开所示；对于一般的韧性金属，断裂则由试样中心开始，然后沿图始，然后沿图3-68d3-68d所示的虚线断开，形成杯锥状断口。所示的虚线断开，形成杯锥状断口。 宏观断裂微观断裂正断与剪断的宏观与微观形式韧性断裂有如下几个特点：韧性断裂有如下几个

4、特点：1 1。韧性断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂时要消耗。韧性断裂前已发生了较大的塑性变形，断裂时要消耗相当多的能量，所以韧性断裂是一种高能量的吸收过程；相当多的能量，所以韧性断裂是一种高能量的吸收过程；2 2。在小裂纹不断扩大和聚合过程中，又有新裂纹不断产。在小裂纹不断扩大和聚合过程中，又有新裂纹不断产生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；生，所以韧性断裂通常表现为多断裂源；3 3。韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界。韧性断裂的裂纹扩展的临界应力大于裂纹形核的临界应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；应力，所以韧性断裂是个缓慢的撕裂过程；4 4。随着变形的不断进行裂纹不断生成、

5、扩展和集聚，变。随着变形的不断进行裂纹不断生成、扩展和集聚，变形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。形一旦停止，裂纹的扩展也将随着停止。 1 1脆性断裂脆性断裂 在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变在断面外观上没有明显的塑性变形迹象，直接由弹性变形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐，形状态过渡到断裂，断裂面和拉伸轴接近正交，断口平齐，如图如图3-68a3-68a所示。所示。 脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。脆性断裂在单晶体试样中常表现为沿解理面的解理断裂。所谓解理面，一般都是晶面指数比较低的晶面，如体心立方所谓解理面，一般都是晶面指数比较低的晶面，如体

6、心立方的（的（100100）面。）面。 在多晶体试样中则可能出现两种情况：在多晶体试样中则可能出现两种情况：一是裂纹沿解理面的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；一是裂纹沿解理面的穿晶断裂，断口可以看到解理亮面；二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。二是裂纹沿晶界的晶间断裂，断口呈颗粒状。 解理断裂 cleavage 穿晶脆性断裂：在一定条件下（低温高速及应力穿晶脆性断裂：在一定条件下（低温高速及应力集中），当应力达到一定值，快速沿一定的结晶集中），当应力达到一定值，快速沿一定的结晶面面（解理面）（解理面）而发生的断裂。而发生的断裂。 例：低碳钢发生解理断裂时，常沿铁素体例：低碳钢发生解理断裂时

7、，常沿铁素体100晶面发生。晶面发生。 密排六方密排六方 0001解释解释: T对断裂应力对断裂应力f/屈屈服强度服强度s影响不同影响不同T对对f影响不大影响不大,对对s影响显著影响显著TT c. f s ductileT T c. f s brittle二、断裂过程与物理本质二、断裂过程与物理本质 金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，而断裂金属的塑性变形过程和断裂过程是同时发生的，而断裂过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段。过程通常又可以分为裂纹生核和裂纹扩展两个阶段。 从力学角度看，金属多晶体在外力的作用下发生塑性变从力学角度看，金属多晶体在外力的作用下发生塑性变形的初始阶段

8、并不是在所有晶粒内同时发生，而首先在位向形的初始阶段并不是在所有晶粒内同时发生，而首先在位向有利的晶粒（即外力对其滑移系统具有最大切应力的晶粒）有利的晶粒（即外力对其滑移系统具有最大切应力的晶粒）中以滑移或孪晶方式发生塑性变形。中以滑移或孪晶方式发生塑性变形。 从位错理论的观点来看：金属的塑性变形实质上是位错从位错理论的观点来看：金属的塑性变形实质上是位错在滑移面上运动和不断增殖的过程。在滑移面上运动和不断增殖的过程。 金属断裂的基本过程金属断裂的基本过程 一、微裂纹的萌生机理一、微裂纹的萌生机理 金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自金属发生断裂，先要形成微裂纹。这些微裂纹主要来自

9、两个方面：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气两个方面：一是材料内部原有的，如实际金属材料内部的气孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于位孔、夹杂、微裂纹等缺陷；二是在塑性变形过程中，由于位错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随着变形的发展导致错的运动和塞积等原因而使裂纹形核。随着变形的发展导致裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直裂纹不断长大，当裂纹长大到一定尺寸后，便失稳扩展，直至最终断裂。至最终断裂。 裂纹形核理论裂纹形核理论 1 1位错塞积理论位错塞积理论 2 2位错反应理论位错反应理论 3 3位错墙侧移理论位错墙侧移理论 4 4位错消毁理论位错消毁理论

10、位错塞积引起裂口胚芽示意图2 2位错反应理论位错反应理论 图图3-713-71表示在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同表示在相交的滑移面上，由于位错反应发生了同号位错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错相号位错的聚合，便形成了微裂纹。在体心立方中，两位错相遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的遇反应的结果，可在解理面上形成不易滑移的001001刃型位刃型位错，刃型位错的合并即是体心立方的解理面（错，刃型位错的合并即是体心立方的解理面（001001）面上形）面上形成解理裂纹。成解理裂纹。 3 3位错墙侧移理论位错墙侧移理论 由于刃型位错的垂直排列构成了位错墙，同时引起滑移由于刃型位错

