第-7-章-应力腐蚀.ppt

第7章应力作用下的腐蚀 7 1应力腐蚀断裂 7 2金属的氢脆和氢损伤 7 4腐蚀疲劳 7 5腐蚀磨损 7 3晶须增强铝复合材料应力腐蚀行为的研究 7 1应力腐蚀断裂 应力腐蚀 普遍而历史悠久的现象 古代波斯王国青铜少女头像上具有SCC现象黄铜弹壳开裂 黄铜冷凝管SCC现象蒸汽机车锅炉碱脆铝合金在潮湿大气中的SCC 奥氏体不锈钢的SCC 含S的油 气设备出现的SCC 航空技术中出现的钛合金的SCC 腐蚀领域研究最多的课题 应力腐蚀开裂 问题引出 工程结构失效的重要原因 一 应力腐蚀断裂产生的条件及特征 必须有应力 拉伸应力越大 则断裂所需的时间越短 断裂所需应力 一般低于材料的屈服强度腐蚀介质是特定的 只有某些金属 介质的组合 才会发生应力腐蚀断裂断裂速度介于无应力时的腐蚀速度及单纯力学因素引起的断裂速度 拉伸应力来源 残余应力 加工 冶炼 装配过程中产生的外应力及工作所承受的载荷体积效应所造成的不均匀应力 7 1应力腐蚀断裂 应力 力学因素 应力 应力在特定破裂体系中起以下作用 应力引起塑性变形 应力使腐蚀产生的裂纹向纵深扩展应力使能量集中于局部 工作应力 残余应力 热应力 结构应力 应力 力学因素 7 1应力腐蚀断裂 凡是能促使钝化膜不稳定的电势区域 都易产生应力腐蚀断裂在活化 钝化以及钝化 再活化过渡区的很窄电位区内容易发生应力腐蚀 晶界吸附 晶界偏聚晶界沉淀 过饱和固溶体脱溶沉淀时 在晶界择优不均匀长大位错与金属结构交互作用表面膜对位错运动的影响 7 1应力腐蚀断裂 腐蚀 电化学因素 金属断裂 金属学因素 孕育期 因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果使裂纹形核腐蚀裂纹扩展期 裂纹形核后 在腐蚀介质和拉应力共同作用下扩展失稳断裂 由于拉应力局部集中 裂纹急剧生长导致零件破坏 7 1应力腐蚀断裂 二 应力腐蚀过程的三个阶段 三 应力腐蚀机理 快速溶解理论 裂尖形变 位错连续到达 裂纹的前沿是阳极区表面膜破裂理论 位错沿滑移面产生滑移 形成滑移台阶 表面膜不能变形电化学阳极溶解自催化理论 腐蚀优先沿已存在的阳极溶解活化通道进行氢脆理论 氢扩散到裂纹尖端 局部区域脆化 裂尖溶液酸化 氢析出提供可能吸附理论 环境中的侵蚀性物质吸附在金属表面 削弱金属原子间的结合力 金属 应力 腐蚀 开裂 MSCC 7 1应力腐蚀断裂 四 应力腐蚀试验方法 1 恒载荷试验I型及II型 2 恒应变试验C环 3 预制裂纹试验双悬臂梁 4 慢应变速率拉伸试验 应力腐蚀开裂模型 应力腐蚀 一 黄铜的应力腐蚀 现象 弹壳破裂机理 锌在黄铜晶界上的富集 形成阳极原因 析出相使晶间结合强度降低 腐蚀加速晶间破裂 通过退火消除应力通过表面镀层 应力腐蚀 二 高强度铝合金的应力腐蚀 现象 沿晶界腐蚀机理 析出相及固溶体为阴极 纯铝为阳极原因 析出相使晶间结合强度降低 腐蚀加速晶间破裂 铝锌及铝镁硅合金中加入铬可大大提高应力腐蚀敏感性 提高了晶界电位 降低了晶界腐蚀趋势 提高再结晶温度 避免晶界软化 应力腐蚀 三 钛合金的应力腐蚀 钛合金在水溶液中的应力腐蚀钛合金有机溶液中的应力腐蚀钛合金在热盐中的应力腐蚀钛合金在气体介质中的应力腐蚀 穿晶及沿晶混合型应力腐蚀 应力腐蚀 四 不锈钢的应力腐蚀 现象 NaCl及高温水中机理 阳极溶解型在应力的协同作用下 