金属材料中的应力腐蚀研究PPT课件.ppt

金属材料的应力腐蚀开裂研究 汇报人 封帆小组成员 杨宝磊刘鑫周蒙张晓峰韩昆 1 目录 第一章断裂力学基础第二章断裂物理基础与微观机理第三章环境断裂的研究方法与测试表征第四章环境断裂的理论应用与实际案例第五章参考文献 2 第一章断裂力学基础 一 裂纹分类I型裂纹 张开型裂纹 受拉力作用 裂纹面张开 II型裂纹 滑开型裂纹 受面内剪力作用 刃型位错 III型裂纹 撕开型裂纹 受面外剪力作用 螺旋位错 3 二 应力腐蚀开裂界限应力强度因子KISCC定义 在平面应变条件下导致应力腐蚀裂纹萌生的临界应力强度因子值 当外加应力 c从而裂纹尖端应力强度因子KI KIC时 试样才会发生快速断裂 如外加应力 I C 初始应力强度因子KI KIC 试样不会立即断裂 应力强度因子越小 断裂所经历的时间越长 当KI小于某一数值时 断裂前的寿命成为无限大 不会发生应力腐蚀断裂 这个值称为应力腐蚀开裂界限应力强度因子 用KISCC表示 第一章断裂力学基础 4 三 应力腐蚀裂纹扩展速率da dt对确定的材料来讲 应力腐蚀裂纹扩展速率da dt是应力强度因子KI的函数 其关系曲线如下图所示 一般分三段 第 段 在KI刚超过KISCC 是一段孕育期 裂纹突然加速发展 第 段 水平阶段 da dt和KI关系不大 这一阶段主要是由电化学过程超控制作用 第 段 最后加速阶段 裂纹长度已接近临界尺寸 随着KI增大 da dt迅速增大 直到最后断裂 第一章断裂力学基础 5 一 应力腐蚀产生的条件条件 特定的材料 特定的环境介质以及足够大的拉应力 三者并不是简单的叠加而是有相互促进作用 第二章断裂物理基础与微观机理 6 二 特征应力 必须有应力 特别是拉应力的作用 远低于材料的屈服强度 应力腐蚀造成的破坏是脆性断裂 介质 对一定成分的合金 只有在特定介质中才发生应力腐蚀断裂 速度 应力腐蚀断裂速度约为10 8 10 6m s数量级的范围内 远大于没有应力时的腐蚀速度 又远小于单纯力学因素引起的断裂速度 第二章断裂物理基础与微观机理 7 形貌特征 取决于合金成分 强度级别 环境体系以及应力强度因子的大小 断口形貌多呈海滩条纹 羽毛状 撕裂 扇形和冰糖块状 第二章断裂物理基础与微观机理 8 三 微观机理1 阳极溶解机理 第二章断裂物理基础与微观机理 阳极溶解机理示意图 阳极溶解SCC机理就是金属表面氧化膜由于某种原因遭到破坏 露出的新鲜金属成为微电池的阳极 未遭破坏的氧化膜成为阴极 由于阳极面积小 阴极面积大 所以阳极腐蚀电流很大 阳极区会被腐蚀成沟形裂纹 加上应力的作用 裂纹扩展 同时裂纹尖端产生应力集中 使其附近产生塑性变形 加速阳极溶解 裂纹继续扩展直至断裂 9 2 氢致开裂机理氢致开裂型SCC理论认为 阳极金属溶解所对应的阴极过程是析氢反应 由于裂纹中酸度提高 电位降低 有利于氢离子还原的阴极过程 析出的氢部分被金属吸收并向内部扩散 而且氢原子能扩散进入金属材料并控制裂纹的形核和扩展 这一类应力腐蚀就称为氢致开裂型应力腐蚀 第二章断裂物理基础与微观机理 氢致开裂机理示意图 10 第三章断裂的研究方法与测试表征 一 研究方法慢应变速率拉伸法 以相当缓慢的应变速率给处于腐蚀介质中的试样施加载荷 以考察材料应力腐蚀敏感性大小 因此 应变速率是试验过程中的一个关键参数 对于大多数材料 环境体系 最为敏感的应变速率为10 6s 1 10 7s 1 恒载荷加载法 试验过程中试样加载载荷保持不变的一种评价方法 将试样的一端固定 另一端加上恒定的拉伸静载荷 然后将试样浸泡在腐蚀介质中 记录SCC发生的时间 恒载荷法特别适用于初始应力明确 试验过程中应力保持恒定的情况 11 第三章断裂的研究方法与测试表征 恒位移法 又称恒总应变法 首先通过拉伸或弯曲使试样产生变形 然后借助具有足够刚性的框架或螺栓以维持这种变形 即在整个试验过程中试样变形的总位移量是恒定的 这种加载方式往往用于模拟工程构件中的加工制造应力状态 属于应力腐蚀最常用的一种评价手段 12 第三章断裂的研究方法与测试表征 