工程材料第六章全面腐蝕與局部腐蝕

1、16.16.1全面腐蝕全面腐蝕6.26.2點(diǎn)腐蝕點(diǎn)腐蝕6.36.3縫隙腐蝕縫隙腐蝕6.46.4電偶腐蝕電偶腐蝕6.56.5晶間腐蝕晶間腐蝕6.66.6選擇性腐蝕選擇性腐蝕6.7 6.7 應(yīng)力腐蝕開裂應(yīng)力腐蝕開裂6.8 6.8 氫損傷氫損傷 236.1.1 6.1.1 腐蝕的類型腐蝕的類型 4l各部位腐蝕速率接近各部位腐蝕速率接近l金屬的表面比較均勻地減薄，無明顯的腐蝕形態(tài)差別金屬的表面比較均勻地減薄，無明顯的腐蝕形態(tài)差別l同時(shí)允許具有一定程度的不均勻性同時(shí)允許具有一定程度的不均勻性l腐蝕的發(fā)生在金屬的某一特定部位腐蝕的發(fā)生在金屬的某一特定部位l陽極區(qū)和陰極區(qū)可以截然分開，其位置可以用肉眼陽極區(qū)

2、和陰極區(qū)可以截然分開，其位置可以用肉眼或微觀觀察加以區(qū)分或微觀觀察加以區(qū)分l同時(shí)次生腐蝕產(chǎn)物又可在陰、陽極交界的第三地點(diǎn)同時(shí)次生腐蝕產(chǎn)物又可在陰、陽極交界的第三地點(diǎn)形成形成 (1) (1) 全面腐蝕全面腐蝕(2) (2) 局部腐蝕局部腐蝕56.1.2 6.1.2 全面腐蝕全面腐蝕(1) (1) 全面腐蝕全面腐蝕 腐蝕分布于金屬的整個(gè)表面，使金屬整體減薄腐蝕分布于金屬的整個(gè)表面，使金屬整體減薄(2) (2) 全面腐蝕發(fā)生的條件全面腐蝕發(fā)生的條件 腐蝕介質(zhì)能夠均勻地抵達(dá)金屬表面的各部位，而且金腐蝕介質(zhì)能夠均勻地抵達(dá)金屬表面的各部位，而且金屬的成分和組織比較均勻?qū)俚某煞趾徒M織比較均勻(3) (3)

3、腐蝕速率的表示方法腐蝕速率的表示方法 均勻腐蝕速率失重或失厚均勻腐蝕速率失重或失厚 如通常用如通常用mm/a來表達(dá)全面腐蝕速率來表達(dá)全面腐蝕速率6l腐蝕原電池的陰、陽極面積非常小，甚至用微觀方法腐蝕原電池的陰、陽極面積非常小，甚至用微觀方法也無法辨認(rèn)，而且微陽極和微陰極的位置隨機(jī)變化也無法辨認(rèn)，而且微陽極和微陰極的位置隨機(jī)變化l整個(gè)金屬表面在溶液中處于活化狀態(tài)，只是各點(diǎn)隨時(shí)整個(gè)金屬表面在溶液中處于活化狀態(tài)，只是各點(diǎn)隨時(shí)間（或地點(diǎn)）有能量起伏，能量高時(shí)（處）呈陽極，間（或地點(diǎn)）有能量起伏，能量高時(shí)（處）呈陽極，能量低時(shí)（處）呈陰極，從而使整個(gè)金屬表面遭受腐能量低時(shí)（處）呈陰極，從而使整個(gè)金屬表面

