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文档简介
1、氢脆断裂的失效分析1. 氢损伤的特点和分类 氢损伤指在金属中发生的一些过程,这些过程导致金属的承载能力因氢的出现而下降。 氢损伤可以按照不同方式分类。按照氢损伤敏感性与应变速度的关系分为两大类。第 一类氢损伤的敏感性随应变速度的增加而增加,其本质的是在加载前材料内部已存在 某种裂纹源,故加载后在应力作用下加快了裂纹的形成和扩展。第二类氢损伤的敏感 性随应变速度的增加而降低,其本质是加载前材料内部并不存在裂纹源,加载后由于 应力与氢的交互作用逐渐形成裂纹源,最终导致材料的脆性断裂。1.1 第一类氢损伤第一类氢损伤包括以下几种形式:(1) 氢腐蚀 由于氢在高温高压下与金属中第二相夹杂物货合金添加物
2、发生化学反应,生 成的高压气体,这些高压气体造成材料的内裂纹和鼓泡,使晶界结合力减弱,最终使 金属失去强度和韧性。(2) 氢鼓泡 过饱和的氢原子在缺陷位置 (如夹杂 )析出后, 形成氢分子, 在局部造成很高氢 气压,引起表面鼓泡货内部裂纹。(3) 氢化物型氢脆 氢与周期表中W B或V B族金属亲和力较大,容易生成脆性的氢化物 相,这些氢化物在随后受力时成为裂纹源和扩展途径。 氢在上述三种情况下造成了金属的永久性损伤, 使材料的塑性或强度降低, 即使从金 属中除氢,这些损伤也不能消除,塑性或强度也不能恢复,故称为不可逆损伤。1.2 第二类氢损伤 第二类氢损伤包括以下几种形式:(1) 应力诱发氢化
3、物型氢脆 在稀土、 碱土及某些过渡族金属中,当氢含量不高时, 氢在固溶体中的过饱和度较低,尚不能自发形成氢化物。在加载后,由于应力作用, 使氢在应力集中处富集, 最终形成氢化物。 这种应力应变作用诱发的氢化物相变。 只是在较低的应变 速度下出现的。然而,一旦出现氢化物,即使去载荷除氢,静止一段时间后,再高速变形, 塑性也不能恢复故也属于不可逆氢脆。(2) 可逆氢脆 含氢金属在缓慢的变形中逐渐形成裂纹源,裂纹扩展后最终发生脆断。但在未形成裂纹前 ,去载荷除氢 ,静止一段时间后再高速变形 ,材料的塑性可以得到恢复 ,为可逆 氢脆。加载之前材料若已含有氢则称为内部氢脆,而在致氢环境中加载则称为外氢脆
4、。人们通常所说的氢脆主要是指可逆氢脆 ,这是氢损伤中最主要的一种破坏形式,因此有时把氢损伤简单地称为氢脆。本文主要针对这种形式的氢损伤。2. 氢脆断口的特征2.1 裂纹起源工件如果不承受高水平的外加拉伸应力或残余拉伸应力,则氢脆裂纹通常起源于工件内部或近表面处。工件如果存在严重的应力集中 ,比如表面有尖锐的缺口 ,开裂可能起源于近表面处。2.2 裂纹形貌氢脆断口与其它脆性断口很相似,容易混淆 ,因此在进行失效分析时应慎重对待断口花 样。氢脆裂纹通常是单一裂纹 ,没有明显的分叉。裂纹可以是穿晶的 ,也可以是沿晶的 ,还可以是混合的 ,有时随扩展的进行从一种花样转变为另一种花样。高强材料和有杂质的
5、材料出现沿晶断口的可能性大,这时的晶界面相对于SCC的晶界面来讲,非常干净光洁。在延性不太好 的合金中 (体心立方 ),穿晶裂纹的花样可能是解理或准解理。 在延性好的低强度钢或面心立方 金属中 ,断口花样可能是韧窝 ,随着延性下降 ,韧窝尺寸变小。对于有预裂纹的高强度钢的氢致延迟断裂,断口花样与K I /K I C的比值有关。比值大,机械断裂的比重大 ,断口呈现韧性花样 (韧窝、准解理 )的可能性大 ;比值小 ,则氢有充分的机会起 作用,断口上出现脆性花样 (沿晶、解理 )的可能性增加。低碳钢的氢致沿晶断口很独特 。材料变形时空洞首先在 FeC3上形核,但优先沿晶界扩展,这样 就获得了所谓的
6、“韧性沿晶断口” ,即断口是沿晶的 ,但晶界面是由韧窝构成 ;或在沿晶小刻面 上出现细小的、 发育不完整的韧窝 (图9),即所谓“鸡爪痕”。有人认为这可能是氢气或甲烷气 在晶界处形核的结果 ,也可能是氢增强局部塑性流变的结果。 还有一种情况就是沿晶 (或解理 ) 与撕裂棱上的韧窝共存 (图10),这也是氢脆断口的特征之一。2.3 断口上的沉积对于内部氢脆 ,断口上没有腐蚀产物 ,除非断开后断口接触过腐蚀介质。断口上的外来物 质即使有也是痕量的 ,除非断口被污染过。对于痕量的断口表面物质,需要应用俄歇谱仪进行分析。对于在水介质中发生的外氢脆 ,断口和整个暴露表面通常发生程度不一的腐蚀,腐蚀的阴极
7、过程为氢脆的发生提供了氢 。1、氢蚀(或称气蚀)高压气泡( H2,CH4 )宏观断口:呈氧化色,颗粒状(沿晶) ;微观断口:晶界明显加宽,沿晶断裂。2)白点(发裂)氢的溶解度形成气泡体积f,将金属的局部胀裂。宏观:断面呈圆形或椭圆形,颜色为银白色。甚至有白线。3)氢化物 形成氢化物(凝固、热加工时形成;或应力作用下,元素扩散而形成) 。氢化物很硬、脆,与基体结合不牢。裂纹沿界面扩展。4、氢导致延滞断裂由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。原因:氢显著降低金属材料的断后伸长率。 条件:一定温度范围;慢速加载(恒载) 三个阶段:孕育,亚稳扩展,失稳扩展。1)孕育期氢原子数量f;扩散,偏聚。 氢固溶,在位错线周围偏聚,形成气团;位错运动受阻,产生应力集中,萌生裂纹。2)温度的影响t<tH 氢扩散率很漫,不形成氢脆; t=tH 最敏感; t>tH 氢气团扩散,无氢脆。3)应力状况应变速率高,不会出现氢脆。拉应力促进 H 溶
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