第八章材料在环境介质中的力学性能_材料的宏微观力学性能

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1、本章内容本章内容8.1 引言引言8.2 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂8.3 氢脆氢脆8.4 腐蚀疲劳腐蚀疲劳8.5 材料在环境介质作用下力学性能的研究方法材料在环境介质作用下力学性能的研究方法 工程实例：工程实例：引言引言环境介质与外环境介质与外力的共同作用力的共同作用1. 环境介质环境介质a.构件总是在一定的环境介质下服役构件总是在一定的环境介质下服役b.环境介质：固体、气体、液体环境介质：固体、气体、液体c.环境介质的作用分类环境介质的作用分类化学介质：化学介质：海水，酸，潮湿空气海水，酸，潮湿空气辐射环境辐射环境：电磁腐蚀电磁腐蚀热环境：热环境：高温高温引言引言2.环境敏感断裂环境敏感断裂应

2、力与化学环境介质协同作用引起材料力学性能下降、甚应力与化学环境介质协同作用引起材料力学性能下降、甚至出现提早断裂的现象至出现提早断裂的现象 3.研究的重要性研究的重要性近代工业对材料力学性能的要求越来越高，而环境介质却近代工业对材料力学性能的要求越来越高，而环境介质却越来越苛刻，往往潜存着环境敏感断裂的威胁越来越苛刻，往往潜存着环境敏感断裂的威胁 材料在环境介质作用下的力学性能是一个广泛涉及各个工材料在环境介质作用下的力学性能是一个广泛涉及各个工业部门的重要实际问题，日益受到工程设计人员及材料科业部门的重要实际问题，日益受到工程设计人员及材料科学工作者的重视学工作者的重视 引言引言静应力交变应

3、力摩擦力振动力零件的受力状态环境介质腐蚀疲劳磨损腐蚀微动腐蚀环境敏感断裂分类环境敏感断裂分类：本章研究内容引言引言环境介质应力腐蚀氢脆应力腐蚀断裂定义、产生条件和断裂特征应力腐蚀断裂定义、产生条件和断裂特征 应力腐蚀抗力指标应力腐蚀抗力指标应力腐蚀断裂机理应力腐蚀断裂机理 防止应力腐蚀的措施防止应力腐蚀的措施 8.2 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂1.应力腐蚀应力腐蚀(Stress Corrosion Cracking，SCC) 材料在特定腐蚀介质和静应力共同作用下发生的材料在特定腐蚀介质和静应力共同作用下发生的脆性断裂脆性断裂 应力腐蚀应力腐蚀 要点：要点：静应力很小，介质腐蚀性不一定强静应力很小

4、，介质腐蚀性不一定强应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征2.应力腐蚀产生条件应力腐蚀产生条件敏感材料：敏感材料：特定介质：特定介质：应力：应力：合金比纯金属更容易发生应力腐蚀断裂合金比纯金属更容易发生应力腐蚀断裂 对于某种材料，只有在特定的介质中，才对于某种材料，只有在特定的介质中，才能产生应力腐蚀能产生应力腐蚀 工作应力或者残余应力，应力多为拉应力，工作应力或者残余应力，应力多为拉应力，也有压应力也有压应力如纯铁在热硝酸盐中不发生腐蚀，含碳量如纯铁在热硝酸盐中不发生腐蚀，含碳量达达0.04发生腐蚀发生腐蚀应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征应力腐蚀定义、产生条件和断裂

5、特征常用金属发生应力腐蚀的敏感介质常用金属发生应力腐蚀的敏感介质合金腐蚀介质低碳钢 热硝酸盐溶液、碳酸盐溶液、过氧化氢 碳钢和低合金钢 氢氧化钠、三氯化铁溶液、氢氰酸、海水、沸腾氯化镁(w(MgCl2)=42%)溶液、高强度钢 蒸馏水、潮湿大气、氯化物溶液、硫化氢 奥氏体不锈钢 氯化物溶液、高温高压含氧高纯水、海水、F-、Br - 、NaOH-H2S水溶液、 NaCl-H2SO2水溶液 铜合金 氨蒸汽、汞盐溶液、含SO2大气、氨溶液、三氯化铁、硝酸溶液镍合金 氢氧化钠溶液、高纯水蒸气 铝合金 氯化钠水溶液、海水、水蒸气、含SO2 大气、熔融氯化钠、含Br - 、I-水溶液 镁合金 硝酸、氢氧化

6、钠、氰氟酸溶液、蒸馏水、 NaOH- H2O2溶液、 NaCl-K2CrO4溶液、海洋大气、 SO2-CO2湿空气 钛合金 含Cl- 、Br - 、I-水溶液、 N2O4 、甲醇、三氯乙烯、有机酸 3.应力腐蚀断裂特征应力腐蚀断裂特征宏观上：宏观上： 脆性断裂、脆性断裂、无颈缩、无杯锥状现象无颈缩、无杯锥状现象断口表面呈黑色或灰黑色断口表面呈黑色或灰黑色常有分叉现象，呈枯树枝状常有分叉现象，呈枯树枝状 微观上：微观上：可见到泥状花样的腐蚀产物可见到泥状花样的腐蚀产物 应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征应力腐蚀定义、产生条件和断裂特征沿晶断裂型沿晶断裂型腐蚀介质应力腐蚀抗力指标应力腐蚀抗力指标1.