11、的垂直排列构成了位错墙，同时引起滑移面的弯折而使裂口形核（图面的弯折而使裂口形核（图3-723-72），裂口面将是和滑移面重），裂口面将是和滑移面重合。密排六方金属沿滑移面断裂的原因正是这一理论。合。密排六方金属沿滑移面断裂的原因正是这一理论。 4 4位错消毁理论位错消毁理论 在外力作用下位错发生相对运动，若两个相距为在外力作用下位错发生相对运动，若两个相距为h10h10个个原子间距的平行滑移面上，存在有异号刃型位错，当它们相原子间距的平行滑移面上，存在有异号刃型位错，当它们相互接近后，就会彼此合并而消毁，便在中心处形成孔隙，随互接近后，就会彼此合并而消毁，便在中心处形成孔隙，随着滑移的进行，

12、孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞（图着滑移的进行，孔隙逐渐扩大，形成长条形空洞（图3-733-73）。）。 二、裂纹的扩展二、裂纹的扩展 金属材料在塑性变形过程中形成微裂纹（或空洞），并金属材料在塑性变形过程中形成微裂纹（或空洞），并不意味着材料即将断裂，从微裂纹形成到导致金属的最终断不意味着材料即将断裂，从微裂纹形成到导致金属的最终断裂是一个扩展过程，这个过程与材料的性质、应力状态等外裂是一个扩展过程，这个过程与材料的性质、应力状态等外部条件密切相关。部条件密切相关。 塑性塑性- -脆性转变脆性转变 塑性与脆性并非金属固定不变的特性，像金属钨，虽在塑性与脆性并非金属固定不变的特性，像金属钨，虽在

13、室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑性。在拉伸时室温下呈现脆性，但在较高的温度下却具有塑性。在拉伸时为脆性的金属，在高静水压力下却呈现塑性。在室温下拉伸为脆性的金属，在高静水压力下却呈现塑性。在室温下拉伸为塑性的金属，在出现缺口、低温、高变形速度时却可能变为塑性的金属，在出现缺口、低温、高变形速度时却可能变得很脆。所以，得很脆。所以，金属是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种金属是韧性断裂还是脆性断裂，取决于各种内在因素和外在条件。内在因素和外在条件。 一般的金属与合金（面心立方者除外）有塑性一般的金属与合金（面心立方者除外）有塑性- -脆脆性转变的现象。性转变的现象。如果改变试验温度，就可以

14、发现存在如果改变试验温度，就可以发现存在有一个转变温度有一个转变温度TcTc，在，在TcTc以上，断裂是韧性的，在以上，断裂是韧性的，在TcTc以下，断裂就是脆性的。以下，断裂就是脆性的。 图图3-74a3-74a表示了不同金属断面收缩率随温度变化的表示了不同金属断面收缩率随温度变化的情况，在转变温度处断面收缩率突然下降。如果温度情况，在转变温度处断面收缩率突然下降。如果温度保持不变，而将其他参数改变，例如改变晶粒度、屈保持不变，而将其他参数改变，例如改变晶粒度、屈服强度、变形速度、应力状态（用不同深度的缺口来服强度、变形速度、应力状态（用不同深度的缺口来影响应力状态，缺口越深、转变温度越高、

15、造成所谓影响应力状态，缺口越深、转变温度越高、造成所谓缺口脆性）等，如图缺口脆性）等，如图3-74b3-74b所示，同样也可以出现塑性所示，同样也可以出现塑性- -脆性转变现象。脆性转变现象。 生活经验生活经验 用力拉一根铁丝很难拉断，反复地弯这根铁丝用力拉一根铁丝很难拉断，反复地弯这根铁丝却能将它折断。却能将它折断。 u工程中的零件或构件的破坏工程中的零件或构件的破坏80%以上是由于疲以上是由于疲劳引起。劳引起。491. 1. 疲劳断裂失效的基本形式疲劳断裂失效的基本形式 机械零件疲劳断裂失效形式很多。机械零件疲劳断裂失效形式很多。 按交变载荷的形式不同按交变载荷的形式不同，可分为拉压疲劳、

16、弯曲疲劳、扭转疲劳，可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等；、接触疲劳、振动疲劳等； 按疲劳断裂的总周次的大小（按疲劳断裂的总周次的大小（N Nf f）可分为高周疲劳（可分为高周疲劳（N Nf f10105 5）和）和低周疲劳（低周疲劳（N Nf f10104 4）；）； 按零件服役的温度及介质条件按零件服役的温度及介质条件可分为机械疲劳（常温、空气中的可分为机械疲劳（常温、空气中的疲劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。疲劳）、高温疲劳、低温疲劳、冷热疲劳及腐蚀疲劳等。 但其基本形式只有两种，即由切应力引起的切断疲劳及由正应力但其基本形式只有两种，即由切应力引起的

