第八章材料在环境介质中力学性能-材料宏微观力学性能

第八章材料在环境介质中的力学性能本章内容8.1引言8.2应力腐蚀断裂8.3氢脆8.4腐蚀疲劳8.5材料在环境介质作用下力学性能的研究方法

工程实例：引言环境介质与外力的共同作用1.环境介质a.构件总是在一定的环境介质下服役b.环境介质：固体、气体、液体c.环境介质的作用分类化学介质：海水，酸，潮湿空气辐射环境：电磁腐蚀热环境：高温引言2.环境敏感断裂应力与化学环境介质协同作用引起材料力学性能下降、甚至出现提早断裂的现象

3.研究的重要性近代工业对材料力学性能的要求越来越高，而环境介质却越来越苛刻，往往潜存着环境敏感断裂的威胁

材料在环境介质作用下的力学性能是一个广泛涉及各个工业部门的重要实际问题，日益受到工程设计人员及材料科学工作者的重视引言静应力交变应力摩擦力振动力零件的受力状态环境介质腐蚀疲劳磨损腐蚀微动腐蚀环境敏感断裂分类：本章研究内容引言环境介质应力腐蚀氢脆应力腐蚀断裂定义、产生条件和断裂特征

应力腐蚀抗力指标应力腐蚀断裂机理

防止应力腐蚀的措施

8.2

应力腐蚀断裂1.应力腐蚀(StressCorrosionCracking，SCC)

材料在特定腐蚀介质和静应力共同作用下发生的脆性断裂要点：静应力很小，介质腐蚀性不一定强应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征2.应力腐蚀产生条件敏感材料：特定介质：应力：合金比纯金属更容易发生应力腐蚀断裂

对于某种材料，只有在特定的介质中，才能产生应力腐蚀

工作应力或者残余应力，应力多为拉应力，也有压应力如纯铁在热硝酸盐中不发生腐蚀，含碳量达0.04％发生腐蚀应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征常用金属发生应力腐蚀的敏感介质合金腐蚀介质低碳钢

热硝酸盐溶液、碳酸盐溶液、过氧化氢

碳钢和低合金钢

氢氧化钠、三氯化铁溶液、氢氰酸、海水、沸腾氯化镁(w(MgCl2)=42%)溶液、高强度钢

蒸馏水、潮湿大气、氯化物溶液、硫化氢

奥氏体不锈钢

氯化物溶液、高温高压含氧高纯水、海水、F-、Br-

、NaOH-H2S水溶液、NaCl-H2SO2水溶液

铜合金

氨蒸汽、汞盐溶液、含SO2大气、氨溶液、三氯化铁、硝酸溶液镍合金

氢氧化钠溶液、高纯水蒸气

铝合金

氯化钠水溶液、海水、水蒸气、含SO2大气、熔融氯化钠、含Br-

、I-水溶液

镁合金

硝酸、氢氧化钠、氰氟酸溶液、蒸馏水、NaOH-H2O2溶液、NaCl-K2CrO4溶液、海洋大气、SO2-CO2湿空气

钛合金

含Cl-

、Br-

、I-水溶液、N2O4

、甲醇、三氯乙烯、有机酸

3.应力腐蚀断裂特征宏观上：脆性断裂、无颈缩、无杯锥状现象断口表面呈黑色或灰黑色常有分叉现象，呈枯树枝状

微观上：可见到泥状花样的腐蚀产物应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征沿晶断裂型腐蚀介质应力腐蚀抗力指标1.门槛应力试样拉应力将无裂纹拉伸试样放入腐蚀介质中，加恒应力经过一定的孕育期后就会产生应力腐蚀开裂，直至断裂特点：外加应力的下降，断裂时间增长外加应力小于某一临界值时，试样在规定的时间内并不发生应力腐蚀断裂定义：能产生应力腐蚀断裂的最小应力裂纹大多数金属材料，在特定的化学介质中值是一定的。可作为金属材料的力学性能指标。应力腐蚀抗力指标断裂时间是随着应力强度因子的降低而增加应力强度因子为应力强度因子为可见：2.应力腐蚀临界强度因子应力腐蚀临界应力强度因子：当应力小于某一临界值时，在规定的时间内不发生应力腐蚀断裂，能产生应力腐蚀断裂的最小应力强度因子定义为曲线出现水平线段，与几乎无关。此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

