工程材料力学性能-腐蚀

1、第六章应力腐蚀和腐蚀疲劳环境介质作用下的失效分析 环境介质 环境指机电产品工作现场的气氛、介质和温度等外界条件。 环境失效的主要模式是腐蚀 金属零件腐蚀损伤是指金属材料与周围介质发生化学及电化学作用而遭受的变质和破坏。 环境介质作用下的失效分析 金属腐蚀失效点蚀、大气腐蚀、接触腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳、液态金属脆等。 金属腐蚀每年造成的损失巨大。 第一节 应力腐蚀断裂的分析与判断金属构件在静应力和特定的腐蚀环境共同作用下所导致的脆性断裂为应力腐蚀断裂。 应力腐蚀的条件 应力腐蚀的特点 应力腐蚀的断口特征应力腐蚀的条件 引起应力腐蚀的应力一般为拉应力。 纯金属不发生应力腐蚀破坏。

2、 金属材料只有在特定的活性介质中才发生应力腐蚀开裂，即对于一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才会导致构件的应力腐蚀断裂。 应力腐蚀的特点 应力腐蚀断裂属脆性损伤，即使是延性极佳的材料产生应力腐蚀断裂时也是脆性断裂。断口平齐，与主应力垂直，没有明显的塑性变形痕迹，断口形态呈颗粒状。 应力腐蚀是一种局部腐蚀，而且腐蚀裂纹常常被腐蚀产物所覆盖，从外表很难观察到。因此，应力腐蚀断裂成为不易预防，危害性极大的断裂。应力腐蚀的特点 应力腐蚀试样持续加载时，应力腐蚀裂纹扩展大体上由三个阶段组成。 应力腐蚀的特点 焊接、冷加工产生的残余应力和组织变化很容易成为应力腐蚀的力学原因，甚至不同合

3、金的膨胀系统的差别也可能成为应力腐蚀的应力源。 应力腐蚀断裂的速度比机械快速脆断慢得多，但应力腐蚀断裂的速度比点蚀等局部腐蚀速度快得多。 金属材料在腐蚀环境中所经历的过程也很重要，如果在腐蚀性环境中呆一段时间，然后再干燥一段时间，再重新处于腐蚀性环境中时，其腐蚀速率更快。 应力腐蚀的断口特征 断口的宏观特征：断口平直，并与正应力垂直，没有剪切唇口，没有明显的塑性变形，断口表面有时比较灰暗，这通常是由于有一层腐蚀产物所覆盖。应力腐蚀断裂起源于表面，且为多源，起源处表面一般存在腐蚀坑，且存在有腐蚀产物，离源区越近，腐蚀产物越多。腐蚀断裂断口上一般没有放射状花样。 断口的微观形貌：解理或准解理、沿晶

4、断裂或混合型断口。应力腐蚀的断口特征 高强度铝合金典型特征是沿晶断裂，并在晶界面上有腐蚀产生的痕迹。 铝合金应力腐蚀断口上还可以看到另一种泥纹状花样，平坦面上分布着龟裂裂纹，平坦面并不是断口金属的真实面貌，而是晶界面上覆盖了厚厚一层腐蚀产物。 应力腐蚀的断口特征 奥氏体不锈钢在氯离子介质中主要是穿晶断裂，而300系列不锈钢在海洋性大气介质中除产生沿晶断裂之外。还可见到韧窝。应力腐蚀裂纹扩展的早期断面上可以见到泥纹花样。 呈河流花样或扇形的准解理形貌是面心立方金属发生应力腐蚀断裂的又一典型特征。 应力腐蚀的微观断口上还常见二次裂纹，沿晶界面上一般存在腐蚀沟槽，棱边不大平直。 应力腐蚀裂纹扩展过程

5、中会发生裂纹分叉现象，即在应力腐蚀开裂中裂纹扩展时有一主裂纹扩展得最快，其余是扩展得较慢的支裂纹。应力腐蚀的断口特征 亚临界裂纹扩展中，裂纹分叉可分为两种，其中一种是微观分叉，这种分叉表现为裂纹前沿分为多个局部裂纹，这些分叉裂纹的尺寸都 在一个晶粒直径范围之内。另一种是宏观分叉，分叉的尺寸较大，有时可达几个毫米，甚至厘米。 这种应力腐蚀裂纹分叉现象在铝合金、镁合金、高强度钢及钛合金中都可以见到。人们用应力腐蚀这一特征来区分实际断裂构件是应力腐蚀还是腐蚀疲劳、晶间腐蚀或其他断裂方式。第二节 氢致破断失效的分析和判断由于氢渗入金属内部导致损伤，从而使金属零件在低于材料屈服极限的静应力持续作用下导致

