金属的应力腐蚀和氢脆断裂材料力学性能资料课件.ppt

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1、第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属机件（或构件）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其屈服强度也会产生突然断裂的现象，即为环境断裂。知识拓展1在静载荷作用下的环境断裂有应力腐蚀和氢脆断裂等，因为它们是随时间延续而造成的断裂，故又称为延滞断裂或静载疲劳。在交变载荷作用下的环境断裂主要是腐蚀疲劳。金属机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，主要有应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。这些

2、断裂形式大多数为低应力脆断，具有很大的危险性。2§6-1应力腐蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件1、应力腐蚀现象（1）定义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。称为应力腐蚀断裂（StressCorrosionCracking,SCC）。应力腐蚀断裂没有任何明显征兆，会产生灾难性的后果。3⑵特点◆拉应力，特定介质，时间，脆断。◆并不是两种破坏形式的叠加，而是按照特定机理，比叠加起来的抗力还要低的多。◆无论是韧性材料还是脆性材料，均没有明显的征兆就发生低应力脆性断裂，常常造成灾难性事故。4⑶常见的应力腐蚀断裂形式（如表所示）：◆

3、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”；◆奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”；◆铜合金在氨气介质中的“氨脆”；◆高强度铝合金在空气、蒸馏水介质中的脆裂等。52、产生条件拉应力、特定化学介质和金属材料是产生应力腐蚀开裂的三个条件。⑴拉应力：包括残余应力和工作应力。焊接、热处理、装配等过程中产生的。产生应力腐蚀开裂的应力一般并不很大。如果没有特定腐蚀介质的协同作用，机件在该应力作用下可以长期服役而不断裂。6⑵化学介质：指特定化学介质。如果没有拉应力的共同作用，材料在这种介质中的腐蚀速度很慢。也就是说，每种材料只对某种介质

4、敏感，这种介质可能对其它材料没有明显的作用。见表所示⑶金属材料：一般只有合金才产生应力腐蚀断裂，纯金属不会产生。在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分。如：铝镁合金中当含镁量超过4％，对应力腐蚀很敏感，而镁含量小于4％时，无论热处理条件如何，它几乎都具有抗腐蚀的能力。又如，钢中在含碳量在0.12％左右时，应力腐蚀敏感性最大。7二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征（一）应力腐蚀断裂机理机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所有的应力腐蚀断裂现象，应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆理论。在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐

5、蚀开裂理论。1、以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论如图所示。（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）82、晶界微电池溶解理论在γ体护环钢的龟裂现象中发现：沉淀于晶界的碳化物其实为类似珠光体的结构，该结构与介质形成微电池并迅速溶解，导致脆断。断裂过程分为亚稳扩展区和瞬时扩展区。9(二)应力腐蚀断口特征1、宏观断口特征与疲劳断口相似；不同之处是：在裂纹源及亚稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化现象，常呈现黑色或灰黑色具有脆性特征。瞬时断裂区（失稳扩展区、最后断裂区）一般为快速撕裂破坏，显示材料的特性。102、微观特征⑴断口的微观形貌一般为沿晶断裂，也可能为穿晶断裂。⑵其

6、表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物（见图6-3a）及腐蚀坑（见图6-3b）。⑶应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象，呈枯树枝状，如图所示。表明应力腐蚀时，有一主裂纹扩展较快，其它分枝扩展较慢，根据这一特征可将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。11三、应力腐蚀抗力指标（断裂力学在应力腐蚀开裂中的应用）通常采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能（见图6-4）。用常规方法测定的σ～tf曲线，得到的σSCC不能客观地反映材料的应力腐蚀抗力。（无裂纹）引入应力场强度因子的概念来研究金属材料抗应力腐蚀性能，即应力腐蚀临界

7、应力场强度因子ΚⅠscc和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt。121、临界应力场强度因子KISCC试验表明：在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子KI初有关。如图所示将试样在特定化学介质中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（或称为应力腐蚀门槛值），以KISCC表示。对于大多数金属材料，在特定的化学介质中的ΚⅠscc值是一定的。13测定金属材料的KISCC值可用恒载荷法或恒位移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所用试样与测定的KIC的三点弯曲试样相同，装置见图6-6

8、。裂纹尖端的ΚⅠ可用公式（6-2）计算。（6-2）通