当

刚超过

时，裂纹快速扩展，曲线几乎与纵坐标轴平行

应力腐蚀抗力指标3.裂纹扩展速率

裂纹长度已接近临界尺寸

,随增大而急剧增大

,当到达时便失稳扩展而断裂

应力腐蚀抗力指标若已知第二阶段的以及第二阶段结束时的便可估算材料的剩余寿命其中可由

求出1.阳极快速溶解机理该理论认为裂纹一旦形成，裂纹尖端的应力集中将导致裂纹尖端前沿区发生迅速屈服，晶体内位错沿着滑移面连续到达裂纹尖端前沿表面，产生大量瞬间活性溶解质点，导致裂纹尖端(阳极)快速溶解

裂纹尖端溶解速度与裂纹扩展速度的关系试验验证举例不锈钢在沸腾的氯化镁溶液中，无应力时，电流为10-5A/mm2，有应力作用时为0.4～2A/mm2，相当于裂纹尖端扩展速度为0.5～5mm/h

应力腐蚀机理2.闭塞电池理论

c.闭塞区内进行自催化的腐蚀，在拉应力作用下使裂纹扩展，直至断裂应力腐蚀机理a.在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔或裂纹源b.微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩散，形成所谓闭塞区3.钝化膜理论

这种理论认为，金属表面有钝化膜覆盖，并不直接与介质接触。在应力或活性离子的作用下易引起钝化膜破裂，露出活性的金属表面。介质沿着某一择优途径浸入并溶解活性金属，最终导致应力腐蚀断裂断裂过程：完整的膜形成，由于应力小，氧化膜较完整、塑性好应力腐蚀机理氧化膜外加应力增大时，膜仍然保持完整，但造成位错在滑移面塞积当外力达到一定程度时，位错开动后膜破裂

，当滑移台阶高度远大于膜厚时，容易暴露出新鲜的基体金属基体金属与介质发生验机快速溶解，形成隧洞隧洞应力腐蚀机理隧洞表面又形成表面钝化膜，造成位错重新塞积在应力和介质的作用下，位错再次开动表面膜破裂，又开始无膜区，暴露金属又产生快速溶解如此重复上述步骤，最终导致穿晶断裂应力腐蚀机理隧洞长大1.合理选材应力腐蚀的产生条件和影响因素决定了应力腐蚀的控制方法尽量避免金属或合金在容易发生应力腐蚀的环境介质中使用2.控制应力减少或消除机件中的残余应力

，减少机件上的应力集中3.改善环境介质

一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，另一方面，也可在介质中添加缓蚀剂

4.采用电化学保护

阴极保护法

防止应力腐蚀措施氢脆的类型

位错理论对氢脆的解释

氢脆与应力腐蚀的关系

防止氢脆的措施

8.3

氢脆氢及其在金属中的行为氢对金属的作用益处害处钛合金，氢可作为临时合金元素来改善其热加工性能及室温机械性能

金属氢化物可用作储氢材料或电池材料

氢脆断裂很少导致多种形式失效主导作用氢的来源内部：金属在熔炼过程中及随后的加工制造过程

中吸收的氢氢及其在金属中的行为外来：金属机件在服役时从含氢环境介质中吸收的氢如焊接、酸洗、电镀过程

如含有氢气和硫化氢的环境、水溶液、潮湿空气等

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，hydrogenembrittlement)

氢蚀典型实例：碳钢在300～500度的高压氢气环境中的脆性断裂

氢、氢脆及其类型1.氢脆的类型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

断口特征宏观：呈氧化色，颗粒状微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂

白点：氢、氢脆及其类型椭圆形斑点

典型实例锻造后急冷的钢解释氢溶解度的减小(因为温度降低)而过饱和，聚集形成氢分子，应力集中也称发裂细长裂纹

氢化物致脆氢与某些金属有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，使金属脆化典型实例：室温下，钛与氢形成氢化钛(TiHx)而产生氢脆断口特征：断口上可见氢化物晶体晶粒粗大，氢化物在晶界上呈薄片状、产生较大的应力集中;若晶粒较细，氢化物多呈块状不连续分布，对金属危害较小。氢、氢脆及其类型氢化物致脆与材料微结构的关系氢致延滞断裂含有适量固溶态氢的金属，在低于屈服强度的应力持续作用下，形成裂纹并扩展，最后突然发生脆性断裂。这种因为氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂

