材料力学第6章教材

《材料力学第6章教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料力学第6章教材（60页珍藏版）》请在文档大全上搜索。

1、第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂 金属工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，如果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，这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。 本单元主要介绍应力腐蚀、氢脆和疲劳腐蚀产生的原因、断裂特征和影响因素等，介绍金属材料抵抗应力腐蚀、氢脆和疲劳腐蚀断裂的力学性能指标及防止其断裂的措施。第一节、应力腐蚀 金属在应力和特定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 Crack，缩写为SCC)。 发生应力腐蚀的温度一般在5

2、0300之间。 应力腐蚀与单纯的应力破坏不一样，在极低的应力（远低于材料的屈服强度）作用下也会发生破坏； 与单纯由于腐蚀引起破坏也不同，腐蚀性很弱的介质，也能引起应力腐蚀破坏。应力与腐蚀二者相互促进，它往往在没有变形预兆的情况下而迅速断裂，很容易造成严重的事故。 在石油、化工、航空、原子能等行业中都受到广泛的重视，如发电厂中的汽轮机叶片、钢结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件等，均有发生应力腐蚀的可能性。 1967年12月，美国西弗吉尼亚州和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒塌，事故调查的结果就是因为应力腐蚀和腐蚀疲劳产生的裂缝所致。二、应力腐蚀产生的条件 （1）只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀

3、开裂(近年来，也发现在不锈钢中可以有压应力引起)。 这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，但主要是各种残余应力，如焊接残余应力、热处理残余应力和装配应力等。 据统计，在应力腐蚀开裂事故中，由残余应力所引起的占80%以上，而由工作应力引起的则不足20%。 第一次世界大战期间，用H70经过深冲成形的黄铜弹壳，在战场上出现了大量破裂现象。经研究表明，经冲压加工后，黄铜弹壳内存在残余内应力,在战场含氨气或二氧化硫等环境介质中,产生应力腐蚀破裂或季节裂纹（季裂）。这个问题可通过在240260退火,消除残余应力来解决。 （2）产生应力腐蚀的介质一般都是特定的，也就是说，每种材料只对某些介质敏感，而这种介质对

4、其它材料可能没有明显作用，例如，黄铜在氨气氛中、不锈钢在具有氯离子的腐蚀介质中容易发生应力腐蚀，但反应过来不锈钢对氨气、黄铜对氯离子就不敏感。 金属材料化学介质金属材料化学介质低碳钢、低合金钢NaOH溶液、沸腾硝酸盐溶液，海水，H2S水溶液，海洋性和工业性气氛铝合金氯化物溶液，海水及海洋性大气，潮湿性工业气氛奥氏体不锈钢酸性和中性氯化物溶液，海水及海洋大气，热NaCl、H2S水溶液，严重污染的工业大气等铜合金氨蒸汽、含氨气氛，含氨离子的水溶液、水蒸汽，湿H2S，氨溶液镍基合金热浓NaOH溶液，HF溶液和蒸汽钛合金发烟硝酸，300以上的氯化物，潮湿性空气及海水 （3）一般认为，纯金属不会产生应力

5、腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性，合金也只有在拉伸应力与特定腐蚀介质联合作用下才会产生应力腐蚀断裂。 但在每种合金系列中，都有对应力腐蚀敏感的合金成分。例如，铝镁合金中当镁的质量分数大于4，对应力腐蚀很敏感；而镁的质量分数小于4时，则无论热处理条件如何，它几乎都具有抗应力腐蚀的能力。应力腐蚀开裂(SCC)是最有破坏性的腐蚀类型之一。SCC也沿铝合金晶粒边界而发生。当有持续不变的张应力和暴露于腐蚀环境(海盐)时，SCC就会发生。SCC像晶间腐蚀一样，也能导致飞机结构的临界载荷破裂失效。在飞机制造时，安装和装配应力也应该消除。材料选择和过程也能预防SCC，选择较小SCC倾向的铝合金是关

