6_金属的应力腐蚀和氢脆断裂

材料力学性能6金属的应力腐蚀和氢脆断裂实际工程结构和零件总是在外加载荷和环境介质的联合条件下工作的。环境介质：水、水蒸汽、潮湿空气、腐蚀性溶液、有机溶剂、高温液(固)态金属等。6.1应力腐蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件1、应力腐蚀现象应力腐蚀断裂(StressCorrosionCracking，SCC)：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。特点：拉应力，特定介质，时间，脆断。举例低碳钢、低合金钢—碱脆、硝脆；高强度钢钛合金不锈钢—氯脆；铜合金—氨脆；高强度铝合金—脆裂。2、产生条件应力：静应力远低于材料的屈服强度，且一般为拉应力。包括工作应力和残余应力。化学介质：一定材料对应一定的化学介质；如黄铜—氨气氛，不锈钢—氯离子的腐蚀介质，低碳钢—碱脆。金属材料：纯金属一般不会产生应力腐蚀，合金对应力腐蚀都比较敏感，不同的合金成分，敏感性不同。二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征1、应力腐蚀断裂机理最基本的是滑移—溶解理论(或称钝化模破坏理论)和氢脆理论。滑移—溶解理论：拉应力使得裂纹尖端处产生局部塑性变形，滑移台阶在表面露头时破坏表面钝化层，新鲜金属表面与钝化层表面形成腐蚀微电池，金属离子不断溶解，最后形成腐蚀坑，在拉应力的进一步作用下，腐蚀坑处的应力集中促进裂纹进一步扩展，最后形成断裂破坏。2、应力腐蚀断口特征宏观形貌：有亚稳扩展区，最后瞬断区(与疲劳裂纹相似)；断口呈黑色或灰色。微观形貌：显微裂纹呈枯树枝状；沿晶断裂和穿晶断裂；表面可见泥状花样的腐蚀产物及腐蚀坑。三、应力腐蚀抗力指标1、应力腐蚀曲线采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，测定不同应力水平作用下的断裂时间曲线，从而求出该种材料不发生应力腐蚀的临界应力。实际机件一般都不可避免地存在着裂纹或类似裂纹的缺陷。因此，用应力腐蚀破裂的临界应力指标σscc不能客观地反映裂纹机件对应力腐蚀的抗力。2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC定义：在特定介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子。含宏观裂纹的试样，恒定载荷，特定介质，测KI~tf曲线。KISCC值的测定：1)恒载荷法：使KI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。2)恒位移法：使KI不断减少，用紧凑拉伸试样和螺栓加载。应力腐蚀临界应力场强度因子KISCCKKISCC时，在应力作用下，材料或零件可以长期处于腐蚀环境中而不发生破坏。KISCCKKIC时，在腐蚀性环境和应力共同作用下，裂纹呈亚临界扩展，随裂纹不断增长，裂纹尖端K值不断增大，达到KIC断裂。KKIC时，加上初始载荷后试样立即断裂。KISCC也可以测量裂纹扩展速率da/dt。3、应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt定义：单位时间内裂纹的扩展量。da/dt=f(KI)da/dt~KI曲线上的三个阶段：初始、稳定、失稳，可以估算机件的剩余寿命。第II阶段时间越长，材料抗应力腐蚀性能越好。若通过实验测出某种材料在第II阶段的da/dt值及第二阶段结束时的KI值，就可估算出机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命。四、防止应力腐蚀的措施应力腐蚀是通过阳极溶解的过程进行的。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，即滑移—膜破—阳极溶解—再钝化。防止应力腐蚀的方法要视具体的材料—介质而定。防止应力腐蚀的措施1、合理选择金属材料：正确选材，选用KISCC较高的合金。2、减少或消除机件中的残余拉应力：主要是应力集中，注意工艺措施。3、改善化学介质。4、采用电化学保护：使金属远离电化学腐蚀区域。一般采用阴极保护法，但高强度钢或其它氢脆敏感的材料不宜采用。6.2氢脆定义：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。一、氢在金属中的存在形式内含的氢(冶炼和加工中带入的氢)；外来的氢(工作中，吸H)；以间隙原子状态固溶在金属中；以分子状态存在于孔洞、气泡裂纹等处；在金属(如V、Nb、Ti、Zr、Hf)中形成氢化物。二、氢脆类型及其特征1、氢蚀(气蚀)氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状。微观：晶界明显加宽，呈沿晶断裂。2、白点(发裂)氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。甚至有白线。3、氢化物[H]+IVB或VB族金属作用，形成氢化物(凝固、热加工时形成；或应力作用下，元素扩散而形成)。氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。裂纹沿界面扩展。4、氢导致延滞断裂定义：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。特点：1)只在一定温度范围内出现；2)提高应变速率，可降低材料氢脆的敏感性；3)显著降低材料断面收缩率，但有一极限值；而断面收缩率随含H量增加一直降低；4)高强度钢的这类断裂有可逆性。三、钢的氢致延滞断裂机理三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。1、孕育期氢原子数量↑；扩散，偏聚。氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受阻，产生应力集中，萌生裂纹。钢的氢致延滞断裂机理2、温度的影响ttH，氢扩散速率很慢，不形成氢脆；t=tH，最敏感；ttH，氢气团扩散，无氢脆。3、应力状况应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进H溶解。高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。(循环软化)四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系都是由于应力和化学介质共同作用而产生的断裂现象。产生应力腐蚀时总是伴随有氢的析出，而析出的氢又易于形成氢脆。区别：应力腐蚀为阳极溶解过程，氢脆为阴极吸氢过程。五、防止氢脆的措施氢脆是氢原子和位错交互作用的结果，可用位错理论成功的解释。1、环境因素：减少吸氢的可能性。2、力学因素：减小残余应力。3、材质因素：降低含氢量，细化组织。