第06章金属的应力腐蚀和氢脆断裂-材料力学性能

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1、1第六章第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属的应力腐蚀和氢脆断裂 金属机件（或构件）在服役过程中经常要与周金属机件（或构件）在服役过程中经常要与周围环境中的各种介质相接触。围环境中的各种介质相接触。环境介质对金属材料环境介质对金属材料力学性能的影响，力学性能的影响，称为称为环境效应环境效应。 由于环境效应的作用，金属所承受的应力即使由于环境效应的作用，金属所承受的应力即使低于其屈服强度也会产生突然断裂的现象低于其屈服强度也会产生突然断裂的现象，即为，即为环环境断裂境断裂。知识拓展知识拓展2 在在静载荷作用下静载荷作用下的环境断裂有的环境断裂有应力腐蚀应力腐蚀和和氢脆氢脆断裂断裂等，因为它们是随

2、时间延续而造成的断裂，故等，因为它们是随时间延续而造成的断裂，故又称为又称为延滞断裂或静载疲劳延滞断裂或静载疲劳。 在在交变载荷作用下交变载荷作用下的环境断裂主要是的环境断裂主要是腐蚀疲劳腐蚀疲劳。 金属机件在加工过程中往往产生残余应力，在金属机件在加工过程中往往产生残余应力，在服役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中各服役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断裂现象，种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断裂现象，主要有应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。这些主要有应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。这些断裂形式断裂形式大多数为低应力脆断大多数为低应力脆断，具有很大的危险

3、性。，具有很大的危险性。 36-1 6-1 应力腐蚀应力腐蚀 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、应力腐蚀现象应力腐蚀现象 （1）定义）定义 金属在金属在拉应力拉应力和和特定的介质共同作用特定的介质共同作用下，经下，经过过一段时间后一段时间后，所产生的，所产生的低应力脆断低应力脆断现象。称为现象。称为应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）。）。 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂没有任何明显征兆没有任何明显征兆，会产生灾，会产生灾难性的后果。难性的后果。4 特点特点 拉应力，特定介质，时间，脆断。拉应力，特定介质，时间，脆断。

4、并不是两种破坏形式的叠加，而是按照特定并不是两种破坏形式的叠加，而是按照特定机理，机理，比叠加起来的抗力还要低的多比叠加起来的抗力还要低的多。 无论是韧性材料还是脆性材料，均没有明显无论是韧性材料还是脆性材料，均没有明显的征兆就发生低应力脆性断裂的征兆就发生低应力脆性断裂，常常造成灾难性，常常造成灾难性事故。事故。5 常见的应力腐蚀断裂形式常见的应力腐蚀断裂形式（如表所示如表所示）：）： 低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆硝脆”； 奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的

5、“氯氯脆脆”； 铜合金在氨气介质中的铜合金在氨气介质中的“氨脆氨脆”； 高强度铝合金在空气、蒸馏水介质中的脆裂高强度铝合金在空气、蒸馏水介质中的脆裂等。等。6 2 2、产生条件、产生条件 拉应力、特定化学介质和金属材料是产生应拉应力、特定化学介质和金属材料是产生应力腐蚀开裂的三个条件。力腐蚀开裂的三个条件。 拉应力拉应力：包括残余应力和工作应力包括残余应力和工作应力。焊接、。焊接、热处理、装配等过程中产生的。产生应力腐蚀开热处理、装配等过程中产生的。产生应力腐蚀开裂的应力一般并不很大。如果没有特定腐蚀介质裂的应力一般并不很大。如果没有特定腐蚀介质的协同作用，机件在该应力作用下可以长期服役的协同

6、作用，机件在该应力作用下可以长期服役而不断裂。而不断裂。7 化学介质化学介质：指：指特定化学介质特定化学介质。如果没有拉应。如果没有拉应力的共同作用，材料在这种介质中的腐蚀速度很慢。力的共同作用，材料在这种介质中的腐蚀速度很慢。也就是说，每种材料只对某种介质敏感，这种介质也就是说，每种材料只对某种介质敏感，这种介质可能对其它材料没有明显的作用。可能对其它材料没有明显的作用。见表所示见表所示 金属材料金属材料：一般只有合金才产生应力腐蚀断一般只有合金才产生应力腐蚀断裂，纯金属不会产生裂，纯金属不会产生。在每一种合金系列中，都有在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分对应力腐蚀不敏感的合