4、遭受腐蝕蝕 (4) (4) 全面腐蝕的電化學(xué)特點(diǎn)全面腐蝕的電化學(xué)特點(diǎn)78點(diǎn)蝕點(diǎn)蝕又稱孔蝕，是一種腐蝕集中在金屬表面的很小范圍內(nèi)，又稱孔蝕，是一種腐蝕集中在金屬表面的很小范圍內(nèi)，并深入到金屬內(nèi)部的小孔狀腐蝕形態(tài)，蝕孔并深入到金屬內(nèi)部的小孔狀腐蝕形態(tài)，蝕孔直徑小、深度深直徑小、深度深，其余地方不腐蝕或腐蝕很輕微。通常發(fā)生在易鈍化金屬或，其余地方不腐蝕或腐蝕很輕微。通常發(fā)生在易鈍化金屬或合金中，同時(shí)往往合金中，同時(shí)往往在有侵蝕性陰離子與氧化劑共存條件在有侵蝕性陰離子與氧化劑共存條件下下點(diǎn)蝕表面形貌和示意圖點(diǎn)蝕表面形貌和示意圖6.2.1 6.2.1 點(diǎn)蝕的概念點(diǎn)蝕的概念9l點(diǎn)蝕導(dǎo)致金屬的失重非常小，由

5、于陽極面積很小，點(diǎn)蝕導(dǎo)致金屬的失重非常小，由于陽極面積很小，局部腐蝕速度很快，常使設(shè)備和管壁穿孔，從而導(dǎo)局部腐蝕速度很快，常使設(shè)備和管壁穿孔，從而導(dǎo)致突發(fā)事故致突發(fā)事故l對(duì)點(diǎn)蝕的檢查比較困難，因?yàn)槲g孔尺寸很小，而且對(duì)點(diǎn)蝕的檢查比較困難，因?yàn)槲g孔尺寸很小，而且經(jīng)常被腐蝕產(chǎn)物遮蓋，因而定量測(cè)量和比較點(diǎn)蝕的經(jīng)常被腐蝕產(chǎn)物遮蓋，因而定量測(cè)量和比較點(diǎn)蝕的程度也很困難程度也很困難l是破壞性和隱患性最大的腐蝕形態(tài)是破壞性和隱患性最大的腐蝕形態(tài)6.2.2 6.2.2 點(diǎn)蝕的危害點(diǎn)蝕的危害106.2.3 6.2.3 點(diǎn)蝕的形貌點(diǎn)蝕的形貌 點(diǎn)蝕的截面金相照片點(diǎn)蝕的截面金相照片點(diǎn)蝕的斷面形狀點(diǎn)蝕的斷面形狀（a）窄深

6、形（）窄深形（b）橢圓形）橢圓形（c）寬淺形（）寬淺形（d）皮下形）皮下形 （e）底切形（）底切形（f）水平形與）水平形與垂直形垂直形11點(diǎn)蝕的形貌點(diǎn)蝕的形貌 12滿足滿足材料材料、介質(zhì)介質(zhì)和和電化學(xué)電化學(xué)三個(gè)方面的條件三個(gè)方面的條件6.2.4 6.2.4 點(diǎn)蝕發(fā)生的條件點(diǎn)蝕發(fā)生的條件 l當(dāng)鈍化膜或陰極性鍍層局部發(fā)生破壞時(shí)，破壞區(qū)的當(dāng)鈍化膜或陰極性鍍層局部發(fā)生破壞時(shí)，破壞區(qū)的金屬和未破壞區(qū)形成了金屬和未破壞區(qū)形成了大陰極大陰極、小陽極小陽極的的“鈍化鈍化-活活化腐蝕電池化腐蝕電池”，使腐蝕向基體縱深發(fā)展而形成蝕孔，使腐蝕向基體縱深發(fā)展而形成蝕孔(1)(1) 點(diǎn)蝕多發(fā)生在表面容易鈍化的金屬材料上

7、點(diǎn)蝕多發(fā)生在表面容易鈍化的金屬材料上（如不銹鋼、（如不銹鋼、AlAl及及AlAl合金）或合金）或表面有陰極性鍍層的金屬上表面有陰極性鍍層的金屬上（如鍍（如鍍SnSn、CuCu或或NiNi的碳鋼表面）的碳鋼表面）13l 不銹鋼對(duì)鹵素離子特別敏感，作用的順序是：不銹鋼對(duì)鹵素離子特別敏感，作用的順序是：ClBrI。這些陰離子在金屬表面不均勻吸附易導(dǎo)致。這些陰離子在金屬表面不均勻吸附易導(dǎo)致鈍化膜的不均勻破壞，誘發(fā)點(diǎn)蝕鈍化膜的不均勻破壞，誘發(fā)點(diǎn)蝕(2) (2) 點(diǎn)蝕發(fā)生于有特殊離子的腐蝕介質(zhì)中點(diǎn)蝕發(fā)生于有特殊離子的腐蝕介質(zhì)中14(3)(3)點(diǎn)蝕發(fā)生在特定臨界電位（點(diǎn)蝕電位或破裂電位點(diǎn)蝕發(fā)生在特定臨界電位

