工程材料力学性能

第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂 第一节材料腐蚀的基本概念第二节应力腐蚀第三节氢脆 第一节材料腐蚀的基本概念 一 腐蚀的基本概念腐蚀 物质的表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的现象 腐蚀是物质本身质的变化 化学变化或电化学变化 这种质的变化是外界环境 介质影响的结果 因此 也可以把由于环境介质作用于材料或物质本身 使之发生质的变化的现象称为腐蚀 材料的腐蚀具有双重性 通常腐蚀对金属构件是有害的 但有时可以利用腐蚀现象对金属材料进行电化学加工 如制备信息硬件的印刷线路板 制取奥氏体不锈钢粉末等 二 腐蚀的类型 1 根据金属腐蚀的机理不同分类化学腐蚀 金属表面与非电介质直接发生化学作用而引起的破坏 电化学腐蚀 金属表面与电介质溶液发生电化学反应而引起的破坏 2 根据腐蚀的环境分类大气腐蚀 海水腐蚀 淡水腐蚀 土壤腐蚀 化工介质腐蚀 熔融介质中的腐蚀 3 根据腐蚀破坏的外部特征分类 1 全面腐蚀 腐蚀分布在整个表面上并连成一片的腐蚀破坏 均匀腐蚀 腐蚀均匀地发生在整个表面上 各部分的腐蚀速度基本相同 不均匀腐蚀 腐蚀虽然发生在整个表面上 但各部分的腐蚀速度相差较大 2 局部腐蚀 腐蚀主要发生在金属表面的某一个区域 而表面的其它部分未被破坏 局部腐蚀比全面腐蚀有更大的危害性 而且更难以预测 常见的局部腐蚀 点蚀 又称孔蚀 电偶腐蚀 晶间腐蚀 穿晶腐蚀 缝隙腐蚀 选择性腐蚀 斑点腐蚀 丝状腐蚀 三 耐蚀性及其评定方法 金属材料在某一环境介质下承受或抵抗腐蚀的能力 称为金属材料的耐蚀性或抗蚀性 1 均匀腐蚀的程度与评定方法 1 腐蚀速度的质量指标金属因腐蚀而发生质量变化 在失重时是指腐蚀前的质量与清除腐蚀产物后的质量之间的差值 用下式表示V 失重时的腐蚀速度g m2hW0 金属初始质量W1 清除腐蚀产物后的质量S 金属的表面积t 腐蚀时间 在增重时是指腐蚀后带有腐蚀产物时的质量与腐蚀前的质量之间的差值 用下式表示 V 增重时的腐蚀速度g m2hW2 带有腐蚀产物的金属质量 2 金属腐蚀速度的深度指标把金属的厚度因腐蚀减少的量 以线量单位表示 并换算成相当于单位时间的数值 在衡量密度不同的金属腐蚀程度时 此种指标极为方便 可按下式将腐蚀的失重指标换算成腐蚀的深度指标 VL V 24 365 1000 V 8 76 VL 腐蚀的深度指标mm a 毫米 年 金属的密度g cm3 3 均匀腐蚀金属耐蚀性的评定对于均匀腐蚀的金属材料 耐蚀性等级的划分大多采用深度指标 但金属腐蚀深度一般是随时间变化的 所以从腐蚀手册查到的资料难以精确地反映出实际情况 因此选用评定标准时 应考虑实际情况和使用期限 2 局部腐蚀的程度与评定方法 1 局部腐蚀程度的表示方法金属的局部腐蚀其质量及外形尺寸一般没有明显变化 但其力学性能下降 为判断金属局部腐蚀的程度 可以进行力学性能试验测定金属腐蚀后的性能变化加以评定 腐蚀强度指标 指材料腐蚀前后的强度极限变化率 K b b b 100 腐蚀时间t后 K 腐蚀强度指标 b 腐蚀前强度 b 腐蚀后强度 腐蚀的延伸率指标 指材料腐蚀前后延伸率的变化 K 100 腐蚀时间t后 2 局部腐蚀耐蚀性评定局部腐蚀的种类和测试方法很多 评定标准也不尽相同 所以应根据局部腐蚀的类型选择表示腐蚀程度的指标 按其使用条件与要求选用评定标准 第二节应力腐蚀 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 称为应力腐蚀断裂 SCC 常见的有 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 2 产生条件 1 应力 机件所承受的应力包括工作应力和残余应力 在化学介质诱导开裂过程起作用的是拉应力 且产生应力腐蚀的应力不一定很大 2 化学介质 只有在特定的化学介质中 某种金属材料才能产生应力腐蚀 3 金属材料 一般纯金属不会产生应力腐蚀 所有合金对应力腐蚀均有不同程度的敏感性 在每一种合金系列中 都有对应力腐蚀不敏感的合金成分 如镁铝合金 常用金属材料引起应力腐蚀的敏感介质 二 应力腐蚀断裂机理 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 三 应力腐蚀力学性能指标 单位时间内应力腐蚀裂纹的扩展量称应力腐蚀裂纹扩展速率即da dt 实验证明 da dt f KI 曲线分为三个阶段 1 存在一个门槛值KISCC 当KI KISCC时 da dt 0或微不足道 2 第 阶段 当KI超过KIscc时裂纹突然加速扩展 da dt KI曲线几乎与纵坐标轴平行 da dt值小 但受K之影响较大 3 第II段出现水平线段 da dt决定于环境而受应力强度的影响较小 4 第 阶段裂纹长度接近临界尺寸 da dt依赖于KI 材料进入失稳扩展的过渡区 当KI增大到KIC时便失稳扩展断裂 应力腐蚀临界应力场强度因子 应力腐蚀门槛值 KISCC 