材料失效分析(第六章-腐蚀环境)

1、1 第六章第六章 腐蚀失效分析腐蚀失效分析 （环境断裂失效）（环境断裂失效） 1 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 2 氢脆断裂氢脆断裂 3 蠕变断裂蠕变断裂 4 其它的环境断裂其它的环境断裂2概概 述述环境断裂：环境断裂：主要指金属材料在主要指金属材料在腐蚀介质、温度腐蚀介质、温度环境等条件环境等条件 的影响下，产生的沿晶或穿晶的低应力脆断现象的影响下，产生的沿晶或穿晶的低应力脆断现象常见的环境断裂：常见的环境断裂：SCC、氢脆、蠕变断裂、氢脆、蠕变断裂 液态或固态金属脆、中子脆液态或固态金属脆、中子脆 过热、过烧断裂过热、过烧断裂静载延迟断裂：静载延迟断裂：材料在特定的外界条件下，虽然所受的应力材

2、料在特定的外界条件下，虽然所受的应力 低于材料的屈服强度，但服役一段时间，也低于材料的屈服强度，但服役一段时间，也 可以发生突然的低应力脆断，这类可以发生突然的低应力脆断，这类与时间有与时间有 关的低应力脆断关的低应力脆断现象。现象。31 1、应力腐蚀断裂、应力腐蚀断裂一、引言一、引言1、定义、定义 由由拉应力拉应力和和腐蚀介质腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。联合作用而引起的低应力脆断。2、共同特征、共同特征只有在只有在拉应力拉应力作用下才能引起作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残。这种拉应力可能是残 余拉应力或工作应力。一般情况下，产生余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应

3、力都时拉应力都 很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。要有一定的要有一定的腐蚀介质腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐 蚀介质一般都是特定的（选择性）。蚀介质一般都是特定的（选择性）。一般只有一般只有合金合金才产生才产生SCC，纯金属不会产生，纯金属不会产生SCC。4应力腐蚀发生的条件及涉及的学科应力腐蚀发生的条件及涉及的学科53、断裂过程 裂纹形成：裂纹形成：占全部时间的占全部时间的90% 裂纹扩展：裂纹扩展：占全部时间的占全部时间的10%6引起表面膜局部破裂的因素：引起表面膜局部破裂的因素：环境因

4、素环境因素：可能存在破坏钝化膜的活性离子，如：可能存在破坏钝化膜的活性离子，如Cl-、 Br-等等冶金因素冶金因素：金属表面的缺陷，如夹杂物、位错露头等：金属表面的缺陷，如夹杂物、位错露头等力学因素力学因素：在应力作用下产生的突出表面的滑移台阶：在应力作用下产生的突出表面的滑移台阶机械破损机械破损7二、二、SCCSCC机理机理1、保护膜破裂机理、保护膜破裂机理认为产生认为产生SCC是电化学反应起控制作用是电化学反应起控制作用形成保护膜形成保护膜保护保护膜破裂膜破裂阳极溶解阳极溶解重新形成保护膜重新形成保护膜重新破坏重新破坏新的新的阳极溶解阳极溶解82、应力吸附机理（氢致脆化机理） 认为认为H吸

5、附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲 和力减弱，即表面能降低。和力减弱，即表面能降低。 从从Griffith缺口强度理论可知：缺口强度理论可知： c1/2 c 从而脆化金属，使材料产生早期断裂从而脆化金属，使材料产生早期断裂9三、三、SCCSCC断口形貌特征断口形貌特征1、宏观形貌特征、宏观形貌特征呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚 稳扩展区呈暗色或灰黑色稳扩展区呈暗色或灰黑色最终断裂区具有金属光泽，常有放射状花样或人字纹最

6、终断裂区具有金属光泽，常有放射状花样或人字纹102 2、微观形貌、微观形貌典型断口：典型断口：沿晶断口，晶面有撕裂脊；有时也可观察到沿晶断口，晶面有撕裂脊；有时也可观察到 韧窝、腐蚀坑、二次裂纹，也可能有穿晶断韧窝、腐蚀坑、二次裂纹，也可能有穿晶断 裂，断口有河流、扇形、泥状、块状花样等裂，断口有河流、扇形、泥状、块状花样等沿晶断口沿晶断口11穿晶断口穿晶断口泥纹状断口：泥纹状断口：在在平坦面上分布直平坦面上分布直线状裂纹（如河线状裂纹（如河底干沽状）底干沽状）12四、四、SCCSCC的影响因素与预防措施的影响因素与预防措施1 1、影响因素、影响因素应力：拉应力应力：拉应力环境介质：材料对介质

