材料在环境介质作用下的力学行为介绍

1、材料在环境介质作用下的力学行为介绍前言 材料在应力和环境条件下的共同作用引起材料力学性能的下降、发生的过早脆性断裂现象称为材料的环境诱发断裂或环境敏感断裂。环境敏感断裂的分类：根据构件的受力状态：应力腐蚀开裂；腐蚀疲劳断裂；微动腐蚀等从破坏机理看：裂纹顶端阳极溶解引起的应力腐蚀断裂；阴极析氢引起的氢脆或氢致断裂。从材料的种类看：金属材料的环境敏感断裂；玻璃、陶瓷的环境敏感断裂；聚合物的环境敏感断裂；从环境介质：气态、液态、固态的的环境敏感断裂6.1 应力腐蚀6.1.1 应力腐蚀的特点 材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的破坏叫应力腐蚀。 应力的危险性正在于它常发生在相当缓和的介质和不大

2、的应力状态下，而且往往事先没有明显的预兆。 应力腐蚀开裂具有以下特征(1) 造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力。这个应力可以是外加应力，也可以是焊接、冷加工或热处理产生的残留拉应力。最早发现的冷加工黄铜子弹壳在含有潮湿的氨气介质中的腐蚀破坏，就是由于冷加工造成的残留拉应力的结果。假如经过去应力退火，这种事故就可以避免。(2) 应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性变形。(3)只有在特定的合金成分与特定的介质相组合时才会造成应力腐蚀。例如黄铜只有在氨溶液中才会腐蚀破坏，而黄铜在水中就能破裂。 (4) 应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9-10-6m/s，

3、有点象疲劳，是渐进缓慢的，这种亚临界的扩展状况一直达到某一临界尺寸，使剩余下的断面不能承受外载时，就突然发生断裂。 (5) 应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。 (6) 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物，而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口常常较光滑，有光泽。 (7) 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。 (8) 应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是晶间断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。 典型的应力腐蚀照片典型材料的应力腐蚀2. 不锈钢在氯化物溶液中的应力腐蚀3. 铜合金在氨水溶液中的应力腐蚀6.1.3 应

4、力腐蚀抗力指标及测试方法 早期对应力腐蚀开裂的研究，通常采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定材料的抗应力腐蚀性能。 进行试验时，采用一组相同的试样，在不同的应力水平作用下测定其断裂时间tf ,作出tf 曲线。断裂时间随外加拉伸应力的降低而增加 。2. 不能正确得出裂纹扩展速率的变化规律。因为这种传统的方法是以名义应力作为裂纹扩展驱动力的，它不能反应裂纹顶端的应力状态。只有把断裂力学引如应力腐蚀断裂的研究中后，这问题才能得到解决。3. 费时，不能用于工程设计。2、裂纹试样的评价指标通过对比可以发现：(1)KK1SCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于腐蚀环

5、境中而不发生破坏。(2)K1SCCKK1C时，加上初始载荷后立即断裂。尽管初始K值不同，裂纹扩展速率和断裂时间也不同，但材料的最终破坏都是在K=K1C时发生的。 应该指出，高强度钢和钛合金都有一定的门槛值K1SCC，但铝合金却没有明显的门槛值，其门槛值只能根据指定的试验时间而定。一般认为对于这类试验的时间至少要1000小时，使用这类K1SCC数据时必须十分小心。特别是如果所设计的工程构件在腐蚀性环境中应用的时间比产生K1SCC数据的试验时间长时，更要小心。 2、除了用K1SCC来表示材料的应力腐蚀抗力外，也可测量裂纹扩展速率da/dt。 由上可见，当应力腐蚀裂纹顶端的KIKSCC时，裂纹就会不

6、断扩展。单位时间内裂纹的扩展量称为应力腐蚀裂纹扩展速率，常用da/dt表示。 试验证明，da/dt与KI有关。在lg(da/dt)-KI的坐标图上，其关系曲线如图所示：3、SCC裂纹构件的使用寿命 根据KISCC和裂纹扩展速率da/dt，能够评估构件的安全和寿命。由于KIKISCC，时，构件是安全的，所以可以利用KISCC计算出临界裂纹的长度a0.如果aa0，则在工作应力下裂纹会因应力腐蚀而不断扩展。此时，可以根据裂纹扩展速率来预测构件的使用寿命。 试验时保持一个恒定载荷之中试样断裂，记下断裂时间tf，利用上式计算出初始应力强度因子KI。用若干个试样在不同载荷下重复上述试样，得到一系列的tf和