6、的失效称为氢致破断失效，俗称氢脆。 氢脆的类型及特点 氢的来源 氢在金属中存在的形式与作用 氢脆的断口特征 金属零件氢脆断裂失效性质判别 氢脆与应力腐蚀断裂的比较氢脆的类型及特点 根据氢的来源可分为内部氢脆和环境氢脆； 根据应变速度与氢脆敏感性的关系可分为第一类氢脆和第二氢脆； 根据经过低速度变形，去除载荷，静止一段时间再进行高速变形时其塑性能否恢复，又可分为可逆性氢脆和不可逆性氢脆。 氢脆的类型及特点1、第一类氢脆1)这种氢脆裂纹都是由于金属内部氢含量过高所造成的。2)在材料承受载荷之前金属内部已经存在某些断裂源，在应力作用下加快了这些裂纹的扩展。3)属于不可逆氢脆，当裂纹已经形成，再除氢也

7、无济于事。氢蚀、氢分子气泡及氢化物氢脆均属于此类。氢脆的类型及特点2、第二类氢脆1)变形速度对氢脆影响很大，变形速度增加，金属的氢脆敏感性下降，变形速度降低，金属的氢脆敏感性增加。2)氢脆裂纹源的萌生与应力有关。裂纹源的生成是应力和氢交互作用下逐步形成，加载之前并不存在裂纹源。3)其中有些氢脆是可逆的，有些是不可逆的。 氢的来源金属材料在加工、制造过程中，以及在使用环境下很容易受到氢的浸入。氢原子具有最小的原子半径，所以易于进入金属，随后在静应力作用下，向应力高的部位扩散聚集，由原子变为分子，此时在氢聚集的部位会产生巨大的体积效应，导致氢脆。氢的来源氢进入金属的方式主要有三种：1、在冶炼、焊接

8、及热处理过程中进入的氢：由于氢在金属材料中的溶解度随着温度而变化，当温度降低或组织转变，氢的溶解度由大变小时，氢便从固溶体中析出，而由于凝固或冷却速度较快，跑不出去，就残留在金属材料基体内。2、在电镀、酸洗及放氢型腐蚀环境中产生的氢：这类氢通常在化学或电化学处理中进入。这种过程最突出的就是电镀、酸洗及腐蚀。3、在使用环境下氢的渗入：金属材料处于在高温的氢气氛中，以致氢进入金属促进氢脆。特别是当温度高于400C。氢在金属中存在的形式与作用 氢并不能以分子状态渗入金属材料中，气相的氢渗入钢中只能通过部分或全部地在钢表面上分解或电离后进入。 阴极反应过程中生成的是氢原子，而不是氢分子。由于氢原子具有

9、高度的化学活泼性，它首选吸附在金属表面上，然后有一部分氢原子脱附而生成氢分子，另一部分氢原子扩散渗入金属内部被吸收。氢在金属中存在的形式与作用 氢进入金属之后，部分氢可能解离成离子和电子，这种氢离子被电子所束缚，活动能力降低。而以原子存在的氢则并不被静电所吸引，它们在浓度梯度下扩散而占据晶体点阵中的空隙、结点、空穴等缺陷处。在高强钢中，这种呈原子态的氢是产生氢脆的主要作用者。氢在金属中存在的形式与作用 以分子态存在的氢活动能力较差，多存在于金属的缺陷处，不易从金属中逸出。 氢还可以氢化物的形式存在于金属材料的晶界处，使晶界脆化。因此，氢在金属中以离子态存在时相对比较稳定，其它存在方式都会在金属