在特定的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 或称应力腐蚀门槛值 对于大多数金属材料 在特定的化学介质中的KISCC值是一定的 因此 KISCC可作为力学性能指标 表示含有宏观裂纹的材料 在应力腐蚀条件下的断裂韧度 显然 KI初 KISCC为金属材料在应力腐蚀条件下的断裂判据 测定金属材料的KIscc可用恒载荷法 图6 6 或恒位移法 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 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lgtf为坐标作图 曲线水平部分所对应KI初的即为材料的KIscc 四 应力腐蚀断裂断口分析 1 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 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 碳钢和铬不锈钢多为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 3 应力腐蚀断口微观特征 图6 4 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 五 防止应力腐蚀的措施 1 合理选择金属材料针对机件所受应力和接触的化学介质 选用耐应力腐蚀的金属材料 选材时还应尽可能选取KIscc较高的合金 2 减少或消除机件中的残余拉应力必要时采用退火工艺以消除应力或采用喷丸等表面处理方法 3 改善化学介质一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子 另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂 4 采用电化学保护采用阴极保护法使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域 一 氢的来源及其在金属中的存在形态 1 内氢 内含 冶炼 热加工 焊接 电镀 酸洗等时氢侵入2 环境氢 外来 零件或构件处于含氢的环境中工作 简称 临氢 第三节氢脆 3 氢在金属中的存在形态溶解氢 以间隙原子状态固溶于金属中的氢 化合氢 形成各种氢化物 分子氢 气态H2存在于金属内部的气孔 裂缝等大缺陷处 氢还可以与各种合金元素溶质原子 晶体缺陷 各种化合物相发生程度不同的结合 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 二 氢脆的种类及其特征1 氢脆 1 氢应力开裂 又叫内氢脆 它主要在碳钢 低合金钢 尤其在高强钢中发生 当钢中含有0 1 10ppm氢并受到慢速应变 或承受一定水平以上的拉应力 时出现裂纹而脆化 脆断 一般有一个孕育期 发生温度范围为 100 100 典型如氢致延滞断裂 2 氢环境脆化是指钢 镍基合金 钛合金等在氢压0 01 102MPa环境中 慢速应变时出现的脆化 发生温度范围为 100 700 无孕育期 2 几种氢脆现象 1 氢化物致脆与氢有较大亲和力的 B B族金属 极易生成脆性氢化物 使金属脆化 晶粒粗大 氢化物在晶界上呈薄片状 较大应力集中 危害大晶粒细小 氢化物块状不连续分布 危害小 2 氢鼓泡发生于0 150 当钢因腐蚀或电解 电镀而氢活度很高 以致在内部产生很高的氢气压 将金属膨胀起来 成为气泡 3 氢蚀 氢 第二相 高压气体 发生的温度较氢鼓泡高 在205 595 例如碳钢在300 500 的高压氢气氛中工作 氢与钢中的碳结合生成CH4而鼓泡 在晶界处达到一定密度后 金属塑性大幅降低 宏观断口形貌呈氧化色 颗粒状 微观断口晶界明显加宽 呈沿晶断裂 4 白点 发裂 通常发生于大型钢锻件中 一般认为冶炼或热加工时溶入的过量氢在钢冷却时未能扩散逸出 便聚集在缺陷处形成氢分子 氢体积急剧膨胀 内压力很大将金属局部撕裂 形成裂纹 微裂纹断面为圆形 椭圆形 呈银白色 故称为白点 5 显微穿孔在气态氢压特别高 如2000大气压以上时 温度20 100 钢中出现特别小的发纹以致气体透出 6 氢致延滞断裂工程上的氢脆 大多是指这类氢脆 特点 a 只在一定温度范围内出现 b 提高应变速率 材料对氢脆的敏感性降低 c 显著降低断后伸长率 但含氢量超过一定数值后 断后伸长率不再变化 而随H 断面收缩率 d 高强度钢的氢致延滞断裂具有可逆性 三 影响氢损伤的因素及相应的控制措施 1 环境因素宗旨 控制内氢的来源及浓度方法 表面涂层 在含氢介质中加入抑制剂2 力学因素宗旨 排除产生残余拉应力的因素方法 表面强化处理3 材质因素含C量较低 含S P量较少的钢氢脆敏感性低 钢强度等级 氢脆敏感性 显微组织氢脆敏感性 球状珠光体 片状珠光体 回火马氏体或贝氏体 未回火马氏体 四 应力腐蚀 氢致延滞断裂区分 1 裂源位置 应力腐蚀裂源在表面 氢致延迟断裂大多在表皮下 偶尔在表面应力集中处 2 裂纹扩展 应力腐蚀裂纹扩展有许多分枝 而氢