第6章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂ppt课件

1 工程材料力学性能 第六章金属的应力腐蚀和氢脆断裂 2 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 3 2 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 4 二 应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征 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 5 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 6 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 7 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 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 8 2 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 9 3 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 10 三 应力腐蚀抗力指标 1 应力腐蚀曲线采用光滑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 scc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 dt 11 2 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 12 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tf为坐标作图 曲线水平部分所对应KI初的即为材料的KIscc 13 KKIC时 加上初始载荷后试样立即断裂 KISCC也可以测量裂纹扩展速率da dt 14 3 应力腐蚀裂纹扩展速率da dt 定义 单位时间内裂纹的扩展量 da dt f KI da dt KI曲线上的三个阶段 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 第II阶段时间越长 材料抗应力腐蚀性能越好 若通过实验测出某种材料在第II阶段的da dt值及第二阶段结束时的KI值 就可估算出机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命 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 15 四 防止应力腐蚀的措施 应力腐蚀是通过阳极溶解的过程进行的 应力腐蚀机理就是滑移 溶解理论 它可以简单地归结为四个过程 即滑移 膜破 阳极溶解 再钝化 防止应力腐蚀的方法要视具体的材料 介质而定 主要措施 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 16 第二节氢脆 定义 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 一 氢在金属中的存在形式内含的氢 冶炼和加工中带入的氢 外来的氢 工作中 吸H 以间隙原子状态固溶在金属中 以分子状态存在于孔洞 气泡裂纹等处 在金属 如V Nb Ti Zr Hf 中形成氢化物 17 二 氢脆类型及其特征 1 氢蚀 气蚀 氢与金属中的第二相作用生成高压气体 使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化 宏观断口形貌 呈氧化色 颗粒状 微观 晶界明显加宽 呈沿晶断裂 2 白点 发裂 H过量时 随温度降低合金中H的溶解度降低 容易形成H2 使H的体积增加形成很大的内压力撕裂金属局部形成裂纹 这些裂纹的断面呈圆形或椭圆形 为银白色 因此成为白点 白点是一种严重的缺陷 降低材料的性能 减弱或消除的方法 精炼除气 锻后缓冷或等温退火 以及加入一些微量元素 18 3 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 氢化物很硬 脆 与基体结合不牢 使金属脆化 晶粒粗大 氢化物呈薄片状 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4 氢导致延滞断裂定义 由于适量以固溶形式存在的氢 金属在低于屈服强度应力下持续作用经过一段孕育期后 在金属内部形成裂纹且扩展 最后突然发生的脆性断裂 特点 1 只在一定温度范围内出现 2 提高应变速率 可降低材料氢脆的敏感性 3 显著降低材料断后延伸率 但有一极限值 而断面收缩率随含H量增加一直降低 4 高强度钢的这类断裂有可逆性 即低应力慢速应变后 由于氢脆降低塑性 卸载停留一定时间后再进行高速加载可以恢复塑性 消除氢脆 19 三 钢的氢致延滞断裂机理 三个阶段 孕育 裂纹亚稳扩展 失稳扩展阶段 孕育期 Fe晶格中氢原子数量 迁移 偏聚1 氢气团导致裂纹氢固溶于 Fe晶格 存在刃型位错的应力场时 氢原子与位错交互作用 迁移到位错线附近的拉应力区 形成氢气团 气团随位错运动 当其遇到障碍时产生位错塞积 同时氢原子在塞积区聚集 若应力足够大 则在位错塞积端部形成较大应力集中 形成裂纹 2 裂纹尖端聚集导致裂纹拉应力促进氢的溶解并通过问错运动向原裂纹尖端区域偏聚 当偏聚的H浓度足够多时使该区域脆化而产生裂纹 裂纹的步进式扩展 当新裂纹和原裂纹尖端汇合 裂纹便扩展一段距离 随后停止 重新经过孕育 再扩展一段距离 形成步进式扩展 20 四 氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系