10、中产生氢分布的局部化，位借、晶界、沉淀相及夹杂与基体的界面、气孔等缺陷处均是氢易于聚集的地方。此外，制品根部、微裂纹尖端处等应力集中的区域，氢与局部应力场交互作用，在此处形成氢的局部高浓度偏聚。 有关氢脆断裂的机制分别有氢气压力假设、位错假设、氢吸附假设和晶格脆化假设等，但至今尚没有一种完善的理论。 氢脆的断口特征 1、金属氢脆的断口宏观形貌特征 氢脆不是一种独立的断裂机制，氢的加入只是有助于某种断裂机制，如解理断裂或沿晶断裂的作用。其断裂的方式可能是沿晶的，也可能是穿晶的，或是两者的混合。 氢脆断口宏观形貌主要特征是：断口附近无宏观塑性变形，断口平齐，结构粗糙，氢脆断裂区呈结晶颗粒状，色泽为

11、亮灰色，断面干净，无腐蚀产物。非氢脆断裂区呈暗灰色纤维状，并伴有剪切唇边。 氢脆的断口特征 1、金属氢脆的断口宏观形貌特征 高强度钢氢脆断裂新鲜断口宏观形貌，往往在灰色的基体上显示出银白色的亮区；在大截面锻件的断口上可观察到白点；在小型零件或丝材断口边沿上可观察到白色亮环。放大观察时可看到细小的裂纹(即发裂)。 氢脆断裂源可在表面，也可在次表层，与拉伸应力水平、加载速率及缺口半径、氢浓度的分布等因素有关。但大多在零件表皮下三向应力最大处。只有当表面存在尖角或截面突变等应力集中时，氢脆断裂源才有可能产生于表面。氢脆的断口特征 1、金属氢脆的断口宏观形貌特征 在氢脆断裂宏观断口上，粗大棱线收敛方向

12、即氢脆裂缝萌生区。 氢脆断裂源大多在零件表皮下与氢在表面容易逸出及表面为二维应力有关，氢脆断裂对三向应力非常敏感。氢脆的断口特征 2、金属氢脆断口微观形貌 金属氢脆断口微观形貌一般显示沿晶分离，也可能是穿晶的、沿晶分离系沿晶界发生的沿晶脆性断裂，呈冰糖块状。断口的晶面平坦，没有附着物，有时可见白亮的、不规则的细亮条，这种线条 是晶界最后断裂位置的反映，并存在大量的鸡爪形的撕裂棱。 金属零件氢脆断裂失效性质判别 判断依据：1、宏观断口表面洁净，无腐蚀产物，断口平齐，有放射花样。氢脆裂区呈结晶颗粒状亮灰色；2、显微裂缝呈断续而曲折的锯齿状，裂纹一般不分叉；3、微观断口沿晶分离，晶粒轮廊鲜明，晶界面

13、上伴有变形线(发纹线或鸡爪痕)，二次裂纹较少，撕裂棱或韧窝较多；4、失效部位应力集中严重，氢脆断裂源位于表面；应力集中小，氢脆断裂源位于次表面；5、失效件存在工作应力主要是静拉应力，特别是三向静拉应力； 金属零件氢脆断裂失效性质判别 6、氢脆断鲜明的临界应力极限随着材料强度的升高而急剧下降；一般硬度低于HRC=22时不发生氢脆断裂而产生鼓泡。7、一般钢中的含氢量在(510)*10-6以上时就会产生氢致裂纹，但对高强钢，即使钢中含氢量在1*10-6以下，由于应力的作用，处在点阵间隙中的氢原子会通过扩散集中于缺口所产生的应力集中处，氢原子与位错的交互作用，使位错线被钉扎住，不能再自由活动，从而使基

14、体变脆。氢脆与应力腐蚀断裂的比较 氢脆与应力腐蚀断裂是很难分开的，尤其是高强度钢及某些高强度铝合金、钛合金，要严格区分则更加困难。两种模式在断口形貌特征上的区别有：1、应力腐蚀断裂起源于表面，而氢脆起源于亚表面；2、应力腐蚀断裂沿晶区有较多、较深的二次裂缝或蚀坑；而氢脆没有或很少；3、应力腐蚀断裂的晶粒界面常有蚀坑、腐蚀沟痕，晶粒轮廓外形亦显得圆滑；而氢脆的晶界面上常有变形线(发纹线或鸡爪痕)，晶粒轮廓鲜明； 氢脆与应力腐蚀断裂的比较 4、应力腐蚀断裂区没有宏观放射花样，也无韧窝花样，而氢脆断裂区常伴有撕裂韧窝，并有宏观放射花样；5、应力腐蚀裂源区及其附近常有腐蚀产物，多有泥纹花样；而氢脆断裂则不应有。裂纹特征大不相同，应