第六章应力腐蚀氢脆2

1、第六章第六章 环境介质作用下环境介质作用下的金属力学性能的金属力学性能延滞断裂延滞断裂( (低应力低应力脆断脆断) )特定特定外界条件下外界条件下: : 低于低于材料材料屈服强度屈服强度 服役服役一定时间一定时间后后 突然突然脆脆断断1 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂（静疲劳）（静疲劳）一一 . . 现象及其特征现象及其特征 拉应力（力（静静应力）应力） + + 腐蚀介质腐蚀介质 联合联合作用低应力脆断材料的屈服强度屈服强度 脆断脆断，无无明显塑变明显塑变特定特定的合金成分的合金成分+ +特定特定的介质的介质一、特点一、特点腐蚀介质（很腐蚀介质（很弱弱）：材料）：材料腐蚀很慢（腐蚀很慢（无应力时无应

2、力时）uSCCSCC（ S Stress tress C Corrosion orrosion C Crackingracking）* *合金产生应力腐蚀，须：合金产生应力腐蚀，须：应力应力+ +特定特定腐蚀介质腐蚀介质二 、应力腐蚀断口特征 阴极阴极阳极A A应力腐蚀断裂机理应力腐蚀断裂机理附加应力（保护膜增厚） +外加应力（）膜裂致阳极溶解 +塑性钝化膜裂膜裂裂纹裂纹扩展扩展B应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹应力腐蚀裂纹2020钢的应力腐蚀断口钢的应力腐蚀断口2020钢断口腐蚀产物钢断口腐蚀产物发生应力腐蚀奥氏发生应力腐蚀奥氏体不锈钢管道内壁体不锈钢管道内壁应力腐蚀应力腐蚀断口，则：断

3、口，则：裂纹裂纹形成形成+裂纹裂纹扩展扩展 形成形成约约占占全部时间全部时间90%90% 扩展扩展仅占仅占10%10%左右左右A A、裂纹裂纹形成形成决定决定寿命寿命B B、可以是沿晶断裂沿晶断裂，也可以是穿晶断裂穿晶断裂。 C C、裂纹扩展：裂纹扩展：1010-9-9-10-10-6-6m/sm/s，似疲劳似疲劳：亚临界扩展亚临界扩展-临界尺临界尺寸寸-突然断裂突然断裂宏观形貌宏观形貌脆性断裂脆性断裂，时有少量塑性撕裂痕迹裂纹源可有几个：u垂直主应力面裂纹源引起断裂裂纹源裂纹源（多个多个）源源源源裂纹源、亚稳扩展区-u黑色或灰黑色源源亚临界扩展亚临界扩展失稳扩展区断口失稳扩展区断口- -u常

4、有常有放射花样（放射花样（羽毛羽毛状）状）或似或似“人人”字纹字纹, , u光亮色光亮色典型的应力腐蚀照片典型的应力腐蚀照片 失稳扩展失稳扩展失稳失稳扩展扩展应力腐蚀抗力指标及测试方法应力腐蚀抗力指标及测试方法 早期，特定介质中、于不同应力下，测定试样滞后破坏时间。采用光滑光滑试样u得到得到不足之处： 因数据分散，有时可能得出错误的结论 不能正确得出裂纹扩展速率的变化规律 费时，且不能用于工程设计 断裂力学断裂力学在应力腐蚀中的应用在应力腐蚀中的应用+ +断裂力学K1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K1应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力场强度因子材料不因应力腐

5、蚀而断裂 （即材料有无限寿命无限寿命）的K1 K KISCCISCCK KISCCISCC的概念的概念开裂判据裂纹前端的应力场强度因子KI大大于于材料的K KISCCISCCIsccKK 1aYKIscc裂纹扩展速率裂纹扩展速率（ da/dt ）描述应力腐蚀裂纹的亚临界亚临界扩展扩展应力腐蚀裂纹扩展速率先决条件：当裂纹前端的KI KISCC时-应力腐蚀裂纹扩应力腐蚀裂纹扩展速率展速率da/dt，和KI有关1Kfdtdalg(da/dt)- K1da/dt)- K1 曲线段，段，K KI IKKIsccIscc，平平行纵坐标轴行纵坐标轴段段 ，裂尖，裂尖钝钝，主要受主要受电化学过程控电化学过程控