7、相应的KI，画出KI-tf曲线，对应无限断裂时间的KI就是KISCC。 实际测试中可以规定一个较长的截止时间（100300h）作为确定KISCC的基准。另外，利用悬臂梁弯曲试验，也可以同时测出da/dt-KI曲线。 一种是载荷恒定，使K1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。另一种测定K1SCC的方法是位移恒定，使K1不断减少,用紧凑拉伸试样和螺栓加载。 这两种方法各有其优缺点。用悬臂梁弯曲方法可得到完整的K1初始-断裂时间曲线，能够较准确的确定K1SCC，缺点是所需试样较多。恒位移法不需特殊试验机，便于现场测试，原则上用一个试样即可测定K1SCC值，缺点是裂纹扩展趋向停止的时

8、间很长。当停止试验时，扩展的裂纹前沿有时不太规整，在判定裂纹究竟是扩展了还是已停止扩展发生困难，因此在计算K1SCC时就有一定误差。6.1.4 影响应力腐蚀的因素2.环境因素 奥氏体不锈钢对卤化物元素是十分敏感的；同样，一些铜合金对含氨的环境也是很敏感的。奥氏体不锈钢固然对氯化物产生应力腐蚀很敏感，但氯或卤素离子并不是唯一的决定因素，产生SCC还必须有氧存在。对加铌的18-8不锈钢研究发现，只要其中有百万分之几的氧就能和氯化物共同造成应力腐蚀。奥氏体不锈钢在沸腾的MgCl2溶液中，只有氮浓度超过500X10-6才产生SCC，而在氮浓度小于500X10-6时，则不发生应力腐蚀。溶液的PH值对应力

9、腐蚀的敏感性也有很大的影响。 应力腐蚀断裂的机理 经过多年的试验研究和理论分析，虽然已对应力腐蚀断裂提出了许多机理，但是迄今没有一种机制能够满意地解释各种应力腐蚀断裂现象。尽管如此，从材料和环境介质相互作用的观点讲，滑移溶解机理目前被广泛接受的模型。 由应力腐蚀断裂的电化学因素可知，应力腐蚀断裂常在钝化膜不稳定的电位区中发生，这表明SCC和钝化膜的破坏有密切关系。 该机理认为：金属或合金在腐蚀介质中可能会形成一层钝化膜，如应力能使膜局部破裂，局部地区露出无膜的金属，它相对膜未破裂的部位是阳极相，会发生瞬时溶解。新鲜金属在溶液中会发生再钝化，钝化膜重新形成后溶解就停止，已经溶解的区域由于存在应力

10、集中，因而使该处的再钝化膜再一次破裂，又发生瞬时溶解，这种破裂、金属溶解、再钝化过程的循环重复，就导致应力腐蚀裂纹的形核和扩展。 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，这就是滑移-膜破-阳极溶解-再钝化。这一机理所提出的基本概念广为多数人接受。 但是，滑移-溶解机理只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀，而对穿晶型断裂如奥氏体不锈钢的氯脆，却遇到了很大困难。因为穿晶断裂型的应力腐蚀，其断裂表面不是在滑移面上，断裂具有类似解理的特征。6.2 氢 脆 6.2.1 金属中的氢 金属中氢的来源可将氢脆分为内部氢脆和环境氢脆。所谓内部氢脆就是材料在使用前内部已含有足够的氢并导致了脆性，它

11、可以是材料在冶炼、热加工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中产生。 而环境氢脆则是指材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境与介质中产生。这样的环境通常有(1)在纯氢气氛中(有少量的水分，甚至干氢)由分子氢造成氢脆；(2)由氢化物致脆；(3)由H2S致脆；(4)高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆。无论是内部氢脆还是环境氢脆，其脆化的本质都是一样的。6.2.4 氢致断裂和应力腐蚀的关系 应力腐蚀和氢致延滞断裂都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象，两者关系十分密切。如图是钢在特定化学介质中产生应力腐蚀和氢致滞后断裂的电化学原理。由图可见，氢致断裂和应力腐蚀相比，其特点表现在以下几个方