6、键。必须采用经过长时间时效处理、延展的和消除了应力的铝合金。同样，利用开发的用于减少应力腐蚀开裂的恰当的铝回火热处理也很重要。F/A18舰载机2 应力腐蚀的断裂特征应力腐蚀的断裂特征 基本的是滑移-溶解理论（或称钝化模破坏理论）和氢脆理论。一、应力腐蚀断裂机理在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I表示为：R微电池中的电阻；Vc, Va-电池两极的电位。如果在介质中的极化过程相当强烈，则Vc-Va变得很小，腐蚀过程就大受抑制；如果介质中去极化过程很强，Vc-Va很大，腐蚀电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面不能形成钝化膜。)(1acVVRI 应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性

7、变形。 应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s，有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。 一、特征 应力腐蚀断裂速度为0.013mm/h，远远大于无应力存在下的局部腐蚀速度（如孔蚀等），但又比单纯力学断裂速度小得多。 例如，钢在海水中的SCC断裂速度为孔蚀的106倍，而比纯力学断裂速度几乎低10个数量级，这主要由于纯力学断裂通常对应的应力水平要高得多。 应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物（泥状花样），而疲劳断口的表面，如果是新

8、鲜断口常常较光滑，有光泽。 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成绝对化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。 应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。 二、断口形貌特征枯枝状硫化氢应力腐蚀裂缝 泥状花状奥氏体不锈钢应力腐应力腐蚀蚀断口 1Cr18Ni9Ti钢应力腐蚀的解理断口(SEM)a) 解理断口 b) 扇形状或羽毛状的痕迹3、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应力腐蚀力学性能指标应力腐蚀力学性能指标 单位时间内应力腐蚀裂纹的扩展量称应力腐蚀裂纹扩展速率即da/dt，实验证明： da/

9、dt = f(KI) 曲线分为三个阶段： （1）存在一个门槛值KISCC。当KIKISCC时，da/dt =0 或微不足道。 （2）第阶段：当KI超过KIscc时 裂 纹 突 然 加 速 扩 展 ，da/dtKI曲线几乎与纵坐标轴平行。da/dt 值小，但受K之影响较大。（3）第II段出现水平线段，da/dt 决定于环境而受应力强度的影响较小。（4）第阶段裂纹长度接近临界尺寸，da/dt依赖于KI，材料进入失稳扩展的过渡区。当KI增大到KIC时便失稳扩展断裂。 KSCC表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的断裂韧度。 现在对应力腐蚀的研究，都是采用预制裂纹的试样。将这种试样放在一定介质中，在

10、恒定载荷下，测定由于裂纹扩展引起的应力强度因子K随时间的变化关系，据此得出材料的抗应力腐蚀特性。 1.应力腐蚀临界应力场强度因子（或应力腐蚀门槛值）KSCC Ti-8Al-1Mo-1V预制裂纹试祥的K-tf曲线钛合金（Ti-8Al-1Mo-1V）的预制裂纹试祥在恒载荷作用下，于3.5Nacl水溶液中进行应力腐蚀试验的结果。 该合金的Kc100MPa.m1/2，在3.5盐水中，当初始K值仅为40 MPa.m1/2时，仅几分钟试样就破坏了。如果将K值稍微降低，则破坏时间可大大推迟。 当K值降低到某一临界值（图中为38MPa.m1/2）时，应力腐蚀开裂实际上就不发生了。这一K值称之为应力腐蚀临界场强