17、切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。引起的正断疲劳。其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条其它形式的疲劳断裂，都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。件下的复合。疲劳断裂的基本形式和特征疲劳断裂的基本形式和特征504.1 疲劳断裂的基本形式和特征疲劳断裂的基本形式和特征511.11.1、切断疲劳失效、切断疲劳失效 切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力缺口切断强度学条件是：切应力缺口切断强度1；正应力缺口正断强度；正应力缺口正断强度1。 切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平

18、面应力状态；初切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成裂纹的所在平面与应力轴约成45角，并沿其滑移面扩展。角，并沿其滑移面扩展。 由于由于面心立方结构面心立方结构的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，而的单相金属材料的切断强度一般略低于正断强度，而在单向压缩、拉伸及扭转条件下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性在单向压缩、拉伸及扭转条件下，最大切应力和最大正应力的比值（即软性系数）分别为系数）分别为2.0、0.5、0.8，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满，所以对于这类材料，其零件的表层比较容易满足上述力学条件，因而多以切断形式破坏

19、。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳足上述力学条件，因而多以切断形式破坏。例如铝、镍、铜及其合金的疲劳初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。初裂纹，绝大多数以这种方式形成和扩展。低强度高塑性材料制作的中小型低强度高塑性材料制作的中小型及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件都将有利于这种及薄壁零件、大应力振幅、高的加载频率及较高的温度条件都将有利于这种破坏形式的产生。破坏形式的产生。4.1 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征疲劳断裂的基本形式和特征521.21.2、正断疲劳失效、正断疲劳失效 正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是：正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初

20、裂纹产生的力学条件是：正应力缺口正断强度正应力缺口正断强度1，切应力缺口切断强度，切应力缺口切断强度1。 正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态；正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为平面应变状态；初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿着结晶学平面扩展。沿着结晶学平面扩展。 大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以此种形式进行的。特别是体。特别是体心立方金属及其合金以这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试心立方金属及其合金以

21、这种形式破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口件的内部裂纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时，正断疲劳裂纹也易在表面产生 高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及高强度、低塑性的材料、大截面零件、小应力振幅、低的加载频率及腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。腐蚀、低温条件均有利于正断疲劳裂纹的萌生与扩展。 4.1 4.1 疲劳断裂的基本形式和特征疲劳断裂的基本形式和特征14. .4 S

22、- -N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定 试验表明试验表明：在某一循环特性下，若最大应力不超：在某一循环特性下，若最大应力不超过过某一极限值某一极限值，则材料可经受，则材料可经受无限次无限次应力循环而不发应力循环而不发生疲劳。生疲劳。 通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性通常将最大应力的这一极限值称为材料在循环特性r 时的时的疲劳极限疲劳极限（持久极限持久极限），用表示），用表示 r。 疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标疲劳极限是衡量材料疲劳失效的强度指标 疲劳极限与循环特性有关疲劳极限与循环特性有关 对称循环时的疲劳极限最小对称循环时的疲劳极限最小 对称循环是交变应力中的最

23、危险情况对称循环是交变应力中的最危险情况一、一、疲劳的强度指标疲劳的强度指标14. .4 S- -N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定疲劳疲劳极限极限的测定：的测定： 2. .第一根试样承受第一根试样承受 max 0.7 b ； 通常在通常在纯弯曲纯弯曲变形下测定变形下测定对称循环对称循环时的疲劳极限时的疲劳极限 -1-1测定步骤测定步骤： 1. .准备准备610个个d = =710 mm光滑小试样；光滑小试样； 3. .逐步减小逐步减小 max，直到循环次数很大时，得到，直到循环次数很大时，得到 - -1= = max。二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法14. .4 S- -

24、N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定F522431Fa/21试样2夹头3计数器4电机5传动轴6重物+aa6二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法疲劳疲劳极限极限的测定：的测定： 通常在通常在纯弯曲纯弯曲变形下测定变形下测定对称循环对称循环时的疲劳极限时的疲劳极限 -1-114. .4 S- -N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定 以最大应力为纵坐标，循环次数以最大应力为纵坐标，循环次数( (寿命寿命) )为横坐为横坐标，将疲劳试验结果描绘成的曲线，称为标，将疲劳试验结果描绘成的曲线，称为应力应力寿寿命曲线命曲线或或S- -N曲线曲线。N max max 1 max 2 1NN

25、=1072NS-N曲线二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法14. .4 S- -N曲线及曲线及疲劳极限的测定疲劳极限的测定常温试验结果表明：常温试验结果表明： 若钢材经过若钢材经过107次循环仍未疲劳，则再增加循环次次循环仍未疲劳，则再增加循环次数，也不会疲劳。数，也不会疲劳。钢材的疲劳极限钢材的疲劳极限经经107次循环仍未发生疲劳的最大次循环仍未发生疲劳的最大 循环基数循环基数N0=107循环次数循环次数 应力应力二、二、疲劳极限的测定方法疲劳极限的测定方法N max max 1 max 2 1NN=1072NS-N曲线SJTU上海交通大学材料力学材料力学 Mechanics of