8、（點(diǎn)蝕電位或破裂電位E Eb b) )以上以上 （a a） EEEEb b（b b） E Eb b EE EEp p（c c） EEEEp p具有活化具有活化- -鈍化轉(zhuǎn)變行為鈍化轉(zhuǎn)變行為的金屬典型陽極極化曲的金屬典型陽極極化曲線和點(diǎn)蝕特征電位線和點(diǎn)蝕特征電位 將形成新的蝕孔，已有蝕孔將形成新的蝕孔，已有蝕孔繼續(xù)長(zhǎng)大繼續(xù)長(zhǎng)大 不會(huì)形成新蝕孔，但原有蝕不會(huì)形成新蝕孔，但原有蝕孔將繼續(xù)發(fā)展長(zhǎng)大孔將繼續(xù)發(fā)展長(zhǎng)大 原有蝕孔再鈍化而不再發(fā)原有蝕孔再鈍化而不再發(fā)展，也不會(huì)形成新蝕孔展，也不會(huì)形成新蝕孔 具有活化具有活化- -鈍化轉(zhuǎn)變行為的陽極極化曲線三個(gè)區(qū)域：鈍化轉(zhuǎn)變行為的陽極極化曲線三個(gè)區(qū)域：點(diǎn)蝕電位點(diǎn)

9、蝕電位E Eb b在析氧電位以下由于點(diǎn)蝕而使電流密度急劇在析氧電位以下由于點(diǎn)蝕而使電流密度急劇 上升的電位上升的電位保護(hù)電位保護(hù)電位E Ep p逆向極化曲線與正向極化曲線相交點(diǎn)逆向極化曲線與正向極化曲線相交點(diǎn)( (或電流降至零或電流降至零) )所對(duì)應(yīng)的電位所對(duì)應(yīng)的電位 156.2.7 6.2.7 蝕孔的影響因素蝕孔的影響因素環(huán)境因素環(huán)境因素冶金因素冶金因素與材料接觸的腐蝕介質(zhì)的特性與材料接觸的腐蝕介質(zhì)的特性材料耐點(diǎn)蝕性能的差異材料耐點(diǎn)蝕性能的差異16(a) (a) 介質(zhì)類型介質(zhì)類型l材料通常在特定的介質(zhì)發(fā)生點(diǎn)蝕，如不銹鋼容易在含有材料通常在特定的介質(zhì)發(fā)生點(diǎn)蝕，如不銹鋼容易在含有鹵素離子鹵素離子

10、Cl、Br、I的溶液中發(fā)生點(diǎn)蝕，而銅對(duì)的溶液中發(fā)生點(diǎn)蝕，而銅對(duì)SO42則比較敏感則比較敏感。lFeCl3 、CuCl2：高價(jià)金屬離子參與陰極反應(yīng)，促進(jìn)點(diǎn)蝕高價(jià)金屬離子參與陰極反應(yīng)，促進(jìn)點(diǎn)蝕的形成和發(fā)展。的形成和發(fā)展。(1) (1) 環(huán)境因素環(huán)境因素(b) (b) 介質(zhì)濃度介質(zhì)濃度l一般認(rèn)為，只有當(dāng)鹵素離子達(dá)到一定濃度時(shí)，才發(fā)生一般認(rèn)為，只有當(dāng)鹵素離子達(dá)到一定濃度時(shí)，才發(fā)生點(diǎn)蝕。產(chǎn)生點(diǎn)蝕的最小濃度可以作為評(píng)定點(diǎn)蝕趨勢(shì)的點(diǎn)蝕。產(chǎn)生點(diǎn)蝕的最小濃度可以作為評(píng)定點(diǎn)蝕趨勢(shì)的一個(gè)參量。一個(gè)參量。 17(c) (c) 介質(zhì)溫度的影響介質(zhì)溫度的影響 在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，隨溫度的提高，不銹鋼點(diǎn)蝕在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)，隨