11、度因子,也称应力腐蚀门槛值，以 KSCC表示(SCC表示应力腐蚀断裂)。 对含有裂纹的金属材料，应力腐蚀条件下的断裂判据： 当作用于裂纹尖端的初始应力场强度因子： K初初KSCC K初KSCC 安全断裂二、KSCC值的测定 测定金属材料的KSCC值可用恒载荷法或恒位移法。 恒载荷法：恒载荷法：使K不断增大的方法的方法，最常用的是恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置 恒位移法：恒位移法：使K不断减少,用紧凑拉伸试样和螺栓加载。 悬臂梁弯曲试验示意图 1-砝码 2-溶液槽 3-试样2/1332/3112. 4aaBWMKI式中 M裂纹截面上的弯矩，MFL。 B试样厚度。 W 试样宽度。a 裂纹长度。3 提高

12、应力腐蚀抗力的措施提高应力腐蚀抗力的措施 合理选择金属材料 （基本原则）选用KSCC较高的合金； 减少或消除工件中的残余拉应力，主要是应力集中，注意工艺措施。 改善化学介质。 采用电化学保护 一般采用阴极保护法，但高强度钢或其它氢脆敏感的材料不宜采用。 第二节 氢 脆1 氢的来源和氢脆的特点氢的来源和氢脆的特点 n 氢脆(Hydrogen embrittlement HE) 又称氢致开裂或氢损伤，是由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生塑性下降、断裂或损伤的现象。n 从力学性能上看，氢脆有以下表现： 氢对金属材料的屈服强度和极限强度影响不大，但使断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性

13、值显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下，材料经过一段时期后会突然脆断。一、氢脆的来源一、氢脆的来源 按照氢的来源可将氢脆分为内部氢脆和环境氢脆（其脆化的本质相同）： 内部氢脆：材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性，它可以是材料在冶炼、热加工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中产生。 吸 收电镀件易出现氢脆环境氢脆n 指材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境与介质中产生。这样的环境通常有： 1)在纯氢气氛中(有少量的水分，甚至干氢)由分子氢造成氢脆； 2)由氢化物致脆； 3)由H2S致脆； 4)高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆。 二、氢在金属中的存在形式 在一般情况下，氢以间隙原子

14、状态固溶在金属中，对于大多数工业合金，氢的溶解度随温度降低而降低。 氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的缺陷(如空洞、气泡、裂纹等)处以氢分子状态存在。 氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物，或与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中的碳原子作用形成甲烷等。三、氢脆的类型和特点 氢可通过不同的机制使金属脆化，因氢脆的种类很多，现将常见的几种氢脆现象从其特征简介如下。 氢在常温常压下不会对钢产生明显的腐蚀，但当温度超过300和压力高于30MPa时，会产生氢脆这种腐蚀缺陷，尤其是在高温条件下。如合成氨生产过程中的脱硫塔、变换塔、氨合成塔；炼油过程中的一些加氢反应装

15、置；石油化工生产过程中的甲醇合成塔等。 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。 如碳钢在300500的高压氢气氛中工作时，由于氢与钢中的碳化物作用生成高压的CH4气泡，当气泡在晶界上达到一定密度后，金属的塑性将大幅度降低。 这种氢脆现象的断裂源产生在工件与高温、高压氢气相接触的部位。对碳钢来说、温度低于220时不产生氢蚀。 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状； 微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。1.氢蚀2.白点（发裂） 当钢中含有过量的氢时，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

16、剧膨胀，内压力增大，足以将金属局部撕裂，而形成微裂纹。 在纵向断面上，裂纹呈现近似圆形或椭圆形的银白色斑点，故称白点；在横断面宏观磨片上，腐蚀后则呈现为毛细裂纹，故又称发裂。10CrNiMoV钢锻材调质后纵断面上的白点形貌3.氢化物致脆 对于纯铁、钛合金、镍、钒、锆、铌及其合金，由于它们与氢有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，使金属脆化。例如，在室 温下，氢在钛合金中的溶解度较小，钛与氢又具有较大的化学亲和力，因此容易形成氢化钛（TiHx）而产生氢脆。 金属材料对氢化物造成的氢脆敏感性随温度降低及工件缺口的尖锐程度增加而增加。裂纹常沿氢化物与基体的界面扩展，因此，在断口上可见到氢化物。 氢化物