7、金成分。如：铝镁合金中当。如：铝镁合金中当含镁量超过含镁量超过4，对应力腐蚀很敏感，而镁含量小，对应力腐蚀很敏感，而镁含量小于于4时，无论热处理条件如何，它几乎都具有抗时，无论热处理条件如何，它几乎都具有抗腐蚀的能力。又如，钢中在含碳量在腐蚀的能力。又如，钢中在含碳量在0.12左右时，左右时，应力腐蚀敏感性最大。应力腐蚀敏感性最大。8 二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征二、应力腐蚀断裂机理和断口形貌特征 （一）应力腐蚀断裂机理（一）应力腐蚀断裂机理 机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所机理有多种，目前还没有一种理论能够解释所有的应力腐蚀断裂现象，应力腐蚀断裂最基本的机有的应力腐蚀断裂现象，

8、应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论）和氢脆理论。理论。 在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐蚀开裂在此仅介绍两种为多数人接受的应力腐蚀开裂理论。理论。 1、以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论 如图所示如图所示。 （该理论只能很好地解释沿晶断裂（该理论只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀）的应力腐蚀）9 2、晶界微电池溶解理论晶界微电池溶解理论 在在体护环钢的龟裂现象中发现：体护环钢的龟裂现象中发现：沉淀于晶界沉淀于晶界的碳化物的碳化物其实为类似珠光体的结构，该结构与介质其实为类似珠光体的结构，该结构与介

9、质形成微电池并迅速溶解形成微电池并迅速溶解，导致脆断。断裂过程分为，导致脆断。断裂过程分为亚稳扩展区和瞬时扩展区。亚稳扩展区和瞬时扩展区。10 ( (二二) )应力腐蚀断口特征应力腐蚀断口特征 1 1、宏观断口特征、宏观断口特征 与疲劳断口相似与疲劳断口相似； 不同之处不同之处是：是：在在裂纹源裂纹源及及亚稳扩展区亚稳扩展区可见到可见到腐蚀产物和氧化现象腐蚀产物和氧化现象，常呈现黑色或灰黑色具有，常呈现黑色或灰黑色具有脆性特征。脆性特征。瞬时断裂区瞬时断裂区（失稳扩展区、最后断裂（失稳扩展区、最后断裂区）一般为快速撕裂破坏，显示材料的特性。区）一般为快速撕裂破坏，显示材料的特性。11 2 2、

10、微观特征、微观特征 断口的微观形貌一般为断口的微观形貌一般为沿晶断裂沿晶断裂，也可能，也可能为为穿晶断裂穿晶断裂。 其表面可见到其表面可见到“泥状花样泥状花样”的的腐蚀产物腐蚀产物（见图见图6-3a）及）及腐蚀坑腐蚀坑（见图见图6-3b）。）。 应力腐蚀的应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象，呈枯树显微裂纹有分叉现象，呈枯树枝状，枝状，如图所示如图所示。表明应力腐蚀时，有一主裂纹。表明应力腐蚀时，有一主裂纹扩展较快，其它分枝扩展较慢，根据这一特征可扩展较快，其它分枝扩展较慢，根据这一特征可将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。将其与腐蚀疲劳、晶间腐蚀等断裂区分开来。12 三、应力腐蚀抗力指标三、应力

11、腐蚀抗力指标（断裂力学在应力腐断裂力学在应力腐蚀开裂中的应用蚀开裂中的应用） 通常采用光滑试样在拉应力和化学介质共同作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金属材料的用下，依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能（抗应力腐蚀性能（见图见图6-4）。）。 用常规方法测定的用常规方法测定的tf曲线，得到的曲线，得到的SCC不能不能客观地反映材料的应力腐蚀抗力。（无裂纹）客观地反映材料的应力腐蚀抗力。（无裂纹） 引入应力场强度因子的概念来研究金属材料抗引入应力场强度因子的概念来研究金属材料抗应力腐蚀性能，即应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀性能，即应力