特点：a.只在一定温度范围内出现

b.提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低

c.降低金属材料的延伸率，但有一限值；断面收缩率则随含氢量增加不断下降，材料强度越高，下降越剧烈氢、氢脆及其类型断口特征：宏观

与一般的脆性断裂相似微观沿晶断裂，晶界上有许多撕裂棱也可能是穿晶断裂氢、氢脆及其类型氢致延滞断裂抗力指标腐蚀介质1.门槛应力试样拉应力将无裂纹拉伸试样放入腐蚀介质中，加恒应力经过一定的孕育期后就会产生应力腐蚀开裂，直至断裂特点：外加应力的下降，断裂时间增长外加应力小于某一临界值时，试样在规定的时间内并不发生应力腐蚀断裂定义：能产生氢脆延滞腐蚀断裂的最小应力裂纹氢致延滞断裂抗力指标断裂时间是随着应力强度因子的降低而增加应力强度因子为应力强度因子为可见：2.应力腐蚀临界强度因子定义：能产生氢致延滞腐蚀断裂的最小应力强度因子曲线出现水平线段，与几乎无关。此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

当

刚超过

时，裂纹快速扩展，曲线几乎与纵坐标轴平行

3.裂纹扩展速率Ⅰ

裂纹长度已接近临界尺寸

,随增大而急剧增大

,当到达时便失稳扩展而断裂

氢致延滞断裂抗力指标2.位错理论对氢脆的解释氢聚集位错处形成Conttrell气团外应力促进位错运动，而此时Conttrell气团随位错运动而运动位错与气团运动遇到障碍时，产生位错塞积，同时氢原子在塞积处聚集应力足够大，形成裂纹a.裂纹形成氢在位错处塞积，形成应力集中b.裂纹扩展特征在外加应力作用下，氢原子易于通过位错运动向裂纹尖端区域聚集。氢原子偏聚在裂纹尖端塑性区与弹性区的界面上，当偏聚浓度再次达到临界值时，便使此区域明显脆化而形成新裂纹新裂纹与原裂纹的尖端相汇合，裂纹便扩展一段距离，随后停止裂纹再孕育，再扩展最后达到临界尺寸失稳扩展而断裂此时，电阻的变化证实了裂纹扩展的特征电阻呈阶跃性的增大氢脆与温度和形变速率的关系

？：氢脆只出现于一定形变速率和一定温度范围内

氢致延滞断裂形成氢气团氢气团对位错钉扎位错塞积应力集中形变速率一定温度很低氢原子扩散速率慢，跟不上位错运动，不足以形成气团温度太高氢原子扩散速率很快，极容易形成气团，但极易离开气团向周围扩散温度适当形式气团

，伴随着位错运动，氢易聚集于裂纹顶端塑性区，以脆化氢

致

延

滞

断

裂

不发生不发生发生形变速率因素：形变速率增大氢脆产生位错运动速度增大温度升高形变速率足够高，温度再高也不能让氢原子跟上位错运动，则无法发生氢脆3.氢脆与应力腐蚀的关系共同点：a.应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象。b.应力腐蚀总是伴随有氢的析出，析出的氢又易于形成氢致延滞断裂腐蚀介质应力应力不同点氢脆：阴极吸氢过程氢脆与应力腐蚀的关系极化曲线应力腐蚀：阳极溶解过程极化曲线断口形貌不同环境因素：材质因素：力学因素：切断氢进入金属中的途径，或者控制这条途径上的某个关键环节，延缓在这个环节上的反应速度，使氢不进入或少进入金属中