17、的形状和分布对金属的变脆有明显影响。如果晶粒粗大，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 在高强度钢或（）钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，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。 工程上所说的氢脆大多数是指这类氢脆而言。【案例案例6-2】1938年，英国发生了一起飞机失事的空难事故，造成机毁人亡。调查发现，飞机发动机的主轴断成了两截，经过进一步检查，发现在主

18、轴内部有大量像人的头发丝那么细的裂纹。大量的“发裂”是怎样产生的呢？要怎样才能防止这种裂纹造成的断裂现象呢？当时正在谢菲尔德大学研究部工作的中国学者李薰通过大量研究工作，在世界上首次提出钢中的“发裂”是由于钢在冶炼过程中混进的氢原子引起的。 李薰（19131983） 金属材料学家，中国科学院学部委员。湖南邵东人，早年就读于长沙长郡中学，1932年入湖南大学矿冶系学习。1937年留学英国谢菲尔德大学，获冶金学博士学位。1945年发现钢中氢脆的科学奥秘，震动英国，被科学界公认为这一领域的创始人，获白郎敦奖章。 1951年回国，积极筹建金属研究所。60年代初，组织科技人员发展国防建设所需的尖端材料，

19、为“两弹一星”提供了关键材料。1971年又解决了航空工业中材料质量的关键问题。 历任中国科学院金属研究所所长、中国科学院副院长等职。1961年加入共产党，为九三学社中央常委、中国金属学会副理事长。四、氢脆的特点 氢脆和应力腐蚀相比，其特点表现在： 断裂的主裂纹没有分枝的情况，这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。 氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者从一种裂纹扩展形式转变成另一种形式，但就具体的金属环境组合来说，氢脆有特定的裂纹形态。 氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。 65Mn钢氢脆沿晶断口（SEM） 都是由于应力和化学介质共同作用而产生的断裂现象。 产生应力腐蚀时总是伴随有氢的析出，

20、而析出的氢又易于形成氢脆。 区别：应力腐蚀为阳极溶解过程，氢脆为阴极吸氢过程 。五、氢脆与应力腐蚀的关系五、氢脆与应力腐蚀的关系2 氢脆断裂机理及防止措施氢脆断裂机理及防止措施一、氢脆机理一、氢脆机理 钢的氢脆三阶段： 1）孕育阶段（H钢中过程H偏聚裂纹）。 2）裂纹亚稳扩展。 3）裂纹失稳扩展。二、防止氢脆的措施二、防止氢脆的措施 氢脆一经产生，就消除不了。 氢脆只可防，治不了!（1）降低或抑制材料内的氢含量 设法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，降低或抑制金属内的含氢量。 降低氢含量 冶炼时采用干料，或进一步采用真空处理或真空冶炼； 排氢处理 合金结构钢锻件的冷却要

21、缓慢，防止氢致开裂(白点)； 对氢脆敏感的高强度钢及高合金铁素体钢，酸洗及电镀后，在200240的温度下，加热24小时可将绝大部分氢去除。 （2）力学因素 在机械零件设计和加工过程中，应排除各种产生残余拉应力的因素；相反，采用表面处理使表面获得残余压应力层，对防止氢致延迟断裂有良好作用。 金属材料抗氢脆的力学性能指标与抗应力腐蚀性能指标一样，对于裂纹试样可采用氢脆临界应力场强度因子(或称为氢脆门槛值) KHEC表示。设计时应力求使零件服役时的K值小于KHEC。 含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢的敏感性低。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中服役的高强度钢的强度应有所限制。 钢的显微组织对氢脆敏感性有较大影响，一般按下列顺序递增：球状珠光体、片状珠光体、回火马氏体或贝氏体、未回火马氏体。 冷变形使氢脆敏感性增大。因此，合理选材与正确制定冷、热加工工艺，对防止金属的氢脆也是十分重要的。（3）材料因素