7、门槛应力门槛应力SCC试样拉应力将无裂纹拉伸试样放入腐蚀介将无裂纹拉伸试样放入腐蚀介质中，加恒应力质中，加恒应力经过一定的孕育期后就会产生经过一定的孕育期后就会产生应力腐蚀开裂，直至断裂应力腐蚀开裂，直至断裂特点：特点：外加应力的下降，断裂时间增长外加应力的下降，断裂时间增长外加应力小于某一临界值时，试外加应力小于某一临界值时，试样在规定的时间内并不发生应力样在规定的时间内并不发生应力腐蚀断裂腐蚀断裂定义：定义：能产生应力腐蚀断裂的最小应力能产生应力腐蚀断裂的最小应力裂纹大多数金属材料，在特定的化学介质中大多数金属材料，在特定的化学介质中 值是一定的。可值是一定的。可作为金属材料的力学性能指标

8、。作为金属材料的力学性能指标。SCCK应力腐蚀抗力指标应力腐蚀抗力指标断裂时间是随着应力强度因子断裂时间是随着应力强度因子 的降低而增加的降低而增加1 K应力强度因子为应力强度因子为1 K1ft2K应力强度因子为应力强度因子为2ft2K1ft2ft可见：可见：2.应力腐蚀临界强度因子应力腐蚀临界强度因子SCCK应力腐蚀临界应力强度因子：当应力小于某一临界值时，应力腐蚀临界应力强度因子：当应力小于某一临界值时，在规定的时间内不发生应力腐蚀断裂，在规定的时间内不发生应力腐蚀断裂，能产生应力腐蚀能产生应力腐蚀断裂的最小应力强度因子断裂的最小应力强度因子定义为定义为SCCK曲线出现水平线段，曲线出现水

9、平线段， 与与 几乎无关。此时裂纹尖端发生几乎无关。此时裂纹尖端发生分叉现象，裂纹扩展主要受电分叉现象，裂纹扩展主要受电化学过程控制化学过程控制 dtda/IK当当 刚超过刚超过 时，裂纹快速扩时，裂纹快速扩展，展，曲线几乎与纵坐标轴平行曲线几乎与纵坐标轴平行 IKSCCK应力腐蚀抗力指标应力腐蚀抗力指标3.裂纹扩展速率裂纹扩展速率dtda/ 裂纹长度已接近临界尺寸裂纹长度已接近临界尺寸 , 随随 增大而急剧增大增大而急剧增大 ,当当 到达到达 时便失稳扩展而断裂时便失稳扩展而断裂 dtda/IKIKCK应力腐蚀抗力指标应力腐蚀抗力指标若已知第二阶段的若已知第二阶段的dtda/以及第二阶段结束

10、时的以及第二阶段结束时的IK便可估算材料的剩余寿命便可估算材料的剩余寿命dtda/lgIKdtdaaatCf/0其中其中Ca可由可由 求出求出IK1.阳极快速溶解机理阳极快速溶解机理该理论认为裂纹一旦形成，裂纹尖端的应力集中将导致裂纹尖端前沿区发生迅速屈服，晶体内位错沿着滑移面连续到达裂纹尖端前沿表面，产生大量瞬间活性溶解质点，导致裂纹尖端(阳极)快速溶解 mnFvia/裂纹尖端溶解速度与裂纹扩展速度的关系试验验证举例不锈钢在沸腾的氯化镁溶液中，无应力时，电流为10-5 A/mm2，有应力作用时为0.42A/mm2 ，相当于裂纹尖端扩展速度为0.55mm/h 应力腐蚀机理应力腐蚀机理2.闭塞电

11、池理论闭塞电池理论 c.闭塞区内进行自催化的腐蚀，在拉应力作用下使裂纹闭塞区内进行自催化的腐蚀，在拉应力作用下使裂纹扩展，直至断裂扩展，直至断裂应力腐蚀机理应力腐蚀机理a.在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺在应力和腐蚀介质的共同作用下，金属表面的缺陷处形成微蚀孔或裂纹源陷处形成微蚀孔或裂纹源b.微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容微蚀孔和裂纹源的通道非常窄小，孔隙内外溶液不容易对流和扩散，形成所谓闭塞区易对流和扩散，形成所谓闭塞区3.钝化膜理论钝化膜理论 这种理论认为，金属表面有钝化膜覆盖，并不直接与介质接触。在应力或活性离子的作用下易引起钝化膜破裂，露出活性的金属表面。介质