26、Materials 疲疲 劳劳 Fatigue疲疲 劳劳 FatigueSJTU上海交通大学材料力学材料力学 Mechanics of Materials 疲疲 劳劳 Fatigue耐蚀性 指材料抵抗环境介质腐蚀 的能力腐蚀性 指环境介质腐蚀材料的强 弱程度腐蚀过程的本质 金属 金属化合物 G0， 自发过程 不可逆过程腐蚀的危害 1. 造成巨大的经济损失2. 造成金属资源和能源的浪费3. 造成设备的破坏事故4. 阻碍新技术的发展经济损失包括直接损失和间接损失 直接损失：指采用防护技术的费用和发生腐蚀破坏以后的维修、更换费用和劳务费用。 间接损失：指设备发生腐蚀破坏造成停工、停产；跑、冒、滴、漏

27、造成物料流失；腐蚀使产品污染，质量下降，设备效率降低，能耗增加；在计算壁厚时需增加腐蚀裕度，造成钢材浪费等。孔蚀孔蚀 孔蚀即小孔腐蚀，亦称点蚀。腐蚀破坏形态是孔蚀即小孔腐蚀，亦称点蚀。腐蚀破坏形态是金属表面局部位置形成蚀孔或蚀坑，一般孔深金属表面局部位置形成蚀孔或蚀坑，一般孔深大于孔径。大于孔径。 腐蚀的破坏特征腐蚀的破坏特征 (1) 破坏高度集中破坏高度集中 (2) 蚀孔的分布不均匀蚀孔的分布不均匀(3) 蚀孔通常沿重力方向发展蚀孔通常沿重力方向发展 (4) 蚀孔口很小，而且往往覆盖有固体沉积物，因蚀孔口很小，而且往往覆盖有固体沉积物，因此不易发现。此不易发现。 (5) 孔蚀发生有或长或短的

28、孕育期孔蚀发生有或长或短的孕育期(或诱导期或诱导期)。 孔蚀的引发孔蚀的引发 孔蚀的形成可分为引发和成长孔蚀的形成可分为引发和成长(发展发展)两个阶段。两个阶段。在钝态金属表面上，蚀孔优先在一些敏感位置上形在钝态金属表面上，蚀孔优先在一些敏感位置上形成，这些敏感位置成，这些敏感位置(即腐蚀活性点即腐蚀活性点)包括：包括： (1) 晶界晶界(特别是有碳化物析出的晶界特别是有碳化物析出的晶界)，晶格缺陷，晶格缺陷 。(2) 非金属夹杂，特别是硫化物非金属夹杂，特别是硫化物,如如FeS、MnS，是最，是最为敏感的活性点。为敏感的活性点。 (3) 钝化膜的薄弱点钝化膜的薄弱点(如位错露头、划伤等如位错

29、露头、划伤等)。 孔蚀的影响因素孔蚀的影响因素 (1) 金属材料金属材料 能够鈍化的金属容易发生孔蚀，故不锈钢能够鈍化的金属容易发生孔蚀，故不锈钢 比碳钢对孔蚀的敏感性高。金属钝态愈稳比碳钢对孔蚀的敏感性高。金属钝态愈稳定，抗孔蚀性能愈好。孔蚀最容易发生在定，抗孔蚀性能愈好。孔蚀最容易发生在 钝态不稳定的金属表面。钝态不稳定的金属表面。 对不锈钢，对不锈钢，Cr、Mo和和N有利于提高抗孔蚀有利于提高抗孔蚀能力。能力。 (2) 环境环境 活性离子能破坏钝化膜，引发孔蚀。一般认为，活性离子能破坏钝化膜，引发孔蚀。一般认为，金属发生孔蚀需要金属发生孔蚀需要Cl- 浓度达到某个最低值浓度达到某个最低值

30、(临界临界氯离子浓度氯离子浓度)。这个临界氯离子浓度可以作为比较。这个临界氯离子浓度可以作为比较金属材料耐蚀性能的一个指标，临界氯离子浓度金属材料耐蚀性能的一个指标，临界氯离子浓度高，金属耐孔蚀性能好高，金属耐孔蚀性能好 。 缓蚀性阴离子缓蚀性阴离子:缓蚀性阴离子可以抑制孔蚀的发生。缓蚀性阴离子可以抑制孔蚀的发生。 pH值值 在较宽的在较宽的pH值范围内，孔蚀电位值范围内，孔蚀电位Eb与溶液与溶液pH值关值关系不大。当系不大。当PH10，随，随PH值升高，孔蚀电位增值升高，孔蚀电位增大，即在碱性溶液中，金属孔蚀倾向较小。大，即在碱性溶液中，金属孔蚀倾向较小。 温度温度温度升高，金属的孔蚀倾向增

