应力腐蚀氢脆PPT演示课件

第六章环境介质作用下的金属力学性能,1,延滞断裂(低应力脆断),特定外界条件下:低于材料屈服强度服役一定时间后突然脆断,2,1应力腐蚀断裂,（静疲劳）一.现象及其特征,3,拉应力（静应力）+腐蚀介质联合作用低应力脆断材料的屈服强度,4,脆断，无明显塑变特定的合金成分+特定的介质,一、特点,5,腐蚀介质（很弱）：材料腐蚀很慢（无应力时）SCC（StressCorrosionCracking）,6,*合金产生应力腐蚀，须：,应力+特定腐蚀介质,7,8,二、应力腐蚀断口特征,9,阴极,阳极,A应力腐蚀断裂机理,10,附加应力（保护膜增厚）+外加应力（）膜裂致阳极溶解+塑性钝化,膜裂,裂纹扩展,滑移膜破阳极溶解再钝化,11,B应力腐蚀裂纹,12,应力腐蚀裂纹,13,20钢的应力腐蚀断口,14,20钢断口腐蚀产物,15,典型的应力腐蚀照片,16,发生应力腐蚀奥氏体不锈钢管道内壁,17,应力腐蚀断口，则：裂纹形成+裂纹扩展,18,形成约占全部时间90%扩展仅占10%左右,A、裂纹形成决定寿命,19,B、可以是沿晶断裂，也可以是穿晶断裂。,20,C、裂纹扩展：10-9-10-6m/s，似疲劳：亚临界扩展-临界尺寸-突然断裂,21,宏观形貌,脆性断裂，时有少量塑性撕裂痕迹,22,裂纹源可有几个：垂直主应力面裂纹源引起断裂,23,裂纹源（多个）,24,源,源,25,裂纹源、亚稳扩展区-黑色或灰黑色,26,源,亚临界扩展,27,失稳扩展区断口-常有放射花样（羽毛状）或似“人”字纹,光亮色,28,典型的应力腐蚀照片,失稳扩展,失稳扩展,29,应力腐蚀抗力指标及测试方法,早期，特定介质中、于不同应力下，,30,测定试样滞后破坏时间。采用光滑试样得到,31,32,不足之处：,因数据分散，有时可能得出错误的结论,33,不能正确得出裂纹扩展速率的变化规律费时，且不能用于工程设计,34,断裂力学在应力腐蚀中的应用+,断裂力学K1应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂,35,K1,36,应力腐蚀临界应力场强度因子材料不因应力腐蚀而断裂（即材料有无限寿命）的K1KISCC,KISCC的概念,37,开裂判据,裂纹前端的应力场强度因子KI大于材料的KISCC,38,裂纹扩展速率（da/dt）描述应力腐蚀裂纹的亚临界扩展,39,应力腐蚀裂纹扩展速率,先决条件：当裂纹前端的KIKISCC时-应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt，和KI有关,40,lg(da/dt)-K1曲线,段，KIKIscc，平行纵坐标轴段，裂尖钝，主要受电化学过程控制段，da/dt随KI而。达K1c，失稳扩展断裂()时间越长，材料抗SCC性能越好,41,一种测定K1SCC的方法载荷恒定，使K1不断增大的方法，最常用：恒载荷的悬臂梁弯曲试验装置,42,裂纹,43,另一种测定K1SCC的方法位移恒定，K1不断,用紧凑拉伸试样和螺栓加载,44,影响应力腐蚀的因素,1.环境因素尤其是溶液PH值,45,2.力学因素,46,A,轧制高强度铝合金7075-T6板材,轧制方向（纵向）长横向短横向（沿厚度方向）强度差别：,47,48,，,纵向max，厚度min,49,B,不同强度40CrNiMo(4340),50,51,3.冶金因素成份组织强度,52,预防机件应力腐蚀断裂的措施,减少或消除零件中的残余应力改善介质条件,53,选用合适的合金材料采用电化学保护视具体的材料-介质而定,54,2氢脆,（一）氢脆来源和特点含氢气氛的作用而引起的断裂,55,氢脆可分成两大类：,第一类为内部氢脆:,56,在材料制造（如：熔炼）和随后加工过程吸收了过量的氢气,57,第二类为环境氢脆，,58,在应力和含氢介质联合作用引起脆性断裂，如:贮氢的压力容器中出现的高压氢脆,59,（二）氢脆断口特征,60,内部氢脆断口往往出现“白点”,氢在缺陷处以分子态析出，产生高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。