第6章-金属的应力腐蚀和氢脆断裂.ppt

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1、工程材料力学性能第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂1第一节应力腐蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件1、应力腐蚀现象应力腐蚀断裂(SCC)：金属在拉应力和特定的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。特点：拉应力，特定介质，时间，脆断。低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆不锈钢——氯脆铜合金——氨脆22、产生条件应力：静应力远低于材料的屈服强度，且一般为拉应力。包括工作应力和残余应力。化学介质：一定材料对应一定的化学介质；表6-1所示金属材料：纯金属一般不会产生应力腐蚀，合金对应力腐蚀都比较敏感，不同的合金成分，敏感性不同。3二、应力腐蚀断裂机理及断口形

2、貌特征关于应力腐蚀的机理曾提出许多学说，如活性通路—电化学理论，膜破裂理论、氢脆理论，“化学脆变—脆性破裂”理论，腐蚀产物楔入理论、隧洞形蚀孔撕裂理论，应力吸附破裂理论，快速溶解理论，环境破裂三阶段理论……等。最基本的是：滑移—溶解理论(或称钝化模破坏理论)和氢脆理论。1、应力腐蚀断裂机理4滑移－溶解理论在特定化学介质中首先在表面形成一层钝化膜，在拉应力作用下裂纹尖端地区产生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时钝化膜破裂，显露出新表面。这个新表面在电解质溶液中成为阳极，具有钝化膜的金属表面为阴极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子进入电解质中产生阳极溶解，于

3、是在金属表面形成蚀坑。拉应力在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。5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。61）应力腐蚀断裂断口宏观特征（1）即使是塑韧性非常好的材料，其应力腐蚀断裂的宏观形貌也是完全

4、脆性的。（2）断口往往是粗糙的。（3）在亚稳扩展区可见腐蚀产物带来的颜色变化（黑色或灰黑色），但深裂纹的裂夹区颜色可能很浅，不易为肉眼辨认。（4）由于断裂总是从与介质接触的表面开始，故启裂区表面附近的断口颜色最深，有时由于腐蚀进展的变化会在断口上留下海滩花样。（5）与介质接触表面往往有点蚀或蚀斑。（6）应注意，有腐蚀产物不是判定应力腐蚀的充分条件。因为也有可能由于别的机制导致断裂后，断口受到随后的腐蚀。2、应力腐蚀断口特征72）应力腐蚀断口微观特征（1）若腐蚀产物不是很厚或被清洗掉后，在适当（如数百倍）倍率下，沿晶断口的形貌是颗粒状。（2）穿晶型的应力腐蚀断口

5、有羽毛状花样或明显的类似解理形貌。（3）在腐蚀产物很厚的情况下，断口形貌可能被掩盖。（4）腐蚀产物的形貌同金属基体形貌不同，常见的是“泥状花样”的腐蚀产物。（5）清洗过的SCC断口能看出被腐蚀的迹象，尤其是沿晶型，更易辨认，这是同单纯氢脆及其它沿晶断口相区别的重要依据。83）应力腐蚀断裂途径(1)根据金属和合金的种类及介质不同，SCC可以是沿晶的或穿晶的：碳钢和铬不锈钢多系沿晶奥氏体不锈钢多为穿晶铝、钛、镍也多为沿晶但也有例外的。(2)裂纹扩展的宏观方向与应力有关，大体垂直于主应力，但裂纹常有分叉现象，呈枯树枝状。9三、应力腐蚀抗力指标1、应力腐蚀曲线采用光滑

6、试样在拉应力和化学介质共同作用下，测定不同应力水平作用下的断裂时间曲线，从而求出该种材料不发生应力腐蚀的临界应力。实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的缺陷。因此，用应力腐蚀破裂的临界应力指标σscc不能客观地反映裂纹机件对应力腐蚀的抗力。发展了两个重要的应力腐蚀抗力指标：应力腐蚀临界应力场强度因子KIscc应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt102、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC定义：在特定介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子。含宏观裂纹的试样，恒定载荷，特定介质，测KI~tf曲线。KISCC值的测定：1)恒载荷法：使KI不断增大的方法，最常

7、用的是恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置。2)恒位移法：使KI不断减少，用紧凑拉伸试样和螺栓加载。11整个试验过程中载荷恒定，随着裂纹的扩展，裂纹尖端KI增大，可用下式计算：其中α＝1－a/W试验时制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同恒定载荷，使裂纹尖端产生不同大小的初始应力场强度因子KI初，记录各种KI初作用下的断裂时间tf，以KI初与tf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即为材料的KIscc12K

8、长，裂纹尖端K值不断增大，达到KIC断