31、大。当温度低于某温度升高，金属的孔蚀倾向增大。当温度低于某个温度，金属不会发生孔蚀。这个温度称为临界个温度，金属不会发生孔蚀。这个温度称为临界孔蚀温度孔蚀温度(CPT) ，CPT愈高，则金属耐孔蚀性能愈高，则金属耐孔蚀性能愈好。愈好。 流动状态流动状态 在流动介质中金属不容易发生孔蚀，而在在流动介质中金属不容易发生孔蚀，而在停滞液体中容易发生，停滞液体中容易发生，这是因为介质流动这是因为介质流动有利于消除溶液的不均匀性，所以输送海有利于消除溶液的不均匀性，所以输送海水的不锈钢泵在停运期间应将泵内海水排水的不锈钢泵在停运期间应将泵内海水排尽。尽。 缝隙腐蚀缝隙腐蚀 缝隙腐蚀是指腐蚀破坏发生在金属

32、表面上的缝隙缝隙腐蚀是指腐蚀破坏发生在金属表面上的缝隙部位，在缝隙内区域，腐蚀破坏形态可以是蚀孔部位，在缝隙内区域，腐蚀破坏形态可以是蚀孔，蚀坑，也可能是全面腐蚀。，蚀坑，也可能是全面腐蚀。 缝隙种类缝隙种类 (1) 机器和设备上的结构缝隙机器和设备上的结构缝隙 (2) 固体沉积固体沉积(泥沙、腐蚀产物等泥沙、腐蚀产物等)形成的缝隙。形成的缝隙。 (3) 金属表面的保护模金属表面的保护模 (如瓷漆、清漆、磷化层、如瓷漆、清漆、磷化层、金属涂层金属涂层)与金属基体之间形成的缝隙。与金属基体之间形成的缝隙。 缝隙尺寸缝隙尺寸 造成缝隙腐蚀的缝隙是狭缝，一般认为其造成缝隙腐蚀的缝隙是狭缝，一般认为其

33、尺寸在尺寸在0.025 0.1毫米范围。毫米范围。宽度太小则溶液不能进入，不会造成缝内宽度太小则溶液不能进入，不会造成缝内腐蚀；宽度太大则不会造成物质迁移困难，腐蚀；宽度太大则不会造成物质迁移困难，缝内腐蚀和缝外腐蚀无大的差别。缝内腐蚀和缝外腐蚀无大的差别。 影响因素影响因素 （1）金属材料）金属材料 几乎所有的金属材料都会发生缝隙腐蚀几乎所有的金属材料都会发生缝隙腐蚀 ，钝态的金属对缝隙腐蚀最为敏感钝态的金属对缝隙腐蚀最为敏感 。（2）环境）环境几乎所有溶液中都能发生缝隙腐蚀，以含几乎所有溶液中都能发生缝隙腐蚀，以含溶解氧的中性氯化物溶液最常见溶解氧的中性氯化物溶液最常见 。评定方法评定方法

34、 （同孔蚀）（同孔蚀） 86420 12 24 36 48-0.9-0.7-0.5-0.1 0 0.1 2 4 6 8缝隙宽度: 1 3.5mm 2 2.7mm 3 2.0mm氧浓度(升/毫克)时间(小时)缝隙内海水中氧浓度的变化 玻璃-钛缝隙123氧浓度(毫克/升)海水中氧的浓度对铝合金和钛合金电位的影响转引自P48.49铝合金 闭塞腐蚀电池理论闭塞腐蚀电池理论 闭塞电池的概念闭塞电池的概念由于闭塞的几何条件（缝隙、孔蚀、裂纹由于闭塞的几何条件（缝隙、孔蚀、裂纹）造成溶液的停滞状态，使物质的迁移困）造成溶液的停滞状态，使物质的迁移困难，结果使闭塞区内腐蚀条件强化，闭塞难，结果使闭塞区内腐蚀条

35、件强化，闭塞区内外电化学条件形成很大的差异，结果区内外电化学条件形成很大的差异，结果闭塞区内金属表面发生活性溶解腐蚀，使闭塞区内金属表面发生活性溶解腐蚀，使孔蚀和缝隙腐蚀以很大的速度扩展。孔蚀和缝隙腐蚀以很大的速度扩展。闭塞腐蚀电池的工作过程闭塞腐蚀电池的工作过程 （1）缝隙内氧的贫乏）缝隙内氧的贫乏 由于缝隙内贫氧，缝隙内外形成氧浓差电池。缝由于缝隙内贫氧，缝隙内外形成氧浓差电池。缝隙内金属表面为阳极，缝外自由表面为阴极。隙内金属表面为阳极，缝外自由表面为阴极。（2）金属离子水解、溶液酸化）金属离子水解、溶液酸化（3） 缝隙内溶液缝隙内溶液pH值下降，达到某个临界值，值下降，达到某个临界值，

36、不锈钢表面钝化膜破坏，转变为活态，缝隙内金不锈钢表面钝化膜破坏，转变为活态，缝隙内金属溶解速度大大增加。属溶解速度大大增加。（4）上述过程反复进行，互相促进，整个腐蚀）上述过程反复进行，互相促进，整个腐蚀过程具有自催化特性。过程具有自催化特性。 eeeeeeeeo2OH-OH-M+M+o2Na+Na+Na+Cl-M+o2OH-o2OH-M+o2OH-M+Cl-Na+eeeo2OH-OH-o2M(OH)2M+M+M+M+M+M+Cl-M+M+Cl-M+M+M+Cl-Cl-M+Cl-Cl-Na+o2Cl-o2o2OH-初期阶段后期阶段金属在海水中（中性氯化物溶液）缝隙腐蚀局部腐蚀 孔蚀和缝隙腐蚀的