加速金属内活化区的溶解而导致断裂的机理 应力腐蚀 五 高强钢的应力腐蚀 现象 海水及硫化物破裂机理 环境氢脆原因 氢渗入材料内部 一 氢的来源及在金属中的存在形式 7 2金属的氢脆和氢损伤 氢的来源 内氢 外氢 1 H2S等与金属接触 氢分子通过物理化学吸附在金属表面 分解产生活化氢原子 2 水溶液腐蚀时析出氢 水化质子在金属表面上分解成原子氢 3 含氢物质与金属表面发生反应放出氢2 氢的存在形式 1 化合物氢在金属中 如超过固溶度 可形成三类化合物氢分子 在晶界等内部缺陷处聚集氢化物 钢中Fe3C在高温高压的氢气中 分解成CH4 TiHx氢气团 氢与位错结合 2 固溶体氢以三种形态固溶于金属中 增加原子间斥力 导致晶格力降低 氢损伤 氢脆 指由于氢的存在或氢与材料相互作用 引起材料脆化 导致材料力学性能变坏的现象 二 氢脆和氢损伤类型 7 2金属的氢脆和氢损伤 第一类氢脆在材料加负载前内部存在某种氢脆源 在应力作用下加快裂纹的形成及扩展 造成金属永久性损伤 其敏感性随应变速率增高而增高 1 氢腐蚀 高温高压下 氢进入金属 产生化学反应钢中C与H2反应生成甲烷 造成表面严重脱C 使材料强度大大降低 甲烷不能通过扩散逸出 在晶界夹杂处形成CH4气泡 使金属失去力学性能 2 氢鼓泡 由于氢进入金属内部而产生金属内的原子氢在金属的夹杂物 气孔 微缝隙等处形成分子氢 产生很高的氢压 导致金属鼓泡 并形成内部裂纹 3 氢化物氢与Ti Zr Nb等金属亲和力较大 易形成金属的氢化物 导致材料脆断 2 第二类氢脆在材料加负载前并不存在断裂源 而是在应力作用下由于氢与应力的交互作用逐步形成断裂源而导致脆性断裂 其敏感性随应变速率增高而降低 1 不可逆氢脆含有过饱和状态氢的合金在应力作用下析出氢化物而导致断裂 应力不可逆 2 可逆氢脆处于固溶状态的氢合金 在慢速变形情况下产生的脆性断裂 对应力可逆 过程 金属中的氢在应力梯度作用下向高的三向拉应力处富集 当偏聚氢浓度达到临界值时 便会在应力场的联合作用下导致开裂 7 2金属的氢脆和氢损伤 二 氢脆和氢损伤类型 7 2金属的氢脆和氢损伤 二 氢脆和氢损伤类型 第二类氢脆 2 可逆氢脆特点 是一种滞后破坏 在上 下临界应力之间作用时 金属发生滞后破坏温度的影响 发生在 100 150 室温 30 30 氢脆最敏感材料强度的影响 材料的抗拉强度越大 氢脆越敏感应变速率的影响 形变速度越小 氢脆越敏感 当应变速率大于某一值时 氢脆可完全消失含氢量的影响 含氢量增加 下限临界应力值降低对延伸率影响较小 对断面收缩率影响较大其裂纹扩展不连续 裂纹源一般不在表面 裂纹较少有分枝现象 7 2金属的氢脆和氢损伤 氢脆和应力腐蚀在产生原因和机理上的区别 SCC扩展是由于裂尖的阳极溶解 其扩展途径既可以是合金内部已存在的活性通道 也可是裂纹前沿因塑性变形而形成的活性区 阴极反应消耗电子 释放氢 除了对阳极过程所产生的电子起作用外 对应力腐蚀裂纹的扩展并不产生直接影响 HE是由于合金在阴极区吸收了阴极反应产物氢原子 诱导氢脆而产生开裂和扩展的 阳极过程仅提供电子而对氢脆不产生影响 阳极过程的SCC可因阴极防护而停止 阴极过程的HE可因阳极保护而不在进行 7 2金属的氢脆和氢损伤 三 氢脆机理 应力腐蚀过程是否发生氢致开裂 涉及3个问题 阴极反应是否析氢 所析出的氢能否进入金属 进入多少 氢进入金属后如何引起开裂 阴极析氢包括几个步骤析出的氢易于从裂纹尖端的新鲜表面进入金属 