11、溫度的提高，不銹鋼點(diǎn)蝕電位降低。這可能是溫度升高，活性點(diǎn)增加，參與反電位降低。這可能是溫度升高，活性點(diǎn)增加，參與反應(yīng)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度加快，在蝕孔內(nèi)難以引起反應(yīng)物的應(yīng)的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度加快，在蝕孔內(nèi)難以引起反應(yīng)物的積累，以及氧的溶解度明顯下降等原因造成的積累，以及氧的溶解度明顯下降等原因造成的。 18(d)(d)溶液溶液pHpH的影響的影響當(dāng)當(dāng)pH10后，點(diǎn)蝕電位上升后，點(diǎn)蝕電位上升(e)(e)介質(zhì)流速的影響介質(zhì)流速的影響流速增大，點(diǎn)蝕傾向降低流速增大，點(diǎn)蝕傾向降低對(duì)不銹鋼有利于減少點(diǎn)蝕的流速為對(duì)不銹鋼有利于減少點(diǎn)蝕的流速為1m/s左右左右若流速過大，則將發(fā)生沖刷腐蝕若流速過大，則將發(fā)生沖刷腐蝕 19

12、l改善介質(zhì)條件改善介質(zhì)條件降低溶液中的降低溶液中的Cl含量，減少氧化劑含量，減少氧化劑（如除氧和（如除氧和Fe3、Cu2），降低溫度，提高），降低溫度，提高pH，使用，使用緩蝕劑均可減少點(diǎn)蝕的發(fā)生緩蝕劑均可減少點(diǎn)蝕的發(fā)生l選用耐點(diǎn)蝕的合金材料選用耐點(diǎn)蝕的合金材料近年來發(fā)展了很多含有高含近年來發(fā)展了很多含有高含量量Cr、Mo，及含，及含N、低、低C（290）、HCl（10，35）、H2SO4（6-7）、濕Cl2（288，346，427）、N2O4（含O2，不含NO，24-74）鈦和鈦合金含NH4+的溶液、氨蒸汽、汞鹽溶液、SO2大氣、水蒸汽銅和銅合金熔融NaCl、濕空氣、海水、含鹵素離子的水溶液

13、、有機(jī)溶劑鋁合金氯化物水溶液、高溫高壓含氧高純水、連多硫酸、堿溶液奧氏體不銹鋼各種水介質(zhì)、含痕量水的有機(jī)溶劑、HCN溶液高強(qiáng)鋼NaOH溶液、硝酸鹽溶液、含H2S和HCl溶液、COCO2H2O、碳酸鹽、磷酸鹽低碳鋼介 質(zhì)材 料一些金屬和合金產(chǎn)生一些金屬和合金產(chǎn)生SCC的特定介質(zhì)的特定介質(zhì)716.7.3 SCC6.7.3 SCC的特征的特征l典型的典型的滯后滯后破壞破壞l裂紋分為裂紋分為晶間型晶間型、穿晶型穿晶型和和混合型混合型l裂紋擴(kuò)展速度裂紋擴(kuò)展速度比均勻腐蝕快約比均勻腐蝕快約10106 6倍倍lSCCSCC開裂是一種開裂是一種低應(yīng)力低應(yīng)力的的脆性斷裂脆性斷裂726.7.4 6.7.4 防止防

