第9章 环境介质作用下的金属力学性能

1、进入网络实验室第九章第九章 环境介质作用环境介质作用下的金属力学性能下的金属力学性能进入网络实验室v在特定外界条件下工作的机件，虽然所受应力低于材料屈服强度，但服役一定时间后，也可能发生突然脆断。这种与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂延滞断裂。v 外界条件可以是应力，如交变应力；也可以是环境介质，如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。v由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂疲劳断裂；v而在静载荷与环境联合作用下引起的延滞断裂，叫做静载延迟断裂静载延迟断裂，或称静疲劳静疲劳；v如果在腐蚀介质中承受交变应力作用，则产生腐蚀疲腐蚀疲劳劳。进入网络实验室(一) 应力腐蚀现象 Stress Corrosion

2、Cracking 由拉伸应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆性断裂称为应力腐蚀应力腐蚀（常用英文的三个字头SCC表示）。一一 . .应力腐蚀现象及其特征应力腐蚀现象及其特征第一节第一节 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂进入网络实验室应力腐蚀的介质-特定 黄铜-氨气氛 不锈钢-氯离子的腐蚀介质1只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂。2产生应力腐蚀的环境总是存在腐蚀介质，这种腐蚀介质一般 都很弱，如果没有拉应力的同时作用，材料在这种介质中腐蚀速度很慢。应力腐蚀断裂的特定的条件：进入网络实验室合金腐蚀介质碳钢荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H2S水溶液，海水，海洋大气与工业大气奥氏体不锈钢氯化物水溶

3、液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度90%），热NaCl，H2S水溶液，严重污染的工业大气马氏体不锈钢氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金水蒸汽，湿H2S，氨溶液铝合金湿空气，NaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气表表10-1 10-1 合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质合金产生应力腐蚀的特定腐蚀介质进入网络实验室3应力腐蚀的裂纹扩展一般在10-9-10-6m/s，象疲劳。 亚临界扩展-临界尺寸-突然断裂进入网络实验室（二）应力腐蚀断口特征应力腐蚀断裂也是通过裂纹形成裂纹形成和裂纹扩展裂纹扩展这两个过程. 一般认为 裂纹形成约占全部时间的

4、裂纹形成约占全部时间的90%左右左右. . 裂纹扩展仅占裂纹扩展仅占10%左右。左右。应力腐蚀断裂可以是沿晶断裂沿晶断裂，也可以是穿晶断裂穿晶断裂。 取决于合金成分及腐蚀介质.进入网络实验室 应力腐蚀的断口，其宏观形貌属于脆性断裂脆性断裂，有时带有少量塑性撕裂痕迹。裂纹源可能有几个，但往往是位于垂直主应力面上的那个裂纹源才引起断裂。 其裂纹源及亚稳扩展区常呈黑色或灰黑色，失稳扩展区的断口常有放射花样或人字纹, 光亮色。进入网络实验室二二 断裂力学在应力腐蚀中的应用断裂力学在应力腐蚀中的应用应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂延滞断裂。用裂纹扩展速率da/dt来描述应力腐蚀裂纹的亚

5、临界扩展亚临界扩展。进入网络实验室 当裂纹前端的应力场强度因子KI大于大于材料的KISCC时，材料就可能产生应力腐蚀开裂而导致破坏导致破坏，其开裂判据为：式中 KI 裂纹尖端应力场强度因子，公斤力/毫米3/2；KISCC应力腐蚀临界应力场强度因子，公斤力/毫米3/2； 断裂抗力，公斤力/毫米3/2 裂纹的半长度，毫米 Y 裂纹形状系数。或（一）（一）KISCC的概念的概念当K1降低到某一定值后，材料就不会由于应力腐蚀而发生断裂（即材料有无限寿命无限寿命），此时的K1就叫做应力应力腐蚀临界应力场强度因子腐蚀临界应力场强度因子，并以KISCC表示。IsccKK 1aYKIscc进入网络实验室 在l

