材料失效分析(第六章-腐蚀环境)教材

第六章腐蚀失效分析

（环境断裂失效）

§1应力腐蚀断裂

§2氢脆断裂

§3蠕变断裂

§4其它的环境断裂1概述环境断裂：主要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件的影响下，产生的沿晶或穿晶的低应力脆断现象常见的环境断裂：SCC、氢脆、蠕变断裂液态或固态金属脆、中子脆过热、过烧断裂静载延迟断裂：材料在特定的外界条件下，虽然所受的应力低于材料的屈服强度，但服役一段时间，也可以发生突然的低应力脆断，这类与时间有关的低应力脆断现象。2§1、应力腐蚀断裂一、引言1、定义由拉应力和腐蚀介质联合作用而引起的低应力脆断。2、共同特征◆只有在拉应力作用下才能引起SCC。这种拉应力可能是残余拉应力或工作应力。一般情况下，产生SCC时拉应力都很低，若没有腐蚀介质的联合作用是不会产生断裂的。◆要有一定的腐蚀介质。其腐蚀介质的浓度都很低，并且腐蚀介质一般都是特定的（选择性）。◆一般只有合金才产生SCC，纯金属不会产生SCC。3应力腐蚀发生的条件及涉及的学科43、断裂过程

裂纹形成：占全部时间的90%

裂纹扩展：占全部时间的10%5引起表面膜局部破裂的因素：◆环境因素：可能存在破坏钝化膜的活性离子，如Cl-、

Br-等◆冶金因素：金属表面的缺陷，如夹杂物、位错露头等◆力学因素：在应力作用下产生的突出表面的滑移台阶◆机械破损6二、SCC机理1、保护膜破裂机理认为产生SCC是电化学反应起控制作用形成保护膜→保护膜破裂→阳极溶解→重新形成保护膜→重新破坏→新的阳极溶解72、应力吸附机理（氢致脆化机理）

认为[H]吸附于裂纹尖端，使金属晶体原子键的亲和力减弱，即表面能降低。从Griffith缺口强度理论可知：

σc∝γ1/2∵γ↓∴σc↓

从而脆化金属，使材料产生早期断裂8三、SCC断口形貌特征1、宏观形貌特征●呈现脆性特征，有时带有少量塑性撕裂痕迹●裂源是多源的，由于介质的腐蚀作用，裂纹形成区或亚稳扩展区呈暗色或灰黑色●最终断裂区具有金属光泽，常有放射状花样或人字纹92、微观形貌典型断口：沿晶断口，晶面有撕裂脊；有时也可观察到韧窝、腐蚀坑、二次裂纹，也可能有穿晶断裂，断口有河流、扇形、泥状、块状花样等沿晶断口10穿晶断口泥纹状断口：在平坦面上分布直线状裂纹（如河底干沽状）11四、SCC的影响因素与预防措施1、影响因素◆应力：拉应力◆环境介质：材料对介质具有选择性◆成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量◆热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)2、预防措施◆降低应力◆表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力◆改变腐蚀介质◆选材

◆电化学保护12§2氢脆断裂一、引言1、定义:金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断2、类型内部氢脆：材料在熔炼、焊接、高温锻造、轧制和热处理等过程中吸收了过量的氢气而造成的环境氢脆：在应力和含氢介质的联合作用下引起的一种低应力脆断。如贮氢压力容器、酸洗、电镀材料发生的断裂两者区别：氢的来源不同，而脆化本质是否相同目前尚未定论。13二、氢脆断口特征1、内部氢脆宏观特征：白点：是大型锻件和热轧钢坯中常见的缺陷它是钢中氢与组织转变应力、热应力共同作用下产生的细长裂纹，尺寸一般为几毫米到几十毫米。14白点形貌鱼眼型白点鱼眼的微观形貌15发裂白点（不可逆白点）：断口上呈现白点，呈银白色，轮廓分明，表面光亮形状为圆形或椭圆形实际上是一种内部微细裂纹鱼眼型白点（可逆白点）：是以材料内部的宏观缺陷（气孔、夹渣）为核心的银白色斑点形状为圆形或椭圆形核心愈大，白色愈大，白色区齐平略为下凹16微观特征：