二 测试表征应力腐蚀是材料 环境介质和应力交互作用的结果 因此研究SCC的常用方法有物理方法 电化学方法 力学方法 1 物理方法 物理方法 透射电子显微镜 TEM 扫描电子显微镜 SEM 电子探针离子探针俄歇电子能谱仪 13 电化学方法 1 测定零电流电位与时间的关系 可以得到有关裂纹发生 发展的许多信息 2 用恒电位法测定不同电位下电流与时间的关系 观察裂纹发展速率 确定SCC临界电位和敏感电位区间 并辅以断口的显微观察分析 3 对裂纹尖端闭塞区的化学和电化学状态 腐蚀热力学及动力学问题进行研究 第三章断裂的研究方法与测试表征 2 电化学方法 14 第三章断裂的研究方法与测试表征 3 力学方法悬臂梁试样应力腐蚀测试原理 悬臂梁试样应力腐蚀试验分为恒载荷试验和恒位移试验 前者通过外部加载装置加载 后者采用螺栓完成自身加载 其中恒载荷试样的优点是能够准确地定量表示应力参数 恒载荷试验可以用多个恒载荷试样测出氢致滞后开裂或断裂的门槛应力强度因子 悬臂梁试样应力腐蚀测试装置主要由三个部分组成 加力装置 固定装置和腐蚀装置 加力装置由悬臂梁 加载砝码及砝码杆组成 固定装置由刚体框架组成 15 一 背景介绍某发电厂发生的一起煤气炉爆破事故 该厂一号机组的锅炉 是国内某锅炉厂D1025 18 2 3型再热自然循环煤气炉 材质 外圈第1 2根和最内圈作夹持管材料为SUS304HTB 其余管均为12Cr1MoV 结构 4屏过热器 布置在炉膛上部 横向节距2743 2mm 纵向节距61mm 管径51mm 7mm 每大屏由8小屏组成 每小屏有6根管子 绕成U形 工作环境 过热蒸汽量1025t h 出口压力17 4MPa 出口温度540 全大屏工质进口温度为406 工质出口温度462 工作压力18 6MPa 损坏情况 最内圈夹持管爆管 第四章断裂的理论应用与实际案例 16 二 宏观检测爆口均发生在小角度17 30 弯头附近 裂口均为横向 在一次爆口的6根管子中 有些管由外向内裂 有些则由内向外裂 管径未涨粗 断口较平整 裂口内壁附近存在平行的未穿透的横向裂纹 管外壁附有黑色的氧化层 管外壁局部有弯管留下的压痕 这些区域的背面有较浅的横向裂痕萌生 第四章断裂的理论应用与实际案例 爆口宏观形貌 17 三 金相分析在爆口附近制备金相试样 晶粒度3 6级 单相奥氏体 沿晶裂纹 裂纹中充满灰色的腐蚀物 第四章断裂的理论应用与实际案例 图爆口区域金相照片50 图爆口区域金相照片200 18 四 电子探针检验断口及管子外表面氧化物成分见表3 能谱分析发现管子微裂纹处存在Cl S元素 第四章断裂的理论应用与实际案例 19 五 内应力分析在小弯头区域取样用衍射仪2 法进行测量 其结果见表4 Fe 222 晶面应力常数为586 计算求得 164MPa 压应力 试验还表明试样存在明显的应力梯度 第四章断裂的理论应用与实际案例 表Fe 222 晶面2 测量值 MPa 20 六 结果分析SUS304管材化学成分及机械性能均符合有关标准 管壁未减薄 金相组织也未发现异常 一次失效事故中所有的爆口和裂纹既不存在于管子的直段也不在管子变形量不大的小弯头附近 表明该材料在同一环境下失效与小弯头附近材料的状况有某种关系 爆口附近及管子内外壁小裂纹的形貌均为沿晶裂纹 裂纹中充满灰色的腐蚀物 爆口及裂纹方向与弯头加工变形方向垂直 尽管经过爆管和试样割取释放了大部分的内应力 衍射测量中仍可发现试样中存在明显的应力和应力梯度 可以确定失效的原因是由于应力腐蚀所致 第四章断裂的理论应用与实际案例 21 1 孙擎擎 陈启元 陈康华 不同热处理7150铝合金的点蚀电位与应力腐蚀敏感性 J 中国有色金属学报 2016 26 07 1400 1407 2 杨宗发 断裂力学第五讲应力腐蚀断裂 J 建筑机械化 1982 03 45 48 44 3 黄诚 王非凡 鄢东洋 等 铝合金异质接头力学性能弱化及断裂机制 J 宇航材料工艺 2018 48 02 56 60 4 闫萌 WOL应力腐蚀试验方法及断口分析 A 中国核动力研究设计院科学技术年报 