6、g(da/dt)- K1的坐标上，其关系如图(p167) ，曲线一般可分成三段。（二）应力腐蚀裂纹扩展速率 当裂纹前端的KI KISCC时，裂纹就会随时间而长大。单位时间内裂纹的扩展量叫做应力腐蚀裂纹扩展速率应力腐蚀裂纹扩展速率，用da/dt表示，实验证明，da/dt和裂纹前端的应力场强度因子有关。即1Kfdtda进入网络实验室第第阶段阶段，当: KIKIscc时，裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展， da/dt与KI的关系曲线几乎与纵坐标轴平行。 第第阶段阶段，曲线出现水平段， da/dt与KI几乎无关，因为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹扩展主要受电化学过程控制。 第第阶段阶段，裂纹长度已接近临界

7、尺寸， da/dt又明显地依赖KI， da/dt 随KI而增加而增大，这是材料走向快速扩展的过渡区，当KI达到K1c时，便发生失稳扩展，材料断裂。进入网络实验室保护膜破坏机理滑移膜破阳极溶解再钝化三三 应力腐蚀断裂机理应力腐蚀断裂机理进入网络实验室（二）改变介质条件（二）改变介质条件（三）选用合适的合金材料（三）选用合适的合金材料（四）采用电化学保护（四）采用电化学保护四四 预防机件应力腐蚀断裂的措施预防机件应力腐蚀断裂的措施（一）降低应力（一）降低应力进入网络实验室 金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，统称为氢脆断裂氢脆断裂或氢致开裂氢致开裂。一 氢脆的类型及特征（一）内部氢脆与环境

8、氢脆氢脆可分成两大类：第一类为内部氢脆内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；第二类氢脆称为环境氢脆环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。第二节第二节 氢氢 脆脆进入网络实验室（二）氢脆断口特征白点又有两种类型：一种是在钢件中观察到纵向发裂，在其断口上则呈现白点。这类白点多呈圆形或椭圆形，而且轮廓分明，表面光亮呈银白色，所以又叫做“雪斑”或发裂白点，这种白点实际上就是一种内部微细裂纹。另一种白点呈鱼眼型，它往往是某些以材料内部的宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点，其形状多

9、数为圆形或椭圆形。 内部氢脆断口往往出现“白点”。进入网络实验室（三）环境氢脆的特征在氢气氛作用下，材料发生延滞断裂的时间与应力场强度因子KI之间的关系如下图所示。随KI值降低，断裂时间延长；当K1降低到某一临界值Kth时，材料便不会产生断裂，临界值Kth就叫门槛值。进入网络实验室（一）氢压模型 在裂纹或缺口尖端的三向应力区内，形成了很多微孔核心，氢原子在应力作用下向这些核心扩散，并且结合成氢分子，由于微孔核心很小，只要有很少的氢气应可产生相当大的压力。这种内压力大到足以通过塑性变形或解理断裂使裂纹长大或使微孔长大、连接，最后引起材料过早断裂。 二二 氢脆机理氢脆机理进入网络实验室（二）减聚力

10、氢脆模型 减聚力氢脆模型又称晶格脆化模型，是由Troiano首先提出的，其要点是高浓度的固溶氢，可以降低晶界上或相界上金属晶体的原子间结合力。而局部地区的张应力，又通过间隙原子间的化学势及应力状态间的热力学平衡关系促使氢原子富集。这种富集区可能是低塑性材料内部的裂纹尖端处，或是位错塞积处，滑移带交叉处和塑性形不协调处。进入网络实验室四四 腐蚀疲劳腐蚀疲劳腐蚀疲劳特点 材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效叫做腐蚀疲劳。 腐蚀疲劳和应力疲劳相比，主要有以下不同点：三三 应力腐蚀开裂和氢脆的关系应力腐蚀开裂和氢脆的关系 应力腐蚀和氢脆的关系十分密切，除内部氢脆（白点）外，通常应力腐蚀总是伴有氢脆，它们总是共同存在的。一般很难严格地区分到底是应力腐蚀，还是氢脆造成的断裂。进入网络实验室v应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。v对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子KISCC ，这是材料固有的性能，当外加应力强度因子KIKIS