穿晶解理型或准解理型花样，以准解理较为多见浮云状波纹状条状172、环境氢脆宏观形貌：与一般的脆性断口形态相似，有时可见到一些反光的小刻面、结晶状颗粒或放射状花样不锈钢螺栓氢脆断口螺钉氢脆断口18微观形貌：典型为沿晶断口与准解理断口，有时看到解理及局部韧断。19在不同K值下高强钢的断裂形式氢脆的沿晶断口20四、SCC与氢脆的关系联系：

●广义的SCC包括氢脆断裂，通常应力腐蚀总伴有氢脆。它们共同存在，一般难以区别。

●微观断口形貌也十分相似21区别：●从电化学反应来看，SCC是阳极溶解控制过程

Fe-2e→Fe+

氢脆是阴极反应控制过程

H++e→[H]2[H]→H2↑22●裂源：SCC从表面开始，裂纹分叉氢脆从次表面或内部开始，裂纹几乎不分叉SCC裂纹氢脆裂纹23五、影响氢脆的外部因素1、温度氢脆多发生在温度为-100℃—150℃之间，一般最敏感的温度是室温温度太低，氢不易扩散和聚结温度太高，氢自由地向大气中扩散，减少了氢含量2、[H]浓度发生氢脆时不一定要求氢气氛或含氢介质有很高的浓度如当[H]＜1ppm时就能引起高强钢的氢脆。243、置放时间

对于内部可逆氢脆，能否出现白点还与置放时间有关。置放时间太长或太短都不会出现白点。25§3蠕变断裂一、引言1、定义

蠕变：金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，即使

σ＜σ0.2，也会缓慢地产生塑性变形的现象蠕变断裂：由于蠕变变形而最后导致材料的低应力脆断2、发生条件

0K—Tm范围内都会产生蠕变，但只有高于0.3Tm时才较显著263、蠕变曲线典型的蠕变曲线27二、断裂过程

蠕变断裂主要是沿晶断裂，包括裂纹形成与扩展裂纹形成：楔形裂纹：通常萌生于三个晶粒相遇的晶粒处，然后沿晶进行传播。裂纹一般在垂直于应力方向的晶界上各种楔形裂纹形成示意图28孔洞型裂纹：

空穴位于与拉伸方向垂直且成大角度的晶界上，在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑动，蠕变断裂是由这些小空穴相互连接形成的。孔洞型裂纹形成示意图29显微空洞的形成30裂纹扩展在蠕变断裂中，很多情况下不存在非常明显的裂纹扩展阶段的情况31三、蠕变断口形貌特征宏观形貌：断口附近有明显的塑性变形，表面有许多龟裂，并被一层氧化膜覆盖高温镍基合金N-73832微观形貌研究得不广泛，因在高温下进行，所以断面上附着一层很厚的氧化膜，遮盖着细节。有时断口上布有涟波条纹（滑移线）或沿晶断口耐热钢HK40的蠕变断口33高温合金蠕变断口，涟波条纹耐热钢蠕变断口，其上具有氧化膜显微特征34§4其它的环境断裂一、液态或固态金属脆1、定义：某些高强钢或合金与一些液态金属或固态金属接触时，使金属引起显著脆化。如：铜合金与水银接触而产生的液态汞脆铝合金被液体Na、Sn脆化钢与Cd接触出现镉脆2、发生条件●两种金属没有相互有效的溶解度

●两种金属不能形成高熔点的金属化合物

●固态金属表面能被液态金属所浸润353、裂纹形式多枝裂纹网状裂纹364、断口形貌特征

宏观形貌：两个区（缓慢断裂区、瞬断区）

微观形貌：大多数为沿晶脆断，也有穿晶解理液态汞脆黄铜的Sn脆37二、过热断口与过烧断口过热断口1、定义

材料在热锻、热轧或热处理加热时在高温长时间停留由于晶粒粗大而引起的低应力脆断2、断口形貌特征宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽石状颗粒愈多、愈大，过热愈严重微观形貌：典型的延性沿晶断口38过烧断口1、过烧：材料在超过过热温度下加热产生的缺陷。

过烧钢的显微组织特点：

晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及魏氏组织2、断口形貌宏观形貌：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗严重过烧出现豆腐渣状断口铝合金过烧后，表面出现许多气泡，晶界熔化成网络状熔化节39微观形貌：冰糖状，晶界局部熔化出现孔洞，晶界面变宽，内有氧化物，晶粒失去棱边变成表面圆滑的颗粒2214铝合金的过烧断口40