第工程材料力学性能六章[讲课适用]

1、 第一节第一节 材料腐蚀的基本概念材料腐蚀的基本概念 第二节第二节 应力腐蚀应力腐蚀 第三节第三节 氢脆氢脆 1优选课堂 一、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。 2优选课堂 1 1、根据金属腐蚀的机理不同分类、根据金

2、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 2、根据腐蚀的环境分类、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优选课堂 3 3、根据腐蚀破坏的外部特征分类、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

3、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。 4优选课堂 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 1、均匀腐蚀的程度与评定方法、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/m2h W0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 tS WW V 10 5优选课堂 在增重

4、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/m2h W2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。 tS WW V 02 6优选课堂 可按下式将腐蚀的失重指标换算成腐蚀的深 度指标： VL= V-2436510/(10000)= 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，

5、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。 7优选课堂 （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 8优选课堂 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

6、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。 9优选课堂 一、应力腐蚀现象及其产生条件一、应力腐蚀现象及其产生条件 1 1、应力腐蚀现象应力腐蚀现象 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。 10优选课堂 2 2、产生条件、产生条件 （1）应力：机件所承受的应力包括

7、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）。 11优选课堂 12优选课堂 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。 13优选课堂 滑移溶解理论 在特

8、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。 14优选课堂 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

9、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。 )( 1 ac VV R I 15优选课堂 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 K ISCC 。当K I K ISCC 时， da/dt =0 或微不足道。 16优选课堂 （2）第阶段：当KI超过KIscc 时 裂 纹 突 然 加 速 扩 展 ， da/dtKI曲线几乎与纵坐标 轴平行。da/dt 值小

10、，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。 17优选课堂 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

11、18优选课堂 测定金属材料的KIscc可用恒载荷法（图66）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1a/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 2/13 32/3 1 12. 4 BW M K I 19优选课堂 1 1、应力腐蚀断裂断口宏观特征、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。 （

12、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。 20优选课堂 （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。 21优选课堂 （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

13、。 （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。 22优选课堂 （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。 23优选课堂 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

14、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。 24优选课堂 1 1、内氢（内含）、内氢（内含） 冶炼、热加工、焊接、电镀、酸洗等时氢侵入 2 2、环境氢（外来）、环境氢（外来） 零件或构件处于含氢的环境中工作，简称“临氢”。 第三节第三节 氢脆氢脆 3、氢在金属中的存在形态 溶解氢：以间隙原子

15、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 中； 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。如与位错结 合成为Cottrell气团。 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。 25优选课堂 二二、氢脆的种类及其特征、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100100。典型如氢致

16、延迟断裂。 （2）氢环境脆化是指钢、镍基合金、钛合金等在氢 压0.01102MPa环境中，慢速应变时出现的脆化。 发生温度范围为100700，无孕育期。 26优选课堂 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 27优选课堂 （2）氢鼓泡 发生于0150。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205595。例 如碳钢在30050

17、0的高压氢气氛中工作，氢 与钢中的碳结合生成CH4而鼓泡。 宏观端口形貌呈氧化色，颗粒状。 微观断口晶界明显加宽，呈沿晶断裂。 28优选课堂 （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）流变特性退化 v当钢铁或镍基合金含有内氢或处于氢环境 中，其流变强度下降，特别表现在蠕变温度下 的蠕变速率增大。 （6）显微穿孔 在气态氢压特别高，如2000大气压以上时， 温度20100，钢中出现特别小的发纹以

18、致气体 透出。 上述各种氢损伤中，常见且研究较多是白点， 氢应力开裂，氢腐蚀和氢鼓泡。 29优选课堂 （7）氢致延滞断裂 由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延 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断后收缩率 d.高强度钢的氢致延滞断裂具有可逆性。 30优选课堂 三、钢的氢致延滞断裂机理三、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。 1）孕育期 Fe晶格中氢原子数量+迁移+偏聚 2）氢气团 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。 3）裂纹形成 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。 4）步进式扩展 在外加应力作用下，裂纹尖端是三向拉应力区，因而 氢原子易于通过位错运动向裂纹尖端聚集。氢原子一 般偏聚在裂纹尖端塑性区与弹性区的界面上，当偏聚 浓度再次达到临界值时，便使该区域脆化形成新裂纹。 新旧裂纹尖端相汇，裂纹便扩展一段距离，随后停止。 31优选课堂 1、环境因素 宗旨：控制