2011 C 中国核学会 2013 5 5 吕宏 郭献忠 高克玮 等 Ti在甲醇中应力腐蚀及膜致应力的研究 J 自然科学进展 2000 10 8 59 63 6 赵鹏 苏艳 高强铝合金应力腐蚀开裂研究进展 J 装备环境工程 2016 13 1 7 褚武扬 高克玮 环境断裂微观机理研究 J 科学通报 1997 23 2483 2486 8 刘万雷 常新龙 张有宏 等 铝合金应力腐蚀机理及研究方法 J 腐蚀科学与防护技术 2013 1 71 73 9 刘春江 姜涛 刘新灵 等 应力腐蚀机理和基于FEM的应力腐蚀裂纹扩展模拟技术的研究进展 J 失效分析与预防 2016 11 2 111 116 第五章参考文献 22 10 乔利杰 王燕斌 褚武扬 应力腐蚀机理 M 科学出版社 1993 11 褚武扬 谷飚 应力腐蚀机理研究的新进展 J 腐蚀科学与防护技术 1995 2 97 101 12 王博 硝酸盐复杂环境中X70钢的应力腐蚀试验研究 D 杭州 浙江工业大学 2009 13 王建军 杨秀娟 闫相祯 含裂纹注气管道的硫化氢应力腐蚀试验研究 J 理化检验 物理分册 2006 07 325 327 334 14 陈沛 查小琴 高灵清 等 气瓶表面裂纹扩展规律与寿命估算的研究 J 材料开发与应用 2017 32 05 5 12 15 潘保武 低合金高强度钢应力腐蚀研究 D 中北大学 2008 16 马如璋 徐祖雄 材料物理现代研究方法 M 北京 冶金工业出版社 1997 17 郭献忠 褚武扬 高克玮 等 不同pH值下黄铜应力腐蚀敏感性与腐蚀引起拉应力的对应性 J 金属学报 2002 9 925 931 18 卢志明 童水光 方德明 等 16MnR钢在含H2S介质中的慢拉伸应力腐蚀试验研究 J 化工机械 2001 28 3 138 140 19 Stresscorrosioncrackingatlowloads Surfaceslipandcrystallographicanalysis J CorrosionScience 2015 100 619 626 第五章参考文献 23 20 YoushiHong ZhengqiangLei ChengqiSun AiguoZhao Propensitiesofcrackinteriorinitiationandearlygrowthforvery high cyclefatigueofhighstrengthsteels J InternationalJournalofFatigue 2014 58 21 PughEN Progresstowardunderstandingthestresscorrosionproblem J Corrosion 1985 41 517 531 22 Lu Rihuan Gao etal Crushinganalysisandcrashworthinessoptimizationoftailorrolledtubeswithvariationofthicknessandmaterialproperties J InternationalJournalofMechanicalSciences 2018 136 67 84 23 ChuWY YaoJ HsiaoCM Hydrogeninducedslowcrackgrowthinausteniticstainlessssteels J MetallTransA 1984 15 729 741 24 ChuWuyang QiaoLijie GaoKewei Investigationofstresscorrosioncrackingunderanodicdissolutioncontrol J ChineseScienceBulletin 2001 46 9 717 722 25 Tsang CF Su YJ Bliznetsov etal 130nmprocesstechnologyintegrationofadvancedCu CVDlowkdielect