37、比较孔蚀和缝隙腐蚀的比较 孔蚀和缝隙腐蚀有许多孔蚀和缝隙腐蚀有许多相同之处相同之处。首先，腐蚀。首先，腐蚀依赖于钝态的金属材料在含氯化物的溶液中容易依赖于钝态的金属材料在含氯化物的溶液中容易发生，造成典型的局部腐蚀。其次，孔蚀和缝隙发生，造成典型的局部腐蚀。其次，孔蚀和缝隙腐蚀成长阶段的机理都可以用闭塞电池自催化效腐蚀成长阶段的机理都可以用闭塞电池自催化效应说明。应说明。 但孔蚀和缝隙腐蚀也有许多但孔蚀和缝隙腐蚀也有许多不同之处不同之处。第一，孔蚀的闭塞区是在腐蚀过程中形成的，闭第一，孔蚀的闭塞区是在腐蚀过程中形成的，闭塞程度较大；而缝隙腐蚀的闭塞区在开始就存在塞程度较大；而缝隙腐蚀的闭塞区在

38、开始就存在，闭塞程度较小。，闭塞程度较小。 第二，孔蚀发生需要活性离子第二，孔蚀发生需要活性离子(如如Cl- 离子离子)，缝隙腐，缝隙腐蚀则不需要，虽然在含蚀则不需要，虽然在含Cl- 离子的溶液中更容易发离子的溶液中更容易发生，生，第三，孔蚀的临界电位第三，孔蚀的临界电位Eb较缝隙腐蚀临界电位较缝隙腐蚀临界电位Eb高，高，Eb与与Erp之间的差值较缝隙腐蚀小之间的差值较缝隙腐蚀小(在相同试验条件在相同试验条件下测量下测量)，而且在，而且在Eb与与Erp之间的电位范围内不形成之间的电位范围内不形成新的孔蚀，只是原有的蚀孔继续成长，但在这个新的孔蚀，只是原有的蚀孔继续成长，但在这个电位范围内缝隙腐

39、蚀既可以发生也可以成长。电位范围内缝隙腐蚀既可以发生也可以成长。 晶间腐蚀晶间腐蚀 晶间腐蚀晶间腐蚀指腐蚀主要发生在金属材料的晶指腐蚀主要发生在金属材料的晶粒间界区，沿着晶界发展，即晶界区溶解粒间界区，沿着晶界发展，即晶界区溶解速度远大于晶粒溶解速度。速度远大于晶粒溶解速度。 发生晶间腐蚀的电化学发生晶间腐蚀的电化学 条件条件（1）晶粒和晶界区的组织不同，因而电化）晶粒和晶界区的组织不同，因而电化学性质存在显著差异。学性质存在显著差异。内因内因（2）晶粒和晶界的差异要在适当的环境下）晶粒和晶界的差异要在适当的环境下才能显露出来。才能显露出来。 外因外因 不锈钢的晶间腐蚀不锈钢的晶间腐蚀 敏化热

40、处理敏化热处理 不锈钢的晶间腐蚀常常是在受到不正确的热处理以不锈钢的晶间腐蚀常常是在受到不正确的热处理以后发生的，使不锈钢产生晶间腐蚀倾向的热处理叫后发生的，使不锈钢产生晶间腐蚀倾向的热处理叫做做敏化热处理敏化热处理。奥氏体不锈钢的敏化热处理范围为奥氏体不锈钢的敏化热处理范围为450 C850 C。当当奥氏体不锈钢在这个温度范围较长时间加热奥氏体不锈钢在这个温度范围较长时间加热(如焊接如焊接)或缓慢冷却，就产生了晶间腐蚀敏感性。或缓慢冷却，就产生了晶间腐蚀敏感性。铁素体不锈钢的敏化温度在铁素体不锈钢的敏化温度在900 C以上，而在以上，而在700-800 C退火可以消除晶间腐蚀倾向。退火可以消

41、除晶间腐蚀倾向。 应力腐蚀应力腐蚀 应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成的金属破坏。在固定成的金属破坏。在固定(静止静止)应力情况，称为应应力情况，称为应力腐蚀破裂力腐蚀破裂(或应力腐蚀开裂或应力腐蚀开裂)，记为，记为SCC；在循；在循环应力情况，称为腐蚀疲劳，环应力情况，称为腐蚀疲劳， 记为记为CF。 特征特征 (1) 主要是合金发生主要是合金发生SCC，纯金属极少发生，纯金属极少发生 (2) 对环境的选择性对环境的选择性 形成了所谓形成了所谓“SCC的材料的材料环境组合环境组合”。 金属或合金腐 蚀 介 质软钢碳钢和低合金钢奥氏体不锈钢铜和铜合金镍和镍