6、制制段，段，da/dt da/dt 随随K KI I而而。达达K K1c 1c，失稳扩失稳扩展断裂展断裂 ( ()时间越长，时间越长，材料抗材料抗SCCSCC性能越性能越好好 一种测定K1SCC的方法 载荷恒定，使K K1 1不断增大不断增大的方法， 最常用：恒载恒载荷荷的悬臂梁弯曲悬臂梁弯曲试验装置 裂纹裂纹另一种测定K1SCC的方法 位移恒定，K1不断, 用紧凑拉伸试样拉伸试样和螺栓加载螺栓加载 影响应力腐蚀的因素影响应力腐蚀的因素 1.1.环境因素环境因素 尤其是尤其是溶液溶液PHPH值值 2. 2.力学因素力学因素 A,A,轧制轧制高强度高强度铝合金铝合金7075-T67075-T6板

7、材板材 轧制方向（轧制方向（纵向纵向） 长横向长横向 短横向短横向（沿厚度方向沿厚度方向）强度差别强度差别：，,纵向max，厚度minB,不同强度40CrNiMo(4340)3.3.冶金因素冶金因素 成份成份 组织组织 强度强度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减少减少或或消除消除零件中的零件中的残余应力残余应力改善改善介质条件介质条件选用选用合适合适的合金材的合金材料料采用采用电化学保护电化学保护u视视具体具体的的材料材料- -介质介质而而定定 2 2 氢氢 脆脆（一）氢脆来源和特点 含氢气氛的作用而引起的断裂氢脆可分成两大类：第一类为内部氢脆内部氢脆:在材料制造（如：熔炼

8、）和随后加工过程吸收了过量的氢气第二类为环境氢脆环境氢脆，在应力和含氢介质联合作用引起脆性断裂，如:贮氢的压力容器中出现的高压氢脆（二）氢脆断口特征（二）氢脆断口特征内部氢脆断口往往出现“白点”氢在缺陷处以氢在缺陷处以分子分子态态析出，析出，产生高产生高内压内压，形成，形成微裂纹微裂纹，其其内壁内壁为为白色白色，称，称白白点或点或发发裂。裂。纵向发裂，横断面多呈圆形或椭圆形白点表面光亮呈银白色是一种内部微细裂纹另一种“白点”,呈鱼眼型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环境氢脆的特征环境氢脆的特征环境氢脆环境氢脆KthK K1 1降低到某一临界值降低到某一临界值K Kthth

9、材料材料不产生不产生断裂，断裂，K Kthth门槛门槛值值 , , K KHECHEC发生环境氢脆两个关键因素H H扩散（扩散（+ +临界浓度）临界浓度）与位错的与位错的关系关系氢裂纹扩展阶段阶段-热热激活激活过程，决定于H的扩散速率环境氢脆发生在环境氢脆发生在一定的温度范围一定的温度范围，和和慢的慢的形变速率：形变速率：最敏感的温度最敏感的温度室温室温附近附近 形变速率形变速率高高位错运动位错运动快快 H H扩散扩散位错运动位错运动不不显示脆性显示脆性减少氢脆减少氢脆： 内部氢脆，严格内部氢脆，严格执行工艺规定执行工艺规定 环境氢脆，环境氢脆，高强高强度材料度材料 强度越高，强度越高， 对氢

10、脆越敏感对氢脆越敏感第七章磨损与接触疲劳第七章磨损与接触疲劳1 1前言前言机器运转，相互接触零件间因相对运动（或趋势）而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果2 2 摩擦及磨损的概念摩擦及磨损的概念 摩擦摩擦 两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。 摩擦副：摩擦副：相互接触的. 阻碍相对运动的阻力-摩擦力。 摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。l按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。滚动摩擦：指的是

11、物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。 摩擦力与施加在摩擦面上的法向压力之比称为摩擦系数，以表示。NsmaxSFfFFNddFfF sf静摩擦系数静摩擦系数f动摩擦系数动摩擦系数摩擦力的方向与物体运动（或运动趋势）的方向相反摩擦力的方向与物体运动（或运动趋势）的方向相反 磨损，造成表层材料的损耗，零件尺寸变化，直接影响零件使用寿命 定义：p139 机件正常运行的磨损过程一般可分为三个阶段： 跑合（磨合）阶段 稳定磨损阶段 剧烈磨损阶段 磨损曲线P140 3 3磨损及磨损的类型磨损及磨损的类型 按按环境和介质环境和介质可分为：可分为： 流体磨损；流体磨损； 湿磨损；湿磨损； 干干 磨损磨损

