金属的应力腐蚀和氢脆断裂

1、金属的应力腐蚀和氢脆断裂第六章 金属机件在加工过程中往往产生残余应力， 在服役过程中又承受外加载荷，如国与周围环 境中各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊 的断裂现象，其中主要有应力腐蚀断裂和氢脆 断裂等。 6.1 应力腐蚀 6.2 氢脆6.1 应力腐蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征三、应力腐蚀抗力指标四、防止应力腐蚀的措施 一、应力腐蚀现象及其产生条件 1. 应力腐蚀现象 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断裂(Stress Corrosion Cracking，缩写办SCC)。 2. 产生条件 应力、化

2、学介质和金属材料三者是产生应力腐蚀的条件。 应力 在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力。 化学介质 只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。 金属材料 一般认为，纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 （一） 应力腐蚀断裂机理 关于在应力和化学介质联合作用下裂纹的形成和扩展问题，有多种理论，至今尚未得到统一的见解。下面着重介绍以 阳极溶解为基础的钝 化膜破坏理论。如图 6-1所示。 （二）. 应力腐蚀断口特征 应力腐蚀的显微裂纹如 图6-2所示，常有分叉现象， 呈枯树枝状。这表明，在应 力腐蚀时，有一主裂纹扩展 较快

3、，其它分支裂纹扩展较 慢。根据这一特征可以将应 力腐蚀与腐蚀疲劳、晶间腐 蚀以及其它形式的断裂区分 开来。 断口的微观形貌丁般为沿晶断裂，也可能为穿晶解理断裂。其表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物(图6-4a)及腐蚀坑(图6-4b)。三、应力腐蚀抗力指标 通常用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。如图6-5， 从而求出该种材料不 发生应力腐蚀的临界 应力，据此来研究合 金元素、组织结构及 化学介质对材料应力 腐蚀敏感性的影响。 （一） 应力腐蚀临界应力场强度因子Kscc 图6-5为某种钛合金的预制裂纹试样在恒载荷下，于3.5%NaCl水溶液

4、中进行应力腐蚀试验的结果。 试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的、最大应力场强 度因子称为应 力腐蚀临界应 力场强度因子 (或称为应力腐 蚀门槛值)，以 表示。sccK 对于含有裂纹的机件，当作用于裂纹尖端的初始应力场强度因 时，原始裂纹在化学介质和力的共同作用下不会扩展，机件可以安全服役。因此 为金属材料在应力腐蚀条件下的断裂判据。 测定金属材料的 值可用恒载荷或恒位移法。 其中以恒载荷的悬臂梁弯 曲试验法最常用。 如图6-7所示。 sccK初KsccKsccK初K （二） 应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt 当应力腐蚀裂纹尖端的 时，裂纹就会不断扩展。单位时间内 裂纹的扩展量叫做应力腐 蚀

5、裂纹扩展速率，用da/dt 表示。实验证明，da/dt 与 K有关。即 在 lg(da/dt )K坐标 图上，其关系曲线如图6-7 所示。KsccKKfdtda/ 曲线可分为三个阶段: 第阶段 当 K 刚超过 时，裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展，da/dt K曲线几乎与纵坐标轴平行。 第阶段 曲线出现水平线段，da/dt 与 K 几乎无关。因为这时裂纹尖端发生分叉现象，裂纹扩展主要受电化学过程控制。 第阶段 裂纹长度已接近临界尺寸，da/dt 又明显地依赖于 K，da/dt 随 K增大而急剧增大。这时材料进入失稳扩展的过渡区。当 K 达到 时便失稳扩展而断裂。 第阶段时间越长，材料抗应力腐蚀

6、性能越好。 sccKsccK 四、防止应力腐蚀的措施 从产生应力腐蚀条件可知，防止应力腐蚀的措施，主要是合理选择金属材料，减少或消除机件中残余拉应力及改变化学介质条件。 1.合理选择金属材料 2.减少或消除机件中的残余拉应力 3.改善化学介质 4.采用电化学保护 6.2 氢脆一、氢在金属中的存在形式二、氢脆类型及其特征三、钢的氢致延滞断裂机理四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系五、防止氢脆的措施一、氢在金属中的存在形式 由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂(简称氢脆)。 金属中氢的来源可分为“内含的”和“外来的”两种。前者是指金属在熔炼过程中及随后的加工制造过程(如

7、焊接、酸洗、电镀等，中吸收的氢；后者则是金属机件在服役时环境介质中含有的氢。 氢在金属中可以有几种不同的存在形式。二、氢脆类型及其特征 1. 氢腐蚀 2. 白点（发裂） 3. 氢化物致脆 4. 氢致延滞断裂 1. 氢腐蚀 这是由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。 对碳钢来说，温度低于220时，不产生氢蚀。 氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色，颗粒状。微观断口上品界明显加宽，呈沿晶断裂。 2. 白点（发裂） 当钢中含有过量的氢肘，随着温度降低，氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。此时。氢的体积发生急剧膨胀，内压

8、力很大足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。故称为白点。 图6-9为10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上的白点形貌 3. 氢化物致脆 对于B或BV族金属（如纯钛、铁合金、钒、锆、铌及其合金）。由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成氢化物，便金属脆化。 金属材料对氢化物造成的氢脆敏感性随温度降低及机件上缺口的尖锐程度增加而增加。 氢化物的形状和分布对金属的变脆有明显影响。若晶粒粗大，氢化物在晶界上呈薄片状，极易产生较大的应力集中。危害很大，若晶粒较细，氢化物多呈块状不连续分布，对金属危害不太大。4. 氢致延滞断裂 高强度钢或+钛合金中，含有适量的处于固溶

9、状态的氢(原来存在的或从环境介质中吸收的)，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。 这类氢脆的特点是： 只在一定温度范围内出现，如高强度钢多 出现在-100150之间，而以室温下最敏感； 提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低。因此，只有在慢速加载试验中才能显示这类脆性； 此类氢脆显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定数值后，断后伸长率不再变化，而断面收缩率则随含氢量增加不断下降，且材料强度愈高，下降愈剧烈。三、钢的氢致延滞断裂机理 高强度钢对氢

10、致延滞断裂非 常敏感。其断裂过程也可分为三 个阶段，即孕育阶段、裂纹亚稳 扩展阶段及失稳扩展阶段。 新裂纹与原裂纹的尖端相汇 合，裂纹便扩展一段距离，随后 又停止，如图6-9a所示。 氢脆裂纹步迸式扩展的过程 可通过图6-9b所示的裂纹扩展 过程中电阻的变化来证实。 四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系 应力腐蚀与氢致延滞断裂都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象，两者关系十分密切。图6-13所示为钢在特定化学介质中产生应力腐蚀与氢致延滞断裂的电化学原理图。 五、防止氢脆的措施 氢致延滞断裂与环境因素、力学因素及材质因素三方面有关，因此可从这三个方面来防止。 1.环境因素 2.力学因素