12、面： (3)断裂的主裂纹没有分枝的情况，这和应力腐蚀的裂纹是截然不同的。氢脆的断裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者从一种裂纹扩展型式转变成另一种型式，但就具体的金属-环境组合来说，氢脆有特定的裂纹形态。 (4)氢脆断口上一般没有腐蚀产物或者其量极微。 (5)大多数的氢脆断裂(氢化物的氢脆除外)，都表现出对温度和形变速率有强烈的依赖关系。氢脆只在一定的温度范围内出现，出现氢脆的温度区间决定于合金的化学成分和形变速率。形变速度愈大，氢脆的敏感性愈小，当形变速率大于某一临界值后，则氢脆完全消失。氢脆对材料的屈服强度影响较小，但对断面收缩率则影响较大。 6.2.5 氢致断裂的测试与评价6.2.6 氢致

13、断裂的保护措施6.3 腐蚀疲劳6.3.1 腐蚀疲劳特点 材料或零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下造成的失效叫做腐蚀疲劳。这里需注意的是，腐蚀疲劳和应力疲劳不同，虽然两者都是应力和腐蚀介质的联合作用，但作用的应力是不同的，应力腐蚀指的是静应力，而且主要是指拉应力，因此也叫静疲劳。而后者则强调的是交变应力。腐蚀疲劳和应力腐蚀相比，主要有以下不同点： (1)应力腐蚀是在特定的材料与介质组合下才发生的，而腐蚀疲劳却没有这个限制，它在任何介质中均会出现。 (2)对应力腐蚀来说，有一临界应力强度因子K1SCC，这是材料固有的性能，当外加应力强度因子K1K1SCC，材料不会发生应力腐蚀裂纹扩展。但对腐蚀疲

14、劳，即使KmaxK1SCC，疲劳裂纹仍旧会扩展。 (3)应力腐蚀破坏时，只有一两个主裂纹，主裂纹上有分支小裂纹，而腐蚀疲劳裂纹源有多处，裂纹没有分支。 (4)在一定的介质中，应力腐蚀裂纹尖端的溶液酸度是较高的，总是高于整体环境的平均值。而腐蚀疲劳在交变应力作用下，裂纹不断的张开与闭合，促使介质的流动，所以裂纹尖端溶液的酸度与周围环境的平均值差别不大。 另一方面，腐蚀疲劳与真空中或惰性气体甚至是在一般实验室大气介质中的疲劳行为相比较，我们常把后者称为纯机械疲劳或大气疲劳。所以与大气疲劳相比，腐蚀疲劳又具有以下特点： (1)作腐蚀疲劳的S-lgN曲线，没有象大气疲劳那样，有明显的水平台，亦即没有明

15、确的疲劳极限，一般用指定周次来作为条件疲劳极限。 (2)腐蚀疲劳极限与静强度之间没有直接的关系。 (3)在大气环境中，当加载频率小于1000Hz时，对疲劳极限基本上无影响。但腐蚀疲劳对加载频率十分敏感，频率越低，疲劳强度与寿命也越低。 (4)腐蚀疲劳条件下裂纹极易萌生，故裂纹扩展是疲劳寿命的主要组成部分。而大气环境下光滑试样的裂纹萌生构成疲劳寿命的主要部分。 6.3.2 影响腐蚀疲劳裂纹扩展的因素 1.环境因素在空气介质中，氧和水蒸汽是引起腐蚀的主要成分，因而能很大程度地降低材料的腐蚀疲劳强度。对于铜、黄铜和碳钢等韧性材料，起腐蚀作用的主要是氧。而对高强度钢、高强度铝合金等对应力腐蚀敏感的材料，水蒸气对裂纹扩展速率有很大影响。其原因是水蒸汽与金属表面反应，生成了金属氧化物和氢，而氢扩散到裂纹顶端产生了氢脆。 另外，溶液的温度、氧含量和PH值等，都会对