排除各种产生残余拉应力的因素;采用表面处理使表面获得残余压应力层选用对氢脆不敏感的材料，如含碳量低且硫、磷含量较少的钢

4.防止氢脆的措施8.3

腐蚀疲劳腐蚀疲劳定义及其特点

腐蚀疲劳机理

腐蚀裂纹扩展模型

防止腐蚀疲劳的措施

1.腐蚀疲劳(Corrosionfatigue)材料或构件在交变应力与腐蚀环境的共同作用下产生的脆性断裂

工程实例腐蚀疲劳定义及其特征2.腐蚀疲劳的特征a.腐蚀环境不是特定的

b.不存在疲劳极限

c.腐蚀疲劳强度与抗拉强度之间没有一定的关系

腐蚀疲劳定义及其特征腐蚀疲劳d.腐蚀疲劳裂纹多起源于腐蚀坑或表面缺陷，裂纹多为穿晶型腐蚀疲劳定义及其特征腐蚀疲劳定义及其特征1.滑移—溶解机制a.循环的交变应力形成局部应变区

b.交变应力的上升期，滑移台阶露出新鲜表面c.在腐蚀介质表面溶解

d.交变应力下降区，溶解了的滑移台阶不能闭合腐蚀疲劳机理2.孔蚀—应力集中机制交变应力蚀坑应力集中新的蚀坑腐蚀疲劳的起源交变应力

扩

展很好的解释了腐蚀疲劳多源的特点

断

裂腐蚀疲劳机理3.表面膜破坏机制

在环境介质中其表面会形成一层氧化膜

在交变应力作用下，表面膜破裂形成疲劳裂纹源交变应力促进裂纹扩展；同时破裂后的膜作为微阳极，金属作为阴极形成腐蚀，促进裂纹扩展失稳断裂腐蚀疲劳机理阳极阴极1.腐蚀疲劳裂纹扩展类型裂纹扩展速率增大AB混合型：大多数金属属于此类当时，介质影响很大，并出现水平台阶腐蚀疲劳裂纹扩展腐蚀介质惰性介质A型应力强度因子门槛值减小腐蚀介质惰性介质B型具有交变载荷作用的疲劳与应力腐蚀相叠加的特征时，介质作用可以忽略惰性介质腐蚀介质2.腐蚀疲劳裂纹扩展模型a.叠加模型线性叠加为一次应力循环所产生的应力腐蚀裂纹扩展量

缺陷：没有考虑腐蚀和疲劳的交互作用腐蚀疲劳裂纹扩展线性叠加模型的修正1为惰性环境下的纯机械疲劳裂纹扩展率

为腐蚀环境和惰性环境中的裂纹扩展率的差值

代表了周期塑性变形与化学反应的交互作用线性叠加模型的修正2裂纹扩展中纯腐蚀疲劳所占的分量，可由断口分析测量

腐蚀疲劳裂纹扩展b.竞争模型腐蚀疲劳裂纹扩展是力学和化学是独立的相互竞争过程，腐蚀疲劳裂纹扩展速率等于两者之中裂纹扩展速率高的，而不是它们的某种叠加竞争模型是叠加模型的特例，即腐蚀疲劳裂纹扩展1.正确选材一般来说，抗点蚀能力强的材料，其抗腐蚀疲劳性能也较高。故应尽量减少材料中的夹杂物2.合理设计和改进制造工艺避免造成高度应力集中和缝隙腐蚀的几何构形，采取消除内应力的热处理或采取喷丸处理使零件表层处于压应力状态可有效的抑制腐蚀疲劳破坏

3.对工作介质进行处理和对结构进行电化学保护

如对海洋金属构件及设备进行阴极保护防止腐蚀疲劳的措施材料在环境介质中的力学性能研究方法力学方法

近代物理研究方法

电化学测试方法

应力腐蚀

氢

脆腐蚀疲劳材料应力腐蚀介质物理方法

力学方法电化学方法材料在环境介质中的力学性能研究方法材料在环境介质中的力学性能研究方法1.恒载荷法

采用预制裂纹的三点弯曲试样另一端于力臂相连，力臂的另一端通过砝码加载a.试样b.试验方法力学方法腐蚀介质试样定值试样一端固定在机架上试样穿在溶液槽中a裂纹长度；B试样厚度；M弯矩；W试样宽度c.计算依据d.计算方法测试一组承受不同恒定载荷的相同试样，及产生不同的初始应力强度因子

，记录每一试样的断裂时间

，以每组试样的

和

的对数作图，曲线水平部分对应的

即为力学方