14、止SCCSCC的措施的措施l改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小應(yīng)力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積存存l在部件的加工、制造和裝配過程中盡量避免產(chǎn)生較在部件的加工、制造和裝配過程中盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力大的殘余應(yīng)力l可通過熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應(yīng)力可通過熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應(yīng)力（）選材（）選材l根據(jù)材料的具體使用環(huán)境，盡量避免使用對(duì)根據(jù)材料的具體使用環(huán)境，盡量避免使用對(duì)SCCSCC敏感敏感的材料的材料（）消除應(yīng)（）消除應(yīng)力力73l使用有機(jī)涂層可將材料表面與環(huán)境分開使用有機(jī)涂層可將材料表面與環(huán)境分開l使用對(duì)環(huán)境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層，都可減使用對(duì)環(huán)境

15、不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層，都可減少材料少材料SCCSCC敏感性敏感性（）涂（）涂層層l控制或降低有害的成分控制或降低有害的成分l在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑l通過改變電位、促進(jìn)成膜、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等，通過改變電位、促進(jìn)成膜、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等，影響電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而起到緩蝕作用，改變環(huán)境的敏影響電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)而起到緩蝕作用，改變環(huán)境的敏感性質(zhì)感性質(zhì)（）改善介質(zhì)環(huán)境（）改善介質(zhì)環(huán)境74l應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在活化應(yīng)力腐蝕開裂發(fā)生在活化鈍化和鈍化過鈍化兩個(gè)敏鈍化和鈍化過鈍化兩個(gè)敏感電位區(qū)間感電位區(qū)間l可以通過控制電位進(jìn)行陰極可以通過控制電位進(jìn)行陰極保護(hù)或陽極保護(hù)防

16、止保護(hù)或陽極保護(hù)防止SCCSCC的的發(fā)生發(fā)生（）電化學(xué)保護(hù)（）電化學(xué)保護(hù)7576l氫脆氫脆金屬材料的韌性降低金屬材料的韌性降低l氫損傷氫損傷韌性降低和開裂，還包括材料其他物理性能韌性降低和開裂，還包括材料其他物理性能或化學(xué)性能的下降或化學(xué)性能的下降 氫致開裂或斷裂氫致開裂或斷裂6.8.1 6.8.1 氫損傷氫損傷 金屬材料在高溫氫氣作用下發(fā)生機(jī)械性能金屬材料在高溫氫氣作用下發(fā)生機(jī)械性能劣化的現(xiàn)象叫做氫損傷。劣化的現(xiàn)象叫做氫損傷。 氫損傷氫損傷氫損傷氫損傷氫壓引起的微裂紋（鋼中的白點(diǎn)、焊接冷裂紋）氫壓引起的微裂紋（鋼中的白點(diǎn)、焊接冷裂紋）高溫高壓氫腐蝕高溫高壓氫腐蝕氫化物相或氫致馬氏體相變氫化物

17、相或氫致馬氏體相變氫致塑性損失氫致塑性損失77.8.2 .8.2 氫致開裂的原因氫致開裂的原因l金屬在溶液中，由于腐蝕、不恰當(dāng)?shù)乃嵯础㈥帢O保護(hù)等金屬在溶液中，由于腐蝕、不恰當(dāng)?shù)乃嵯础㈥帢O保護(hù)等使表面有氫產(chǎn)生，氫原子很容易復(fù)合為氫分子從表面逸使表面有氫產(chǎn)生，氫原子很容易復(fù)合為氫分子從表面逸出出l如果基體內(nèi)部存在空位、缺陷，使氫原子在缺陷內(nèi)形成如果基體內(nèi)部存在空位、缺陷，使氫原子在缺陷內(nèi)形成氫分子，氫分子進(jìn)一步聚集而產(chǎn)生很大的壓力，從而形氫分子，氫分子進(jìn)一步聚集而產(chǎn)生很大的壓力，從而形成氫鼓泡，降低了金屬原子之間的結(jié)合強(qiáng)度，使材料變成氫鼓泡，降低了金屬原子之間的結(jié)合強(qiáng)度，使材料變脆脆l(xiāng)如果氫脆的金

