课10环境作用下金属的力学行为

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1、第十章环境作用下金属的学行为10.1引言机器和工程结构总是在一定环境介质中服役的。腐蚀性很弱的介质与应力的协同作用，也会巨大地影响材料的力学行为。介质与应力的协同作用，常比它们的单独作用或者二者简单的叠加更为严重，引起的断裂称为材料的环境敏感断裂。结构零件的受力状态是多种多样的，如拉伸应力、交变应力、摩擦力、振动力等。不同状态的应力与介质的协同作用所造成的环境敏感断裂形式各不相同。据此，可以将它们分为应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀和微动腐蚀等等。在静载荷长时作用下的环境敏感断裂有应力腐蚀断裂和

2、氢脆断裂。在交变载荷作用下的环境敏感断裂，则称之为腐蚀疲劳。10.2应力腐蚀断裂及其评定指标10.2.1应力腐蚀断裂的行为特性应力腐蚀断裂（StressCorrosionCracking,简称SCC）:材料在静应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂。应力腐蚀断裂并不是应力和腐蚀介质两个因素分别对材料性能损伤的简单叠加。通常，发生应力腐蚀断裂所需要的应力是很小的；若不是处于特定的腐蚀介质中，这样小的应力不可能引起材料的断裂。反之，如果没有任何应力存在，则材料在这种环境介质中所受的腐蚀也是轻微的。应力

3、腐蚀断裂的危险性正在于它常常发生在相当缓和的介质中和不大的应力状态下，而且往往事先没有明显的预兆，因此常造成灾难性事故。应力腐蚀断裂有如下三个基本特征：(1)必须有应力、特别是拉伸应力的作用。拉伸应力愈大，断裂所需的时间愈短。SCC断裂所需的应力，一般都远低于材料的屈服强度。所谓应力，不仅指结构零件在服役过程中所承受的工作应力，也包含结构件在加工和装配过程中所产生的残留内应力，以及腐蚀产物体积膨胀所带来的附加应力。(2)对于一定成分的合金，只有在特定介质中才能发生应力腐蚀断裂。例如α黄铜只有在氨水

4、溶液中才会发生应力腐蚀断裂，而β黄铜在水介质中就能发生应力腐蚀断裂。又如奥氏体不锈钢在氯化物溶液中具有很高的应力腐蚀断裂敏感性（俗称“氯脆”），而铁素体不锈钢对此却不敏感。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C1—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N2O4(3)对于确定的金属与环境介质组合来说，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-

5、3~10-1cm/h数量级范围。(4)应力腐蚀断口一般属于脆断型。(5)应力腐蚀断裂通常只有一条主裂纹，但形成许多分支。裂纹可以是沿晶界扩展的（沿晶型），也可以是穿过晶粒内部扩展的（穿晶型），甚至是兼有这两种形式的混合型。10.2.2应力腐蚀断裂的评定指标:用经典力学方法:以试件在介质中的拉伸应力与断裂时的关系曲线为依据。断裂时间tf是随着外加拉伸应力的提高而降低。当外加应力低于某一定值时，应力腐蚀断裂时间tf趋于无限长，此应力称为临界应力c。若断裂时间tf是随着外加应力降低而持续不断地缓慢增长

6、，则采取在给定的时间基数下发生应力腐蚀断裂的应力，作为条件临界应力。运用断裂力学方法：采用预制裂纹试样，主要是测定应力腐蚀裂纹扩展速率。断裂时间tf是随着应力强度因子KI的降低而增加的。当KI值降低到某一临界值时，应力腐蚀断裂实际上就不发生了，这时的KI值称之为应力腐蚀临界应力强度因子或门槛值，以KISCC表示。高强度钢和钛合金都有一定的槛值KISCC。有些材料，例如某些铝合金，却没有明显的门槛值；其门槛值定义为在规定的试验时间内不发生腐蚀断裂的上限KI值。当裂纹尖端的应力强度因子KI高于KISC

7、C时，裂纹将扩展。应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与应力强度因子K1的关系可以分为三个阶段。在第Ⅰ阶段，应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt主要取决于应力强度因子，同时也取决于环境介质和温度。这时起主导作用的是力学因素，da/dt随着K1的增大而迅速增加。在第Ⅱ阶段，da/dt保持恒定，不随应力强度因子K1而改变，这时化学因素起决定性作用。第Ⅲ阶段，da/dt随着K1值的增加而迅速增大，当K1达到KIC时，裂纹便失稳扩展而引起断裂。应力腐蚀断裂的断裂力学测试方法主要有两种类型，即恒载荷法和恒位移法：（1）

8、恒载荷法给试样施加一恒定的载荷，在试验过程中随着裂纹的扩展，裂纹顶端的应力强度因子K1逐渐增大。（2）恒位移法在整个试验过程中，裂纹张开位移（试样刀口处）保持恒定，随着裂纹的扩展，裂纹顶端的应力强度因子K1逐渐减小。10.3应力腐蚀断裂的机理关于应力腐蚀断裂的机制曾提出了许多学说，但是迄今没有一种机制能够满意地解释各种应力腐蚀断裂现象。尽管如此，从材料和环境介质相互作用的观点，可以将应力腐蚀断裂的机制分为阳极溶解型和氢脆型两大类。10.4金属氢脆的行为特性10.4.1氢脆的分类氢脆