第06-7章 金属应力腐蚀和氢脆断裂li_22p

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1、1第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂6.1应力腐蚀6.2氢脆第七章金属的磨损和耐磨性7.1材料的磨损7.2耐磨性7.3接触疲劳2§6.1应力腐蚀6.1.1应力腐蚀及其产生条件(1)定义与特点1）应力腐蚀断裂（StressCorrosionCracking，SCC）金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。2）特点拉应力、特定介质、延时、脆断。低碳钢、低合金钢——碱脆（苛性碱溶液）、硝脆（硝酸根离子）奥氏体不锈钢——氯脆（含氯离子）铜合金——氨脆（氨气介质）高强度铝合金脆裂——（潮湿空气、蒸馏水介质）(2)

2、产生条件应力：外应力、残余应力（焊接、热处理过程中）；化学介质：一定材料对应一定的化学介质（表6-1）；金属材料：化学成分（合金对应力腐蚀有不同程度的敏感性）、显微组织、强化程度等。36.1.2应力腐蚀(1)机理滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论）a）应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）b）电化学腐蚀（钝化膜的金属表面为阴极，新鲜金属为阳极）阳极金属成为正离子融入进入电解液，发生溶解，形成蚀坑。c）应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；d）若应力集中始终存在，则微电池反应不断进行，钝化膜不能恢复。则裂纹逐步向纵深扩展。

3、（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）42、断口特征(2)宏观：亚稳扩展区+最后瞬断区（与疲劳断口相似）；亚稳扩展区可见腐蚀产物和氧化现象，呈黑色或灰色，最后瞬断区为快速撕裂，呈脆断特征。形貌：枯树枝状、分叉（图6-2，P130）。主裂纹扩展较快、其他分支裂纹扩展较慢。据此可区别应力腐蚀VS腐蚀疲劳和晶间腐蚀等。(3)微观沿晶断裂和穿晶断裂（6-3)a.泥状花样，b.腐蚀坑）56.1.3力学性能指标常规方法(光滑试样：拉应力+腐蚀介质)测定的σSCC～tf曲线。断裂总时间tf包括裂纹形成时间与裂纹扩展时间，而裂纹形成时间约占断裂总时间的9

4、0%。实际机件通常不可避免的存在裂纹或类裂纹缺陷。故σSCC（材料不发生应力腐蚀开裂的临界应力）不能客观地反映材料的应力腐蚀抗力。(1)预制裂纹+应力腐蚀试验应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC恒载荷，特定化学介质，测KI~tf曲线。将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——KISCC。判据：含有裂纹的机件，当裂纹尖端的初始应力强度因子KI初≤KISCC，原始裂纹在化学介质和力的作用下不会发生扩展，机件可安全服役。KISCC测量方法——恒载荷法/图6-6、恒位移法。6(2)应力腐蚀裂纹的扩展速度da/dtK

5、I>KISCC，裂纹扩展。扩展速率da/dt——单位时间内的裂纹扩展量。da/dt~KI曲线（图6-7，P132）的三个阶段（初始、稳定、失稳）。第二阶段时间越长，材料抗应力腐蚀开裂性能越好。如果测出KISCC及第二阶段的da/dt，就可估算机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命。7(四)防止应力腐蚀的措施(1)合理选材（原则：选材时，考虑耐应力腐蚀性能；在成本和采购便利下，尽量选KISCC较高的材料）；(2)减少拉应力（降低应力集中，退火，喷丸及其他表面处理）；(3)改善化学介质（水净化、添加缓蚀剂）；(4)采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域

6、（外加电位、阴极保护）。8§6.2氢脆氢和应力的共同作用，导致金属材料产生脆性断裂，称为氢脆断裂（氢脆）。6.2.1氢在金属中存在的形式内含的（冶炼和加工/焊接、酸洗、电镀等过程中带入的氢）；外来的（工作服役中，吸H）。间隙原子状固溶在金属中：一般，氢以间隙状态固溶在金属中，温度↘，溶解度↘。分子状气泡中：氢也可通过扩散聚集在材料缺陷（孔洞、气泡、裂纹等）处，形成分子氢。化学物（氢化物）：此外，氢还可与过渡族、稀土或碱金属元素作用，形成氢化物，或与金属的第二相作用生成气体产物，如钢中的氢VS渗碳体作用，形成甲烷等。96.2.2氢脆类型及其特征

7、(1)氢蚀（氢+金属中的第二相→高压气泡（H2，CH4）沿基体金属晶界分布，大大降低金属塑性。宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。碳钢，温度低于220℃时，不产生氢蚀。(2)白点（发裂）当钢中含有过量的氢，IF溶解度↓，如果过量的氢未能逃逸，就会聚集在缺陷位置，形成气泡，体积↑↑，将金属的局部胀裂，形成微裂纹。断口/宏观：断面呈圆形或椭圆形，银白色，故称为白点。Cr-Ni结构钢的大锻件中白点是一种严重缺陷。10(3)氢化物致脆IVB、VB族金属（纯Ti、α-Ti、Ni、V、Zr及Nb合金等）与H的亲和力大

8、，形成氢化物（凝固、热加工时形成；或应力作用下，元素扩散而形成）。氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。裂纹沿界面扩展。如晶粒粗大，氢化物在晶界上呈薄片状，极易产生较大