材料在环境介质作用下的断裂.doc

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1、第九章材料在环境介质作用下的断裂腐蚀断口特征实际金属构件或零件在服役过程中，经常要与周围环境中的各种介质相接触。环境介质对金属材料力学性能的影响，称为环境效应。由于环境效应的作用，金属所承受的应力即使低于材料的屈服强度，也会发生突然的脆性断裂，这种现象称为环境断裂。环境断裂通常包括应力腐蚀断裂（SCC）、氢脆（HE）、腐蚀疲劳（CF）、液态金属脆化（LME）、辐射脆化等。第一节应力腐蚀断裂1.应力腐蚀断裂的特征材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的断裂叫应力腐蚀断裂。这种断裂是应力和腐蚀共同作用的结果，这种共同作用可以互相促进，加速材料损伤，加

2、快裂纹早期形成及扩展，若单独考虑应力的影响时，发现产生辐射断裂的应力是很小的，如果不是由于环境效应的作用，这样小的应力是绝对安全的。应力腐蚀的危险性正在于它常发生在相当缓和的介质和不大的应力状态下，故常常被忽视，导致意外事故的不断发生。据美国ASTM统计，美国仅应力腐蚀开裂造成的损失每年竟超过3000万美元。应力腐蚀断裂主要有以下特点：(1)应力腐蚀断裂是脆性断裂，断口平齐并与主应力垂直。断裂前没有明显的塑性变形，断口形状呈颗粒状。(2)造成应力腐蚀断裂的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力（近年来，也发现在不锈钢在可以由压应力引起）。

3、这种拉应力可以是外加应力，也可能是残余应力。焊接、冷加工产生的残余应力和组织变化很容易成为应力腐蚀的原因。(3)应力腐蚀的环境是特定的，各种介质只对特定材料敏感。例如α黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而β黄铜在水中就能破裂；面新立方的奥氏体不锈钢在氯化物溶液中，容易破裂，通常称“氯脆”，而体心立方的铁素体不锈钢对此却不敏感；低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”；铜合金在氨气环境下的“氨脆”等等。常用金属材料产生应力腐蚀的某些环境见表7-1。(4)应力腐蚀裂纹常产生大量分叉（图7-1），并在大致垂直于影响它们产生及

4、扩展的应力方向上连续扩展，扩展路径可以是穿晶的，但多数是沿晶的。如为穿晶断裂，其断口是解理或准解理的其裂纹有似人字纹或羽毛状的标记。(5)应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9~10-6m/s16/16，是渐进缓慢的，当这种亚临界的裂纹扩展达到某一临界尺寸后，随之发生断裂。(1)应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径通常垂直于拉力轴。(2)应力腐蚀是一种局部腐蚀，而且腐蚀裂纹常常被腐蚀产物所覆盖，从外表很难观察到。(3)纯金属不产生应力腐蚀，杂质含量、合金元素含量对应力腐蚀有重要影响。(4)阴极保护对于阻止应力腐蚀开裂及终止裂纹扩展有显著效

5、果。16/16表9-1金属材料产生应力腐蚀的某些环境材料环境介质碳钢和低合金钢氢氧化钠溶液，硝酸盐溶液，酸性硫化氢溶液，海水，海洋性或工业性气氛不锈钢酸性氧化物溶液，氯化钠-过氧化氢溶液，硫化氢，海水，氢氧化钠-硫化氢溶液高强度钢雨水，海水，硫化氢溶液，氯化钠水溶液镍基合金热浓氢氧化钠溶液，氟化氢蒸汽和溶液铝合金氯化钠-过氧化氢溶液，氯化钠水溶液，水蒸气，海水铜合金氨蒸汽和溶液，含氨离子的水溶液镁合金氯化钠-铬酸钾溶液钛合金海水，甲醇，盐溶液蒙乃尔氢氟酸，氟硅酸上述的应力腐蚀断裂特征，可以帮助我们识别断裂事故是否属于应力腐蚀，但一定要综合考虑，不能只

6、根据某一点特征，便简单的下结论。2．应力腐蚀的机理应力腐蚀断裂过程也包括裂纹形成和发展，可分为以下三阶段：（1）孕育阶段：这是裂纹产生前的一段时间，在此期间主要是形成蚀坑，以作为裂纹核心，当机件表面存在可作为应力腐蚀裂纹的缺陷时（如晶界、孪晶界、夹杂等），则没有孕育期，只有裂纹扩展期，（2）裂纹亚稳扩展阶段：在应力和环境介质共同作用下，裂纹慢速扩展。（3）裂纹失稳扩展阶段：裂纹达到临界尺寸后产生的机械性断裂。关于在应力和环境介质共同作用下裂纹的形成和扩展问题，有多种理论，迄今较公认的有阳极溶解作为断裂的控制过程的阳极溶解机理和阴极吸氢为控制过程的氢脆

7、机理（氢脆机理将在后面讨论），这里需要注意应力腐蚀开裂（SCC）和氢致开裂（HIC）之间的关系。从逻辑上讲，它们之间是“交叉”16/16的即它们的一部分内容是重合的。若SCC主要由腐蚀的阴极过程释氢引起的，则这种SCC也是HIC；若SCC主要由阳极溶解过程引起的，则这种SCC不是HIC。一般情况下，可采用外加电位的阴极极化的方法来判别SCC机理，即如果加速断裂，则属于HIC机制；若减慢或抑制，则属于阳极溶解机制。使阳极电位下降，加速阳极金属的溶解，裂纹将逐步向纵深发展，如图7-2所示，上述阳极溶解机理实际上经历了滑移-膜破-阳极溶解-再钝化四个过程。

8、应力腐蚀断裂若是穿晶型的，则保护膜的破裂是由于在应力作用下局部微区产生滑移台阶所造成的，若为沿晶型，则因晶间