但进入的量既取决于腐蚀量 总的析氢量 也与逸出氢气泡的过程有关通过机理解释第三个问题 三 氢脆机理 7 2金属的氢脆和氢损伤 氢压理论 氢超过固溶度后析出 在结合氢分子处产生较高的氢压弱键理论 导致原子间结合力下降吸附氢降低表面能理论 裂尖吸附氢 使表面能下降氢气团钉扎理论 四 减小析氢腐蚀敏感性的途径 含氢金属在形变过程中 有可能形成Cottrell气团 并伴随位错运动 位错对其起钉扎作用 外力作用下产生新位错 才能继续塑性变形 运动着的位错及氢气团遇到晶界 就会产生位错塞积及氢气聚集 应力足够大 位错塞积处形成裂纹 以致开裂 氢脆只在一定的温度和形变速度范围内发生 解释可逆氢脆 Relationshipbetweenfractureelongationandthetimeofhydrogencharging DependenceofrateofcrackpropagationonKI JournalofMaterialsScienceLetter 裂纹尖端存在塑性变形 裂纹尖端脆化 SEMmicrographsshowingthecracktipmicrostructureofthenormalspecimen a themicrostructureofthecracktipafterloadingand b themicrostructureofthebluntedcracktip JournalofMaterialsScienceLetter 一 产生条件 金属在交变应力 或循环应力 和腐蚀介质的联合作用下引起的破坏可在大多数水介质中产生不需金属 环境的特殊配合 更具有普遍性 二 形成机理 生成疲劳源 点蚀坑 发生腐蚀疲劳的必要条件在应力作用下 点蚀坑处优先发生滑移 形成滑移台阶滑移台阶上发生金属阳极溶解在反方向应力作用下金属表面上形成初始裂纹反复加载 裂纹不断扩展 7 3腐蚀疲劳 温度温度升高 腐蚀疲劳寿命降低 若引起孔蚀增多 降低应力集中 将改善耐腐蚀疲劳性 7 3腐蚀疲劳 三 影响腐蚀疲劳的因素 2 pH值随pH值下降 腐蚀疲劳寿命降低 3 交变应力随交变应力幅度增加 腐蚀速度增加 裂纹易于扩展 4 溶液中含氧量氧含量提高 降低了阴极极化 腐蚀疲劳寿命降低 主要影响裂纹的扩展 一 磨损腐蚀的概念 由于腐蚀介质和金属表面间的相对运动引起金属的加速破坏或腐蚀流动介质 气体 水溶液 液态金属 悬浮在液体中的固体颗粒机械磨耗或磨损 金属表面呈现带有沟槽的痕迹 1 湍流腐蚀 7 3磨损腐蚀 二 磨损腐蚀的几种形式 特征 金属表面具有沟槽 凹谷或波浪形外观 水电站的涡轮机 船舶上的推机器 以及泵 搅拌器 离心机和各种导管的弯曲部分 都发现湍流腐蚀 金属和介质之间的相对运动速度 对腐蚀行为有明显影响 一方面 静态向动态变化 将消除浓差极化 使腐蚀增强 另一方面 电解质的流动增加了溶解氧等气体的传递 促进了金属保护模的形成 增加了缓蚀剂的效率 防止淤泥或其它物体在金属表面上的聚集 从而消除缝隙腐蚀和减少孔隙率 在高速流液和腐蚀的共同作用下产生的 空蚀特点 在接近金属表面的液体中不断有蒸汽泡的形成和崩溃它是机械和化学两因素共同作用的结果易出现在船舶推进器 涡轮叶片 泵叶片的端部 7 3磨损腐蚀 1 湍流腐蚀 2 空泡腐蚀 两种金属相接触的交界面在负荷的条件下 发生微小的振动或往复运动而导致金属破坏 特征 金属