,61,纵向发裂，横断面多呈圆形或椭圆形白点表面光亮呈银白色是一种内部微细裂纹,62,63,64,65,另一种“白点”,呈鱼眼型,66,以材料内部的宏观缺陷如气孔、夹渣等为核心的银白色斑点,67,68,环境氢脆的特征,69,环境氢脆,Kth,70,K1降低到某一临界值Kth材料不产生断裂，Kth门槛值,KHEC,71,发生环境氢脆两个关键因素,H扩散（+临界浓度）,72,与位错的关系氢裂纹扩展阶段-热激活过程，决定于H的扩散速率,73,环境氢脆发生在,一定的温度范围，和慢的形变速率：,74,最敏感的温度室温附近,75,形变速率高位错运动快H扩散位错运动不显示脆性,76,减少氢脆：,内部氢脆，严格执行工艺规定,77,环境氢脆，高强度材料强度越高，对氢脆越敏感,78,第七章磨损与接触疲劳,79,1前言,机器运转，相互接触零件间因相对运动（或趋势）而产生摩擦，而磨损正是由于摩擦产生的结果,80,2摩擦及磨损的概念,摩擦两个相互接触的物体或物体与介质之间在外力作用下，发生相对运动，或者具有相对运动的趋势时，在接触表面上所产生的阻碍作用称为摩擦。摩擦副：相互接触的.,81,工程中的摩擦问题,82,工程中的摩擦问题,83,工程中的摩擦问题,84,工程中的摩擦问题,85,工程中的摩擦问题,86,摩擦的微观机理,87,摩擦的微观机理,88,阻碍相对运动的阻力-摩擦力。摩擦力的方向总是沿着接触面的切线方向，跟物体相对运动方向相反，阻碍物体间的相对运动。,89,按照两接触面运动方式的不同，可以将摩擦分为：滑动摩擦：指的是一个物体在另一个物体上滑动时产生的摩擦。滚动摩擦：指的是物体在力矩作用下，沿接触表面滚动时的摩擦。,90,干摩擦固体对固体的摩擦；,干摩擦时的摩擦力,91,摩擦力与施加在摩擦面上的法向压力之比称为摩擦系数，以表示。,92,干摩擦时的摩擦力,45,静止状态：,F=FsFmax；,运动状态：,F=Fd,临界状态：,静摩擦系数,动摩擦系数,摩擦力的方向与物体运动（或运动趋势）的方向相反,93,磨损，造成表层材料的损耗，零件尺寸变化，直接影响零件使用寿命定义：p139,94,机件正常运行的磨损过程一般可分为三个阶段：跑合（磨合）阶段稳定磨损阶段剧烈磨损阶段磨损曲线P140,95,96,3磨损及磨损的类型,按环境和介质可分为：流体磨损；湿磨损；干磨损,97,按表面接触性质可分为：固体-流体磨损；固体-固体磨损；固体-磨料磨损,98,常用（磨损失效机制）分类，六类：粘着磨损；磨料磨损；腐蚀磨损;微动磨损；冲蚀磨损;表面疲劳磨损(接触疲劳),99,四磨损机制及影响因素,1粘著磨损又称擦伤，咬合磨损。由于零件表面某些接触点在高的局部压力下发生粘合，在相互滑动时，粘着点又被剪切分开，接触面上有金属磨屑被拉拽出来，这种过程反复进行很多次，便导致了表面的损伤,100,2.磨料磨损指硬的磨粒或凸出物对零件表面的摩擦过程中，使材料表面发生磨耗的现象。磨粒或凸出物-石英，砂土，矿石等非金属磨料，也包括零件本身磨损产物随润滑油进入摩擦面而形成的磨粒。,101,3.腐蚀磨损摩擦面和周围介质发生化学或电化学反应，形成的腐蚀产物并在摩擦过程中被剥离出来而造成的磨损。实际上，可以认为，它是同时发生了两个过程：腐蚀和机械磨损。,102,4.微动磨损两接触表面间小幅度的相对切向运动称为微动（Fretting）。在压紧的表面之间由于微动而发生的磨损称为微动磨损。