12、按按表面接触性质表面接触性质可分为：可分为： 固体固体-流体磨损；流体磨损； 固体固体-固体固体磨损；磨损； 固体固体-磨料磨损磨料磨损 常用（磨损常用（磨损失效机制）失效机制）分类，六类：分类，六类：粘着磨损；粘着磨损；磨料磨损；磨料磨损；腐蚀磨损腐蚀磨损; ; 微动磨损；微动磨损；冲蚀磨损冲蚀磨损; ;表面疲劳磨损表面疲劳磨损( (接触疲劳接触疲劳) )四四磨损机制及影响因素磨损机制及影响因素 1 粘著磨损 又称擦伤，咬合磨损。由于零件表面某些接触点在高的局部压力下发生粘合，在相互滑动时，粘着点又被剪切分开，接触面上有金属磨屑被拉拽出来，这种过程反复进行很多次，便导致了表面的损伤 2.磨料

13、磨损 指硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦过程中，使材料表面发生磨耗的现象。 磨粒或凸出物-石英，砂土，矿石等非金属磨料，也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦面而形成的磨粒。 3. 腐蚀磨损摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。4. 微动磨损两接触表面间小幅度的相对切向运动称为微动（Fretting）。在压紧的表面之间由于微动而发生的磨损称为微动磨损。P151在一些机器的紧配合处，它们之间虽然没有明显的相对位移，但在外加循环载荷和振动的作用下，在配合面的某些局部地区将会发生微小的滑动

14、5 冲蚀磨损： 流体或固体颗粒以一定的速率和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损lD 1000 m，v 550m/s,其余称外来损伤6.接触疲劳也称表面疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮等类零件，在表面接触压应力长期反复作用下所引起的一种表面疲劳现象。 接触疲劳是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象接触应力概念接触应力概念 两物体相互接触，表面上产生两物体相互接触，表面上产生局部局部压力压力- -接触应力接触应力一般出现如下两种情况：一般出现如下两种情况： (1)两接触物体在加载前为线接触(如圆柱与圆柱、圆柱与

15、平面接触) (2)两接触物体在加载前为点接触(如滚珠轴承)接触疲劳类型和损伤过程接触疲劳类型和损伤过程接触疲劳破坏分为三种主要类型 ： 点蚀、 浅层剥落、 深层剥落 (1)点蚀 ：深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。 （2)2)浅层剥落：浅层剥落： 其剥落深度一般为其剥落深度一般为0.2-0.2-0.4 mm0.4 mm (3)(3)深层剥落深层剥落 ：剥落坑较深：剥落坑较深( (0.4mm)0.4mm)、块、块大大。一般发生在表面强化的材料中，如渗。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。碳钢中。影响接触疲劳抗力的因素影响接触疲劳抗力的因素(1)(

16、1)材料的冶金质量材料的冶金质量 夹杂大、分布不均，危害大夹杂大、分布不均，危害大马氏体含碳量马氏体含碳量 ：0.5%C0.5%C、隐针、隐针（晶）（晶）M M未溶碳化物的影响未溶碳化物的影响 ：细小：细小(2) 热处理和组织状态硬度硬度 ： HRC58-64 HRC58-64，硬度接近，硬度接近， 或者，滚动元件高出滚道或者，滚动元件高出滚道10%10%，最好，最好 在一定表层深度范围内存在压应力，可在一定表层深度范围内存在压应力，可提高提高 残余残余A A含量含量马氏体针越粗大马氏体针越粗大，则，则磨损类型磨损类型并非并非固定不变，固定不变，在不同的在不同的外部条件外部条件和和材料具有不同

17、特材料具有不同特性性情况下，损伤机制会发生转化，由情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。一种损伤机制变成另一种损伤机制。五五耐磨性评价耐磨性评价 表示磨损量的方法，表示磨损量的方法，可用可用摩擦表面摩擦表面法向尺寸减少量法向尺寸减少量来表来表示示，称为线，称为线磨损量、磨损量、也可用也可用体积和重量法体积和重量法来表示，称为来表示，称为体积磨损量体积磨损量/ /重重量磨损量磨损量量由于由于磨损量磨损量是是摩擦行程摩擦行程或或时间时间的的函数函数，也用也用耐磨强度耐磨强度或或耐磨率耐磨率表示其磨损特性，表示其磨损特性，前者前者- -单位行程磨损量，单位为单位行程磨损量，单

