Chapter 6 金属的应力腐蚀和氢脆断裂.docx
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Chapter6金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂
第一节应力腐蚀
一、应力腐蚀断裂现象
应力腐蚀现象最先发现于黄铜零件中
一次大战中,冷冲黄铜子弹壳,开裂现象
┗含微量氨气的海风——
解放初期黄铜子弹壳开裂现象:
润滑用肥皂水中含微量铵离子
又例:
1967年12月美国俄亥俄桥突然塌陷,死
46人,钢梁:
应力+大气中微量H2S。
铆接锅炉爆炸:
水中含少量NaOH,造成
低碳钢的碱脆。
飞机起落架断裂
┗低合金超高强度钢的氢脆
另:
奥氏体不锈钢的氯脆
共性:
应力与某种腐蚀介质共存——应力腐蚀断裂
二、应力腐蚀断裂定义及产生条件
1定义:
材料在拉应力和特定的环境介质
共同作用下,经过一段时间,所产生的低应
力脆性断裂现象,称为应力腐蚀断裂。
危害:
缓和的介质+较小的应力
导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或
轻微腐蚀;
导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力
2应力腐蚀的特征
①造成应力腐蚀破坏的应力一般是拉应力;
实质:
压应力腐蚀破坏速度极小
②只有特定的合金成分与特定的介质相组
合才会造成应力腐蚀破坏——表6-1;
Al-Mg合金系:
WMg>4%时
——①、②亦为产生的条件
③只有合金才产生应力腐蚀,纯金属极少。
例如:
a、氢氧化铵溶液中
纯铜————无脆化现象
含0.004%P的铜——脆化现象
b、硝酸盐中:
纯铁无脆化,工业纯铁脆化
④应力腐蚀断裂速度(10
大于工业上正常纯腐蚀速度(10
-10cm/h)远
-4-1
-5
cm/h)
三、应力腐蚀断裂机理
1钝化膜破坏机理:
(1)拉应力→引起滑移→局部保护膜破裂;
(2)阳极反应——蚀坑
M→M+ne
+n
┗裂纹产生
(3)尖端产生应力集
中,使阳极电位下降,
溶解加速——裂纹扩展
应力腐蚀断裂机理简图
2应力腐蚀断裂过程
(1)孕育阶段:
裂纹产生前
(2)裂纹亚稳扩展阶段:
裂纹缓慢扩展
(3)裂纹失稳扩展阶段:
最后的机械破坏
3断口形貌
(1)宏观形貌特征:
与疲劳断口相似,裂纹起源于表面,
有亚稳扩展区和最后瞬断区——宏观上是
脆性断裂。
(2)微观形貌特征:
a、泥状花样及腐蚀坑
b、多为沿晶断裂,少量穿晶解理断裂;
c、应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象。
四、应力腐蚀力学性能指标
1、不发生应力腐蚀的临界应力σSCC
早期:
光滑试样,(应力+介质)环境下,
测定σ-tf(不同应力水平-断裂时间)关系曲线
缺点:
90%tf
t裂纹形成≈90%tf
σSCC
不能真实反映
带裂纹试样
光滑试样的应力腐蚀的σ-tf关系曲线
2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
采用预制裂纹的试样:
裂纹+应力——应力场强度因子
不发生应力腐
蚀的最大应力
场强度因子
——KISCC
某种钛合金预制裂纹试样的KI-tf曲线
引入:
应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC
(1)定义:
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,也称为应