7、具有选择性环境介质：材料对介质具有选择性成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量含量热处理工艺：热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)2 2、预防措施、预防措施降低应力降低应力表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力改变腐蚀介质改变腐蚀介质选材选材 电化学保护电化学保护132 2 氢脆断裂氢脆断裂一、引言一、引言1、定义、定义: 金属材料由于受到金属材料由于受到含氢气氛含氢气氛的作用而引起的低应力脆断的作用而引起的低应力脆断2、类型、类型内部氢脆：内部氢脆：材料在熔炼、焊接、高温锻造、轧制和

8、热处理等材料在熔炼、焊接、高温锻造、轧制和热处理等 过程中吸收了过量的氢气而造成的过程中吸收了过量的氢气而造成的环境氢脆：环境氢脆：在在应力应力和和含氢介质含氢介质的联合作用下引起的一种低应的联合作用下引起的一种低应 力脆断。如贮氢压力容器、酸洗、电镀材料发生力脆断。如贮氢压力容器、酸洗、电镀材料发生 的断裂的断裂两者区别：两者区别：氢的来源不同，而脆化本质是否相同目前尚未氢的来源不同，而脆化本质是否相同目前尚未 定论。定论。14二、氢脆断口特征二、氢脆断口特征1、内部氢脆、内部氢脆宏观特征：宏观特征：白点：是大型锻件和热轧钢坯中常见的缺陷白点：是大型锻件和热轧钢坯中常见的缺陷 它是钢中氢与组

9、织转变应力、热应力共同作用下产它是钢中氢与组织转变应力、热应力共同作用下产 生的细长裂纹，尺寸一般为几毫米到几十毫米。生的细长裂纹，尺寸一般为几毫米到几十毫米。15白点形貌白点形貌鱼眼型白点鱼眼型白点鱼眼的微观形貌鱼眼的微观形貌16发裂白点（不可逆白点）：发裂白点（不可逆白点）： 断口上呈现白点，呈银白色，轮廓分明，表面光亮断口上呈现白点，呈银白色，轮廓分明，表面光亮 形状为圆形或椭圆形形状为圆形或椭圆形 实际上是一种内部微细裂纹实际上是一种内部微细裂纹鱼眼型白点（可逆白点）：鱼眼型白点（可逆白点）： 是以材料内部的宏观缺陷（气孔、夹渣）为核心的银白是以材料内部的宏观缺陷（气孔、夹渣）为核心的

10、银白 色斑点色斑点 形状为圆形或椭圆形形状为圆形或椭圆形 核心愈大，白色愈大，白色区齐平略为下凹核心愈大，白色愈大，白色区齐平略为下凹17微观特征：微观特征： 穿晶解理型或准解理型花样，以准解理较为多见穿晶解理型或准解理型花样，以准解理较为多见浮云状浮云状波纹状波纹状条条 状状182 2、环境氢脆、环境氢脆宏观形貌：宏观形貌：与一般的脆性断口形态相似，有时可见到一与一般的脆性断口形态相似，有时可见到一 些反光的小刻面、结晶状颗粒或放射状花样些反光的小刻面、结晶状颗粒或放射状花样不锈钢螺栓氢脆断口不锈钢螺栓氢脆断口螺钉氢脆断口螺钉氢脆断口19微观形貌：微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看

11、到解典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解 理及局部韧断。理及局部韧断。20在不同在不同K值下高强钢的断裂形式值下高强钢的断裂形式氢脆的沿晶断口氢脆的沿晶断口21四、四、SCCSCC与氢脆的关系与氢脆的关系联系：联系： 广义的广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总 伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。 微观断口形貌也十分相似微观断口形貌也十分相似22区别：从电化学反应来看从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程是阳极溶解控制过程 Fe - 2e Fe + 氢脆是阴极反应控制过程氢脆是阴极反应控制过程 H+ + e H 2H

12、 H223裂源：裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉从表面开始，裂纹分叉 氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉SCC裂纹裂纹氢脆裂纹氢脆裂纹24五、影响氢脆的外部因素五、影响氢脆的外部因素1、温度、温度 氢脆多发生在温度为氢脆多发生在温度为-100150之间，一般最敏感之间，一般最敏感 的温度是室温的温度是室温 温度太低，氢不易扩散和聚结温度太低，氢不易扩散和聚结 温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量2、H浓度浓度 发生氢脆时不一定要求氢气氛或含氢介质有很高的浓度发生氢脆时不一定要求氢气氛或含氢介质有很高的

13、浓度 如当如当H 1ppm时就能引起高强钢的氢脆。时就能引起高强钢的氢脆。253、置放时间、置放时间 对于内部可逆氢脆，能否出现白点还与置放时间有关。对于内部可逆氢脆，能否出现白点还与置放时间有关。 置放时间置放时间太长或太短太长或太短都不会出现白点。都不会出现白点。263 3 蠕变断裂蠕变断裂一、引言一、引言1、定义、定义 蠕变：蠕变：金属材料在长时间的金属材料在长时间的恒温、恒应力恒温、恒应力作用下，即使作用下，即使 0.2 ，也会缓慢地产生塑性变形的现象，也会缓慢地产生塑性变形的现象 蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断2、发生

