材料的力学性能课件后几章

第十章

环境对金属力学性能的影响

(1)

广义上，任何材料都在环境中工作。本章中(狭义)，环境为腐蚀性环境10.1常识氧化还原与电化学反应有关金属腐蚀裂缝腐蚀酸性介质碱性或中性介质在裂纹和非裂缝区形成电位差，引起腐蚀晶间腐蚀奥氏体钢的敏化。奥氏体钢在500–800oC长时间保温。沿晶析出Cr23C6,在临近晶界的区域形成贫Cr层。氧化除Au，Pt等少数贵金属外，金属氧化物比金属具有更低的自由能，金属的氧化自发进行。在氧化气氛中，钢中可发生脱碳反应：一些金属氧化后，表面形成致密氧化物层，避免进一步氧化，这些金属包括：Cr,Ni,Ti,Al.用Pilling—Bedworth比初步判断表面氧化物是否能够防止进一步氧化其中：Ao氧化物的原子重量,ρo是氧化物；Am为金属的原子重量,ρm金属密度.等于1，保护性小于1，多孔氧化物等于2~3，形成片状氧化物热失配

，冷却时，氧化物层内产生拉应力，可导致裂纹

，氧化物层内产生压应力，也会导致涂层剥落。弱腐蚀性介质与应力协同作用会显著影响材料的力学行为。环境与应力的协同作用比单独作用或者二者简单叠加更为严重，引起环境敏感断裂。应力参与？受力状态：拉应力、交变应力、摩擦力、振动力等。不同应力状态与介质的协同作用造成的环境敏感断裂形式各不相同。静载长时作用下的环境敏感断裂：应力腐蚀断裂、氢脆和液态金属致脆。交变载荷作用下的环境敏感断裂：腐蚀疲劳。环境敏感断裂10.2应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂（StressCorrosionCracking,SCC）:材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生脆性断裂。并不是应力和腐蚀介质分别对材料性能损伤的简单叠加。发生SCC需要的应力很小；若不处于特定的腐蚀介质中，不会引起断裂。如果无应力，材料在该环境中仅发生的轻微腐蚀。危险性：相当缓和的介质和不大的应力下断裂，事先无明显预兆。SCC基本特征(1)必须有应力、特别是拉应力。应力包括：工作应力，加工和装配过程中产生的残余应力、腐蚀产物体积膨胀带来的应力。拉应力愈大，断裂所需的时间愈短。SCC断裂所需的应力，一般都远低于屈服强度。（2）应力腐蚀裂纹扩展速度取决于应力或应力强度因子的水平，通常约在10-3~10-1cm/h数量级。(3)一定成分的合金只在特定环境中才发生SCC

。α黄铜只有在氨水溶液中才会发生SCC，β黄铜在水介质中就能发生。奥氏体不锈钢在含Cl-溶液中具有高SCC敏感性（氯脆），铁素体不锈钢对此不敏感。金属材料环境介质低碳钢Ca(NO3)2，NH4NO3，NaOH低合结构钢NaOH高强度钢雨水、海水、H2S奥氏体不锈钢热浓的含Cl—溶液α黄铜NH4+高强度铝合金海水钛合金（ωA1=0.06,ωV=0.04）液态N2O4SCC断裂特点应力腐蚀断口：脆断型。断裂机制：沿晶、穿晶或混合型。SCC通常只有一条主裂纹及许多分支裂纹。316不锈钢在42wt%MgCl2溶液中应力腐蚀断裂断口左：穿晶解理区域右：混合断口区域.左：95°C氯化物溶液中，304不锈钢和308焊接处的穿晶型SCC裂纹.右：316L不锈钢NaOH反应容器的沿晶型SCC裂纹，β黄铜在热水中的应力腐蚀引起的沿晶裂纹304不锈钢的应力腐蚀裂纹沿晶扩展310不锈钢在氯化物环境中应力腐蚀裂纹穿晶扩展10.3SCC评定评定金属应力腐蚀性能的方法是多样的；3类试样：光滑、缺口和预裂纹试样；加载方式：恒位移或恒载荷(GB/T15970.6-2007)、渐增式载荷或位移(GB/T15970.9-2007)和慢应变速率(GB/T15970.7-2000)等悬臂梁弯曲试验装置，1-砝码，2-介质容器，3-试样预裂纹双悬臂梁(DCB)试样采用螺钉加载示意图预裂纹的楔形张开(WOL)试样采用螺钉和垫块加载示意图SCC评定参数-临界应力:

以拉应力-断裂时间曲线为依据。断裂时间tf是随着拉应力增加而降低。外加应力低于某一定值时，tf趋于无限长，该应力为临界应力c。若tf是随着外加应力降低而缓慢增长，在给定时间基数下发生SCC的应力，称为条件临界应力。奥氏体不锈钢在氯化镁溶液中的应力腐蚀断裂采用预制裂纹试样，测定应力腐蚀裂纹扩展速率。断裂时间tf随着KI的降低而增加。当KI值降低到某一临界值时，SCC不发生，对应的KI值称之为界限应力强度因子KISCC。SCC评定参数-界限应力强度因子

高强钢和钛合金都有一定的KISCC。有些无明显的门槛值的材料，如某些铝合金，KISCC：规定试验时间内不发生SCC的上限KI值。当裂纹尖端的应力强度因子KI高于KISCC时，裂纹扩展。应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与K1的关系分3阶段。第Ⅰ阶段，da/dt主要取决于应力强度因子，环境和温度也起作用。da/dt随KI增大而迅速增加。第Ⅱ阶段，da/dt保持恒定，不随KI而改变，化学因素起决定性作用。第Ⅲ阶段，da/dt随KI值的增加而迅速增大，KI=KIC时，断裂。304L不锈钢在氯化镁和氯化钠溶液中的SCC裂纹扩展速率与应力强度因子的关系7079铝合金在碘化钾