力腐蚀门槛值。
(2)意义:
表示含有宏观裂纹的材料在
应力腐蚀条件下的断裂韧度。
一定的材料与介质,KISCC值恒定。
——力学性能指标,
(3)断裂判据:
①裂纹尖端KI初始≥KIC时,立即断裂。
┗断裂判据
②当KISCC 随KI初始↓,断裂时间↑。 ③KI初始 (4)KISCC测定方法: ①预制裂纹试样+化学介质, ②在恒定载荷(拉伸应力)下,测定发生断 裂时间与初始应力场强度因子(KI初始)的关系; ③施加不同的载荷F,使裂纹前端产生不同 大小的初始应力场强度因子KI, →KI初始-tf曲线。 五、预防应力腐蚀断裂的措施 1、消除或减少机件中的残余拉应力。 (1)退火消除残余应力。 (2)改变应力状态: 采用喷丸、表面热处理——表面压应 力; 构件结构的改进——减小应力集中 2、改善介质条件: 消除或减少助长应力腐蚀开裂的有害 化学离子。 离子交换法、添加缓冲剂等。 3、合理选材: 根据介质,避开敏感合金(表6-1) 4、采用电化学保护 外加电位,使偏离腐蚀电位 第二节氢脆 钝化膜破坏机理 ——阳极反应敏感型应力腐蚀 两极反应: 原子态氢: 溶入钢中会 阳极: Fe→Fe 阴极: H + +e→H;2H→H2↑引起脆性 2+ +2e 故: 阴极反应是否引起脆性取决于溶入金属的 原子态氢数量、扩散能力、基体受力状况等 阴极反应引起脆性时 ┗阴极反应敏感型应力腐蚀 a应力腐蚀断裂b氢致延滞断裂 一、氢脆概念 由于氢和应力的共同作用而导致金属材料 产生脆性断裂的现象,称为氢脆断裂(氢脆)。 类型: 氢蚀、 白点(发裂)、 氢化物致脆 氢致延滞断裂 类型 脆化机制 氢蚀氢与材料中第二相反应生成高压 气体(例: 钢中氢与碳化物生成 CH4),气体在晶界聚集造成脆性。 白点过饱和氢在金属中偏聚形成氢 气,体积膨胀引起大的内应力, 导致微裂纹,裂纹断面呈银白色 椭圆状。 (发裂) 氢脆类型及脆化机制 类型 脆化机制 氢化物致氢和金属原子形成脆性氢化物。 脆 氢致延滞含一定量固溶态氢的金属,在低于材料 断裂屈服强度的应力持续作用下,经过一段 孕育期后,在金属内部尤其是三向拉应 力区形成裂纹、裂纹逐步扩展、最后突 然脆性断裂的现象。 氢脆类型及脆化机制 二、氢致延滞断裂产生机理: 当原子态氢结合成H2受阻时,原子态H 进入金属,氢在刃型位错处聚集,形成氢 气团 拉应力下,位错运动→氢气团钉扎 作用→应变硬化 位错运动受阻→位错塞积,氢原子 聚集→产生应力集中→产生裂纹→扩展→ 断裂→氢脆。 三、氢致延滞断裂的特点 (1)对应变速度敏感 变形速度愈慢,脆性发展愈明显; 静载荷能够反映氢的影响,而标准拉伸 试验速度下不呈现脆性。 ——对应变速度的敏感性是氢脆区别于其它 脆性的明显标志之一。 ——提高应变速度可降低材料对氢脆敏感度 (2)对温度敏感 只在一定温度范围内出现。 高强度钢: -100~150℃,尤室温敏感 ——氢脆区别于其它脆性的标志之二。 (3)具可逆性 有氢脆的材料通过调整温度、脱氢或冲 氢处理、应变速率的调整,可使氢脆现象消 除或重现。 ——但是已产生微裂纹的无法恢复 形变速率与温度的综合作用: 形变速率↑,则出现氢脆的温度↑,这 是由于↑温度才能使H的扩散速率跟上位错的 运动速度,从而起到“钉扎”作用。 ——氢脆对温度、应变速率敏感的原因 四、预防氢脆的措施 与预防应力腐蚀断裂的措施相似: 残余应力的控制; 表面涂层、添加抑制剂; 特殊: 钢强度等级的控制 ——强度越高,对氢脆越敏感
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