42、合金蒙乃尔合金铝合金铅镁NaOH,硝酸盐溶液,(硅酸纳+硝酸钙)溶液42%Mgcl2溶液,HCNNaCIO溶液,海水,H2S水溶液氯化物溶液,高温高压蒸馏水氨蒸气,汞盐溶液,含SO2大气NaOH水溶液,HF酸,氟硅酸溶液熔融Nacl,Nacl水溶液,海水,水蒸气,含SO2大气Pb(AC)2溶液海洋大气,蒸馏水,Kcl-K2CrO4溶液产生应力腐蚀破裂的材料产生应力腐蚀破裂的材料-介质组合介质组合 (局部腐蚀局部腐蚀)(3) 只有拉应力才引起只有拉应力才引起SCC，压应力反而会，压应力反而会阻止或延缓阻止或延缓SCC的发生。的发生。 (4) 裂缝方向宏观上和拉引力垂直，其形态有裂缝方向宏观上和拉

43、引力垂直，其形态有晶间型，穿晶型，混合型。晶间型，穿晶型，混合型。 (5) SCC有孕育期，因此有孕育期，因此SCC的破断时间的破断时间tf可分可分为孕育期，发展期和快断期三部分。为孕育期，发展期和快断期三部分。 (6)发生发生SCC的合金表面往往存在钝化膜或其的合金表面往往存在钝化膜或其他保护膜，在大多数情况下合金发生他保护膜，在大多数情况下合金发生SCC时时均匀腐蚀速度很小，因此金属失重甚微。均匀腐蚀速度很小，因此金属失重甚微。 低于某个临界值低于某个临界值 th时，材料不发生破裂，时，材料不发生破裂， th称为称为SCC临界应力。临界应力。 th愈大，材料耐愈大，材料耐SCC性能愈好。性

44、能愈好。 腐蚀因素腐蚀因素（1）SCC对环境有选择性对环境有选择性（2）氧化剂的存在有决定性作）氧化剂的存在有决定性作 用用（3）温度有着重要的影响。一般来说，温度升高，）温度有着重要的影响。一般来说，温度升高，材料发生材料发生SCC的倾向增的倾向增 大。大。 （4）干湿交替环境使有害离子浓缩，）干湿交替环境使有害离子浓缩，SCC更容易发更容易发生生 。 冶金因素冶金因素 合金的化学成分、热处理、组织结构、加工状合金的化学成分、热处理、组织结构、加工状态对其态对其SCC敏感性都有影响。敏感性都有影响。 对于奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的对于奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的SCC来说，来说，提高提高N

45、i含量，加入硅、铜，有利于提高抗含量，加入硅、铜，有利于提高抗SCC性能。性能。 增加碳含量也有利于提高耐增加碳含量也有利于提高耐SCC性能，但含碳性能，但含碳量大则容易产生晶间性量大则容易产生晶间性SCC。 应力腐蚀破裂的机理应力腐蚀破裂的机理 SCC的机理有两种：的机理有两种：阳极溶解阳极溶解(AD)机理机理氢致开裂氢致开裂(HIC)机理。机理。 氢损伤氢损伤 金属材料在高温氢气作用下发生机械性能劣化的金属材料在高温氢气作用下发生机械性能劣化的现象叫做氢损伤。现象叫做氢损伤。 （1）氢脆）氢脆 把氢对金属的物理作用所引起的损伤叫做氢脆。把氢对金属的物理作用所引起的损伤叫做氢脆。即氢溶解于金

46、属中形成固溶体，氢原子在金属的即氢溶解于金属中形成固溶体，氢原子在金属的缺陷中复合为氢分子。缺陷中复合为氢分子。 （2）氢腐蚀氢腐蚀 把氢与金属化学作用引起的损伤叫做氢腐蚀。氢把氢与金属化学作用引起的损伤叫做氢腐蚀。氢与钢中碳化物等第二相反应生成甲烷等气体。氢与钢中碳化物等第二相反应生成甲烷等气体。氢腐蚀比氢脆的破坏作用大得多。腐蚀比氢脆的破坏作用大得多。 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 在循环应力在循环应力(交变应力交变应力)和腐蚀环境的联合作用下金和腐蚀环境的联合作用下金属材料发生的严重腐蚀破坏叫做腐蚀疲劳属材料发生的严重腐蚀破坏叫做腐蚀疲劳(简记为简记为CF)。 SN曲线和疲劳极限曲线和疲劳极限 在腐

47、蚀环境中疲劳极限不存在，在腐蚀环境中疲劳极限不存在，即在低应力下造成即在低应力下造成断裂的循环数仍与应力有关。为了便于对各种金属断裂的循环数仍与应力有关。为了便于对各种金属材料耐腐蚀疲劳性能进行比较，一般是规定一个循材料耐腐蚀疲劳性能进行比较，一般是规定一个循环次数环次数(如如107) ，从而得出名义的腐蚀疲劳极限，记，从而得出名义的腐蚀疲劳极限，记为为 -1c。 腐蚀疲劳的特征腐蚀疲劳的特征 (1) 任何金属任何金属(包括纯金属包括纯金属)在任何介质中都能发生在任何介质中都能发生腐蚀疲劳，即不要求特定的材料环境组合。腐蚀疲劳，即不要求特定的材料环境组合。 (2) 环境条件环境条件(腐蚀介质条