18、位为m/mm/m或或mg/m;mg/m;后者后者- -单位时间的磨损量单位时间的磨损量, ,单位为单位为m/hrm/hr或或mg/hrmg/hr 还经常用还经常用磨损量的磨损量的倒数倒数和和相对耐磨性相对耐磨性（）表材料的耐磨性。表材料的耐磨性。=标准试样磨损量标准试样磨损量/ /被测试被测试样磨损量样磨损量六磨损试验方法六磨损试验方法p152p152 1) MMG-10型型高温高速摩擦磨损试验机磨损试验机。 2)洛氏硬度计1台。 3)分析天平(感量为110000)1台 4)装夹工具。 测定在相同磨损时间(30min)，不同压力下的m-F关系曲线。 磨损试验条件 压力：50N、100N、200

19、N、400N 时间：均为30min 转速：200rmin 介质，干摩擦第八章 金属高温机械性能温度对应力温度对应力- -应变曲线的影响应变曲线的影响-196-1962525400400古典力学古典力学：弹性、塑性与弹性、塑性与时间时间没没有关系有关系瞬时行为瞬时行为（instantaneouslyinstantaneously）2020# #钢钢抗拉强度为抗拉强度为353500MPa屈服强度为屈服强度为275MPa延伸率为延伸率为25%2020# #钢，工作温度钢，工作温度450450短时短时，b b：320320MPaMPa225MPa225MPa下，持续下，持续300h300h断裂断裂，穿

20、晶穿晶115MPa115MPa下，持续下，持续10000h10000h断断裂裂，沿晶，沿晶高温高温新新特性特性不断不断变形（应力恒定）变形（应力恒定）强度与时间有关强度与时间有关只要涉及只要涉及高温高温，就应注意：，就应注意：不能简单采用室温短时不能简单采用室温短时的应力的应力- -应变曲线应变曲线必须考虑必须考虑温度温度和和时间时间（也即（也即应变速率应变速率）的影）的影响响高温力学性能：高温力学性能：与时间（与时间（t t）相关性）相关性Time DependentTime Dependent 高压蒸汽锅炉高压蒸汽锅炉 汽（燃气）轮机汽（燃气）轮机 柴油机柴油机 化工炼油设备化工炼油设备

21、航空发动机航空发动机长期长期在在高温高温下运转下运转高温下，材料通常：高温下，材料通常：蠕变蠕变 Creep Creep应力松弛应力松弛 Stress RelaxationStress Relaxation？蠕变？蠕变CreepCreep：应力应力恒定恒定，材料在应力的材料在应力的持续持续作用下，作用下，不断变形不断变形的的现象现象 蠕变蠕变Creep：长时间长时间的恒温恒温、恒应力恒应力，小于屈服强度，缓慢缓慢产生塑性变形塑性变形蠕变。导致的断裂蠕变断裂CreepCreep造成造成强度：强度： 随载荷随载荷作用时间作用时间的的 、 产生产生一定变形速率一定变形速率( (或或变形量变形量) )

22、形变（及断裂）抗力形变（及断裂）抗力 TaWMoFeNi塑性：塑性：v应变速率应变速率v载荷作用时间载荷作用时间v塑性下降塑性下降而而 NiTaFeMoW高温应力松驰：高温应力松驰： 高温高温长时间长时间下紧固螺栓下紧固螺栓使用使用一段时间一段时间后后松弛松弛了：了： 预紧力逐渐预紧力逐渐？应力随时间增加不断下？应力随时间增加不断下降的现象叫做降的现象叫做应力松弛应力松弛。疲劳疲劳损伤损伤 高温疲劳强度高温疲劳强度蠕变时组织变化873K873K160MPa160MPa，971h971h100MPa100MPa，34141h34141h120M120MPaPa，12858h12858hT T对材