P151,103,在一些机器的紧配合处，它们之间虽然没有明显的相对位移，但在外加循环载荷和振动的作用下，在配合面的某些局部地区将会发生微小的滑动,104,5冲蚀磨损：流体或固体颗粒以一定的速率和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损D1000m，v550m/s,其余称外来损伤,105,6.接触疲劳也称表面疲劳磨损，是指滚动轴承、齿轮等类零件，在表面接触压应力长期反复作用下所引起的一种表面疲劳现象。,106,接触疲劳是工件(如齿轮、滚动轴承，钢轨和轮箍，凿岩机活塞和钎尾的打击端部等)表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象,107,接触应力概念,两物体相互接触，表面上产生局部压力-接触应力一般出现如下两种情况：,108,(1)两接触物体在加载前为线接触(如圆柱与圆柱、圆柱与平面接触),(2)两接触物体在加载前为点接触(如滚珠轴承),109,接触疲劳类型和损伤过程,接触疲劳破坏分为三种主要类型：点蚀、浅层剥落、深层剥落,110,(1)点蚀：深度在0.1-0.2mm以下的小块剥落。裂纹一般起源于表面。剥落坑呈针状或痘状。,111,（2)浅层剥落：其剥落深度一般为0.2-0.4mm(3)深层剥落：剥落坑较深(0.4mm)、块大。一般发生在表面强化的材料中，如渗碳钢中。,112,影响接触疲劳抗力的因素,(1)材料的冶金质量夹杂大、分布不均，危害大,113,马氏体含碳量：0.5%C、隐针（晶）M未溶碳化物的影响：细小,(2)热处理和组织状态,114,硬度：HRC58-64，硬度接近，或者，滚动元件高出滚道10%，最好,115,在一定表层深度范围内存在压应力，可提高残余A含量马氏体针越粗大，则,116,磨损类型并非固定不变，在不同的外部条件和材料具有不同特性情况下，损伤机制会发生转化，由一种损伤机制变成另一种损伤机制。,117,五耐磨性评价,表示磨损量的方法，可用摩擦表面法向尺寸减少量来表示，称为线磨损量、也可用体积和重量法来表示，称为体积磨损量/重量磨损量,118,由于磨损量是摩擦行程或时间的函数，也用耐磨强度或耐磨率表示其磨损特性，前者-单位行程磨损量，单位为m/m或mg/m;后者-单位时间的磨损量,单位为m/hr或mg/hr,119,还经常用磨损量的倒数和相对耐磨性（）表材料的耐磨性。,=标准试样磨损量/被测试样磨损量,120,六磨损试验方法,p152,121,1)MMG-10型高温高速摩擦磨损试验机。2)洛氏硬度计1台。3)分析天平(感量为110000)1台4)装夹工具。,122,测定在相同磨损时间(30min)，不同压力下的m-F关系曲线。磨损试验条件压力：50N、100N、200N、400N时间：均为30min转速：200rmin介质，干摩擦,123,第八章金属高温机械性能,124,温度对应力-应变曲线的影响,-196,25,400,125,古典力学：,弹性、塑性与时间没有关系瞬时行为（instantaneously）,126,20#钢,抗拉强度为353500MPa屈服强度为275MPa延伸率为25%,127,20#钢，工作温度450,短时，b：320MPa225MPa下，持续300h断裂，穿晶115MPa下，持续10000h断裂，沿晶,128,高温新特性不断变形（应力恒定）强度与时间有关,129,只要涉及高温，就应注意：,不能简单采用室温短时的应力-应变曲线必须考虑温度和时间（也即应变速率）的影响,130,高温力学性能：,与时间（t）相关性TimeDependent,131,高压蒸汽锅炉汽（燃气）轮机柴油机化工炼油设备航空发动机长期在高温下运转,132,高温下，材料通常：,蠕变Creep应力松弛StressRelaxation,133,？