14、条件、发生条件 0KTm范围内都会产生蠕变，但只有范围内都会产生蠕变，但只有高于高于0.3Tm时才较时才较 显著显著273 3、蠕变曲线、蠕变曲线典型的蠕变曲线典型的蠕变曲线28二、断裂过程二、断裂过程 蠕变断裂主要是沿晶断裂，包括裂纹形成与扩展蠕变断裂主要是沿晶断裂，包括裂纹形成与扩展裂纹形成：裂纹形成：楔形裂纹：楔形裂纹：通常萌生于三个晶粒相遇的晶粒处，然后通常萌生于三个晶粒相遇的晶粒处，然后 沿晶进行传播。裂纹一般在垂直于应力方沿晶进行传播。裂纹一般在垂直于应力方 向的晶界上向的晶界上各种楔形裂纹形成示意图各种楔形裂纹形成示意图29孔洞型裂纹：孔洞型裂纹： 空穴位于空穴位于 与拉伸方向垂

15、直且成大角度的晶界上，与拉伸方向垂直且成大角度的晶界上， 在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑动，蠕在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑动，蠕 变断裂是由这些小空穴相互连接形成的。变断裂是由这些小空穴相互连接形成的。孔洞型裂纹形成示意图孔洞型裂纹形成示意图30显微空洞的形成显微空洞的形成31裂纹扩展裂纹扩展在蠕变断裂中，很多情况下不存在非常明显的裂纹在蠕变断裂中，很多情况下不存在非常明显的裂纹 扩展阶段的情况扩展阶段的情况32三、蠕变断口形貌特征三、蠕变断口形貌特征宏观形貌：宏观形貌：断口附近有明显的塑性变形，表面有许多龟断口附近有明显的塑性变形，表面有许多龟 裂，并被一层氧化膜覆盖裂，并被一

16、层氧化膜覆盖高温镍基合金高温镍基合金N-73833微观形貌微观形貌研究得不广泛，因在高温下进行，所以断面上附着一层研究得不广泛，因在高温下进行，所以断面上附着一层很厚的氧化膜，遮盖着细节。有时断口上布有涟波条纹很厚的氧化膜，遮盖着细节。有时断口上布有涟波条纹（滑移线）或沿晶断口（滑移线）或沿晶断口耐热钢耐热钢HK40的蠕变断口的蠕变断口34高温合金蠕变断口，涟波条纹高温合金蠕变断口，涟波条纹耐热钢蠕变断口，其上具有氧化膜显微特征耐热钢蠕变断口，其上具有氧化膜显微特征354 4 其它的环境断裂其它的环境断裂一、液态或固态金属脆一、液态或固态金属脆1、定义：、定义：某些高强钢或合金与一些液态金属或

17、固态金属某些高强钢或合金与一些液态金属或固态金属 接触时，使金属引起显著脆化。接触时，使金属引起显著脆化。 如：铜合金与水银接触而产生的液态汞脆如：铜合金与水银接触而产生的液态汞脆 铝合金被液体铝合金被液体Na、Sn脆化脆化 钢与钢与Cd接触出现镉脆接触出现镉脆2、发生条件、发生条件两种金属没有相互有效的溶解度两种金属没有相互有效的溶解度 两种金属不能形成高熔点的金属化合物两种金属不能形成高熔点的金属化合物 固态金属表面能被液态金属所浸润固态金属表面能被液态金属所浸润363 3、裂纹形式、裂纹形式多枝裂纹多枝裂纹网状裂纹网状裂纹374 4、断口形貌特征、断口形貌特征 宏观形貌：宏观形貌：两个区

18、（缓慢断裂区、瞬断区）两个区（缓慢断裂区、瞬断区） 微观形貌：微观形貌：大多数为沿晶脆断，也有穿晶解理大多数为沿晶脆断，也有穿晶解理液态汞脆液态汞脆黄铜的黄铜的Sn脆脆38二、过热断口与过烧断口二、过热断口与过烧断口过热断口过热断口1、定义、定义 材料在热锻、热轧或热处理加热时在高温长时间停留材料在热锻、热轧或热处理加热时在高温长时间停留 由于晶粒粗大而引起的低应力脆断由于晶粒粗大而引起的低应力脆断2、断口形貌特征、断口形貌特征宏观形貌：宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽 石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重微观形貌：微观形貌：典型的延性沿晶断口典型的延性沿晶断口39过烧断口过烧断口1、过烧：、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。 过烧钢的显微组织特点：过烧钢的显微组织特点： 晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化