48、件种类、温度、腐蚀介质条件种类、温度、pH、氧、氧含量等含量等)对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。对材料的腐蚀疲劳行为都有显著影响。 (3) 纯疲劳性能与循环频率无关，腐蚀疲劳性能与纯疲劳性能与循环频率无关，腐蚀疲劳性能与频率有关。频率有关。 (4) 与应力腐蚀破裂相比，腐蚀疲劳裂纹主要为穿与应力腐蚀破裂相比，腐蚀疲劳裂纹主要为穿晶型。晶型。 (5) 对金属材料进行阴极极化对金属材料进行阴极极化,可使裂纹扩展速度明可使裂纹扩展速度明显降低。显降低。 腐蚀疲劳机理腐蚀疲劳机理 一般是用金属材料的疲劳机理和电化学腐蚀作用一般是用金属材料的疲劳机理和电化学腐蚀作用结合来说明腐蚀疲劳的机理。结合来说明

49、腐蚀疲劳的机理。 孔蚀或其他局部腐蚀造成缺口，缝隙，引起应力孔蚀或其他局部腐蚀造成缺口，缝隙，引起应力集中，造成滑移。滑移台阶的腐蚀溶解使逆向加集中，造成滑移。滑移台阶的腐蚀溶解使逆向加载时表面不能复原，成为裂纹源。反复加载使裂载时表面不能复原，成为裂纹源。反复加载使裂纹不断扩展，腐蚀作用使裂纹扩展速度加快。纹不断扩展，腐蚀作用使裂纹扩展速度加快。 在交变应力作用下，滑移具有累积效应，表面膜在交变应力作用下，滑移具有累积效应，表面膜更容易遭到破坏。更容易遭到破坏。 磨损腐蚀磨损腐蚀 定义定义 高速流动的腐蚀介质高速流动的腐蚀介质(气体或液体气体或液体)对金属材料造对金属材料造成的腐蚀破坏叫做磨

50、损腐蚀成的腐蚀破坏叫做磨损腐蚀(erosion-Corrosion)，简称磨蚀，也叫做冲刷腐蚀。简称磨蚀，也叫做冲刷腐蚀。 影响因素影响因素 (1) 耐磨损腐蚀性能与它的耐蚀性和耐磨性都有关耐磨损腐蚀性能与它的耐蚀性和耐磨性都有关系。系。(2) 表面膜的保护性能和损坏后的修复能力，对材表面膜的保护性能和损坏后的修复能力，对材料耐磨损腐蚀性能有决定性的作用。料耐磨损腐蚀性能有决定性的作用。 (3)流速对金属材料腐蚀的影响是复杂的，当液体流动流速对金属材料腐蚀的影响是复杂的，当液体流动有利于金属鈍化时，流速增加将使腐蚀速度下降。有利于金属鈍化时，流速增加将使腐蚀速度下降。流动也能消除液体停滞而使孔

51、蚀等局部腐蚀不发生。流动也能消除液体停滞而使孔蚀等局部腐蚀不发生。只有当流速和流动状态影响到金属表面膜的形成、只有当流速和流动状态影响到金属表面膜的形成、破坏和修复时，才会发生磨损腐蚀。破坏和修复时，才会发生磨损腐蚀。 (4)液体中含量悬浮固体颗粒液体中含量悬浮固体颗粒(如泥浆、料浆如泥浆、料浆)或气泡，或气泡，气体中含有微液滴气体中含有微液滴 (如蒸气中含冷凝水滴如蒸气中含冷凝水滴)，都使磨，都使磨损腐蚀破坏加重。损腐蚀破坏加重。 典 型 腐 蚀 率 (mdd)1英尺/每秒(1)4英尺/每秒(2)27英尺/每秒(3)材 料碳钢铸铁硅青铜海革黄铜Hydraulic青铜G青铜铝青铜(10%Al)

52、铝黄铜GO-10CuNi(0.8%Fe)TO-30CuNi(0.05%Fe)Monel(Ni70Cu30)316型不锈钢Hastelloy C钛 34 45 1 2 4 7 5 2 5 211110 72-22012-110-25427034317033923610599199394130 (1)浸入海潮中 (2)浸入人工海水沟中 (3)挂在浸没的转盘上不 同 流 速 的 海 水 对 金 属 的 腐 蚀 磨损腐蚀的两种重要形式磨损腐蚀的两种重要形式 湍流腐蚀和冲击腐蚀湍流腐蚀和冲击腐蚀 高速流体或流动截面突然变化形成了湍流或冲高速流体或流动截面突然变化形成了湍流或冲击，对金属材料表面施加切应力，使表面膜破击，对金属材料表面施加切应力，使表面膜破坏，不规则的表面使流动方向更为紊乱，产生坏，不规则的表面使流动方向更为紊乱，产生更强的切应力，在磨损和腐蚀的协同作用下形更强的切应力，在磨损和腐蚀的协同作用下形成腐蚀坑成