18、屬又受到超過臨界值的拉應(yīng)力，金屬就會(huì)如果氫脆的金屬又受到超過臨界值的拉應(yīng)力，金屬就會(huì)開裂破壞，即氫裂開裂破壞，即氫裂786.8.3 6.8.3 氫損傷的特征氫損傷的特征氫損傷導(dǎo)致金屬材料韌性和塑性下降，使材料開裂和脆斷。氫損傷導(dǎo)致金屬材料韌性和塑性下降，使材料開裂和脆斷。根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機(jī)理和形態(tài)根據(jù)氫引起金屬破壞的條件、機(jī)理和形態(tài)氫鼓泡氫鼓泡氫脆氫脆脫碳脫碳?xì)涓g氫腐蝕氫進(jìn)入金屬內(nèi)部氫進(jìn)入金屬內(nèi)部-金屬局部變形金屬局部變形-破壞金屬結(jié)構(gòu)破壞金屬結(jié)構(gòu)氫進(jìn)入金屬內(nèi)部氫進(jìn)入金屬內(nèi)部-金屬韌性和抗拉強(qiáng)度下降金屬韌性和抗拉強(qiáng)度下降氫與滲碳體作用氫與滲碳體作用-脫碳脫碳-鋼的強(qiáng)度下降鋼的強(qiáng)度下

19、降合金組分與氫反應(yīng)合金組分與氫反應(yīng)79l氫的來源氫的來源內(nèi)氫和外氫；內(nèi)氫和外氫；l氫的存在形式氫的存在形式HH原子、離子、分子、氫化物、氣團(tuán)等原子、離子、分子、氫化物、氣團(tuán)等l氫的分布?xì)涞姆植紤?yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端處應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端處氫損傷由氫與材料交互作用引起氫損傷由氫與材料交互作用引起806.8.4 6.8.4 金屬中氫的行為金屬中氫的行為氫的來源氫的來源氫的傳輸氫的傳輸氫的去處氫的去處造成結(jié)果造成結(jié)果氫損傷的過程涉及氫損傷的過程涉及81(1) (1) 氫的來源氫的來源l冶煉過程：爐中水分分解成氫進(jìn)入液態(tài)金屬冶煉過程：爐中水分分解成氫進(jìn)入液態(tài)金屬l加工過程：熱處理、酸洗、電鍍、焊

20、接加工過程：熱處理、酸洗、電鍍、焊接（a a）內(nèi)氫）內(nèi)氫材料在使用前內(nèi)部就已經(jīng)存在的氫材料在使用前內(nèi)部就已經(jīng)存在的氫l材料在使用過程中與含氫介質(zhì)接觸或進(jìn)行陰極析材料在使用過程中與含氫介質(zhì)接觸或進(jìn)行陰極析氫反應(yīng)吸收的氫氫反應(yīng)吸收的氫l水溶液水溶液析氫反應(yīng)析氫反應(yīng) l濕空氣濕空氣很多金屬間化合物中的吸水活潑元素很多金屬間化合物中的吸水活潑元素與水反應(yīng)生成與水反應(yīng)生成H H（b b）外氫（環(huán)境氫）外氫（環(huán)境氫） 金屬表面產(chǎn)生活性氫原子進(jìn)入金金屬表面產(chǎn)生活性氫原子進(jìn)入金屬中屬中82(2)(2)氫的存在形式氫的存在形式 氫在金屬中的分布是不均勻的，主要富集在應(yīng)力集中的氫在金屬中的分布是不均勻的，主要富集

21、在應(yīng)力集中的位錯(cuò)、裂紋尖端等缺陷處，并向拉伸應(yīng)力集中處擴(kuò)散和富集位錯(cuò)、裂紋尖端等缺陷處，并向拉伸應(yīng)力集中處擴(kuò)散和富集l H、H、H氫可以氫可以H、H、H的形式固溶在金屬中的形式固溶在金屬中l(wèi) 氫分子氫分子H2當(dāng)金屬中的氫含量超過溶解度時(shí)，氫原子往當(dāng)金屬中的氫含量超過溶解度時(shí)，氫原子往往在金屬的缺陷（孔洞、裂紋、晶間等）聚集形成氫分子往在金屬的缺陷（孔洞、裂紋、晶間等）聚集形成氫分子l 氫化物氫化物氫在氫在V、Ti、Zr等等IVB或或VB族金屬中的溶解度族金屬中的溶解度較大；但超過溶解度后會(huì)形成較大；但超過溶解度后會(huì)形成TiHx，Ni也可以形成氫化也可以形成氫化物物l CH4氣體氣體l 氣團(tuán)氣團(tuán)