23、料性能影响对材料性能影响很大很大T T和和t t影响材料的断影响材料的断裂裂形式形式比较比较不同温度下不同温度下材料的力学行为的方法材料的力学行为的方法？约比温度？约比温度T/TT/Tm mT Tmm材料的熔点材料的熔点0.50.5，视为高温，视为高温，此时必须考虑此时必须考虑蠕变蠕变和和应力松弛应力松弛但，一般工程上但，一般工程上0.30.3就必须考虑就必须考虑蠕变蠕变金属：金属：T0.3-T0.3-0.4Tm ;0.4Tm ;陶瓷：陶瓷： T0.4- T0.4-0.5Tm0.5Tm； u高分子材料高分子材料TTTTg g？等强温度？等强温度T TE E晶界晶界晶粒晶粒TE变形速率对变形速率

24、对T TE E的影响的影响TE1TE2晶界晶界晶粒低速低速高速蠕变蠕变用用蠕变曲线蠕变曲线描述描述00 abcda dtd第第阶段阶段abab是是减速蠕变减速蠕变阶段。开始阶段。开始* *很很大，随大，随t t， * *，到，到b b点点* *minmin 第第阶段阶段bcbc是是恒速蠕变恒速蠕变阶段。阶段。* *保持不保持不变，变，稳态蠕变稳态蠕变阶段。一般以这一阶段的变阶段。一般以这一阶段的变形速度形速度表示表示 第第阶段阶段cdcd是是加速蠕变加速蠕变阶段，随着阶段，随着t t ， * * ，至，至d d点蠕变点蠕变断裂断裂第第阶段阶段: :减速蠕变减速蠕变位错位错刚刚运动，障碍少，运动

25、，障碍少， * *大大随后随后位错塞积位错塞积、位错密度位错密度，晶格畸变晶格畸变形变强化，形变强化，到到b b点点* *minmin位错源开动阻力+位移运动阻力，降低 * 第第阶段，阶段， 晶晶内内变形以变形以位错位错滑移滑移和和方式方式交替交替进行，进行， 晶晶界界变形以变形以滑动滑动和和方式交替方式交替进行进行加工（应变）硬化：加工（应变）硬化：形变强化形变强化积蓄积蓄能量促使回复（软化）的进行能量促使回复（软化）的进行 晶内晶内滑滑移移和和晶界晶界滑滑动动使使金属强化金属强化， 但但位错攀移位错攀移和和晶界迁移晶界迁移则使则使金属软金属软化化。 由于强化和软化的交替作用，当达由于强化和

26、软化的交替作用，当达到平衡时，蠕变速度保持恒定到平衡时，蠕变速度保持恒定蠕变发展到第蠕变发展到第阶段，阶段，由于裂纹由于裂纹迅速迅速扩展，蠕变扩展，蠕变速度加快，速度加快，当裂纹达到当裂纹达到临界尺寸临界尺寸便产便产生蠕变断裂。生蠕变断裂。蠕变断裂机理 蠕变断裂主要是沿晶断裂 在裂纹成核和扩展过程中，晶晶界滑动界滑动引起的应力集中与空位的扩散起着重要作用 应力和温度不同，裂纹成核有两种类型 1裂纹成核于三晶粒交会处，在高应力和较低温度下，在晶粒交会处由于晶界滑动造成应力集中而产生裂纹。 2裂纹成核分散于晶界上， 在较低应力和较高温度下， 蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产生在垂直于拉应力垂直于

27、拉应力方向的晶界上。首先：首先：晶界滑动晶界滑动在在晶界的台阶晶界的台阶（如（如第二相第二相质点质点或或滑移带的交截滑移带的交截）处）处受阻受阻而形而形成成空洞空洞然后： 由于位错运动产生的大量空位， 为了减少其表面能而向垂直拉伸应力作用的晶界上迁移， 当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹 以上两种方式形成形成裂纹后，依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接进行扩展扩展，最终导致沿晶断裂的发生 蠕变断裂主要在晶界晶界发生，因此晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小晶粒大小和尺寸的均匀性对蠕变和蠕变断裂有很大影响宏观形貌特征 断口附近有塑性变形痕迹，变形区附近多有裂纹、表面多龟裂 断口短时因高温氧化覆盖氧化膜断口微观形貌特征 冰糖花样的沿晶断裂形貌断口形貌断口形貌1 12 23 3断口处的塑性变形断口处的塑性变形断口断口 为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。 蠕变极限蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。和常温下的屈服强度0.2相似。一、一、 蠕变极限蠕变极限高温力学性能指标高温力学性能指标 蠕变极限与持久强度蠕变极限与持久强度蠕变极限一般有两种表示方法：蠕变极限一般有两种表示方法： A.