蠕变Creep：,应力恒定，材料在应力的持续作用下，不断变形的现象,134,蠕变Creep：,135,长时间的恒温、恒应力，小于屈服强度，缓慢产生塑性变形蠕变。导致的断裂蠕变断裂,136,137,138,Creep造成,强度：随载荷作用时间的、产生一定变形速率(或变形量)形变（及断裂）抗力,139,Ta,W,Mo,Fe,Ni,140,塑性：应变速率载荷作用时间塑性下降而,141,Ni,Ta,Fe,Mo,W,142,高温应力松驰：高温长时间下紧固螺栓使用一段时间后松弛了：预紧力逐渐,143,？应力随时间增加不断下降的现象叫做应力松弛。,144,疲劳损伤高温疲劳强度,145,蠕变时组织变化,873K,160MPa，971h,100MPa，34141h,120MPa，12858h,146,T对材料性能影响很大T和t影响材料的断裂形式,147,比较不同温度下材料的力学行为的方法,？约比温度T/TmTm材料的熔点,148,0.5，视为高温，此时必须考虑蠕变和应力松弛但，一般工程上0.3就必须考虑蠕变,149,金属：T0.3-0.4Tm;陶瓷：T0.4-0.5Tm；高分子材料TTg,150,？等强温度TE,晶界,晶粒,TE,151,变形速率对TE的影响,TE1,TE2,晶界,晶粒,低速,高速,152,蠕变,用蠕变曲线描述,153,0,0,a,154,第阶段ab是减速蠕变阶段。开始*很大，随t，*，到b点*min第阶段bc是恒速蠕变阶段。*保持不变，稳态蠕变阶段。一般以这一阶段的变形速度表示第阶段cd是加速蠕变阶段，随着t，*，至d点蠕变断裂,155,第阶段:减速蠕变位错刚运动，障碍少，*大随后位错塞积、位错密度，晶格畸变形变强化，到b点*min位错源开动阻力+位移运动阻力，降低*,156,第阶段，晶内变形以位错滑移和攀移方式交替进行，晶界变形以滑动和迁移方式交替进行加工（应变）硬化：形变强化积蓄能量促使回复（软化）的进行,157,晶内滑移和晶界滑动使金属强化，但位错攀移和晶界迁移则使金属软化。由于强化和软化的交替作用，当达到平衡时，蠕变速度保持恒定,158,蠕变发展到第阶段，由于裂纹迅速扩展，蠕变速度加快，当裂纹达到临界尺寸便产生蠕变断裂。,159,蠕变断裂机理,蠕变断裂主要是沿晶断裂在裂纹成核和扩展过程中，晶界滑动引起的应力集中与空位的扩散起着重要作用应力和温度不同，裂纹成核有两种类型,160,1裂纹成核于三晶粒交会处，在高应力和较低温度下，在晶粒交会处由于晶界滑动造成应力集中而产生裂纹。,161,2裂纹成核分散于晶界上，在较低应力和较高温度下，蠕变裂纹常分散在晶界各处，特别易产生在垂直于拉应力方向的晶界上。,162,首先：晶界滑动在晶界的台阶（如第二相质点或滑移带的交截）处受阻而形成空洞,163,然后：由于位错运动产生的大量空位，为了减少其表面能而向垂直拉伸应力作用的晶界上迁移，当晶界上有空洞时，空洞便吸收空位而长大，形成裂纹,164,165,166,以上两种方式形成裂纹后，依靠晶界滑动、空位扩散和空洞连接进行扩展，最终导致沿晶断裂的发生蠕变断裂主要在晶界发生，因此晶界的形态、晶界上的析出物和杂质偏聚、晶粒大小和尺寸的均匀性对蠕变和蠕变断裂有很大影响,167,宏观形貌特征,断口附近有塑性变形痕迹，变形区附近多有裂纹、表面多龟裂断口短时因高温氧化覆盖氧化膜,168,断口微观形貌特征,冰糖花样的沿晶断裂形貌,169,断口形貌1,170,2,171,3,172,断口处的塑性变形,173,断口,174,为保证在高温长期载荷作用下的机件不致产生过量变形，要金属材料具有一定的蠕变极限。蠕变极限是高温长期载荷作用下材料对塑性变形抗力的指标。和常温下的屈服强度0.2相似。,一、蠕变极限,高温力学性能指标蠕变极限与持久强度,175,蠕变极限一般有两种表示方法：,A.在给定(T)下，使试样产生规定蠕变速度的应力值，以符号T表示（其为第阶段蠕变速度，%/小时