22、氫與位錯(cuò)結(jié)合形成氣團(tuán)氫與位錯(cuò)結(jié)合形成氣團(tuán)83（）氫在金屬中的溶解度（）氫在金屬中的溶解度RTHpCSHHexp22HHpkCRTHkCSHexp當(dāng)當(dāng)T 恒定時(shí)，恒定時(shí)，當(dāng)當(dāng) p 恒定時(shí)，恒定時(shí)， 對(duì)對(duì)Fe而言，氫的溶解是吸熱過程，隨溫度升高，氫的溶而言，氫的溶解是吸熱過程，隨溫度升高，氫的溶解度增大解度增大 氫在金屬中的溶解度取決于溫度和壓力，在氣體氫和溶解氫在金屬中的溶解度取決于溫度和壓力，在氣體氫和溶解在金屬中的氫達(dá)到平衡時(shí)：在金屬中的氫達(dá)到平衡時(shí)： 21()H2H氣（金屬中）84（）氫陷阱（）氫陷阱固溶在金屬中的氫原子占據(jù)晶體點(diǎn)陣的最大間隙位置，如固溶在金屬中的氫原子占據(jù)晶體點(diǎn)陣的最大間

23、隙位置，如bcc金屬的四面體間隙和金屬的四面體間隙和fcc金屬的八面體間隙。金屬的八面體間隙。實(shí)測(cè)氫濃度實(shí)測(cè)氫濃度點(diǎn)陣中的溶解度點(diǎn)陣中的溶解度 少量氫處于晶格間隙外，絕大部分氫處于各種缺陷位置，如少量氫處于晶格間隙外，絕大部分氫處于各種缺陷位置，如晶界、位錯(cuò)、空位、孔隙等晶界、位錯(cuò)、空位、孔隙等氫陷阱氫陷阱處于晶格間隙位置的氫原子（濃度為處于晶格間隙位置的氫原子（濃度為CL）可以被陷阱捕獲，）可以被陷阱捕獲，而陷阱中的氫原子（濃度為而陷阱中的氫原子（濃度為CT）也可能跑出陷阱進(jìn)入晶格間）也可能跑出陷阱進(jìn)入晶格間隙位置。隙位置。 在平衡時(shí)：在平衡時(shí)：)()(K陷阱中的氫溶解的氫TLHH85RTE

24、BCCKbLTexp平衡常數(shù)：平衡常數(shù)： Eb陷阱結(jié)合能陷阱結(jié)合能 氫在陷阱中的富集氫在陷阱中的富集-過飽和的氫原子在孔隙中結(jié)合成分子過飽和的氫原子在孔隙中結(jié)合成分子氫，氫， 產(chǎn)生非常大的壓力。如：若鋼中氫濃度為產(chǎn)生非常大的壓力。如：若鋼中氫濃度為410-6，相應(yīng)氫壓高達(dá)相應(yīng)氫壓高達(dá)104MPa以上以上l Eb較?。ㄝ^小（0.6eV），則平衡常數(shù)），則平衡常數(shù)K就小。在室溫下氫也能就小。在室溫下氫也能從陷阱中跑出來，這種陷阱為從陷阱中跑出來，這種陷阱為可逆陷阱可逆陷阱。處于可逆陷阱中。處于可逆陷阱中的氫在室溫就能參與氫的擴(kuò)散及氫致開裂過程的氫在室溫就能參與氫的擴(kuò)散及氫致開裂過程l Eb較大（較

25、大（0.6eV），室溫下捕獲在陷阱中的氫難以跑出，），室溫下捕獲在陷阱中的氫難以跑出，這類陷阱為這類陷阱為不可逆陷阱不可逆陷阱?？赡嫦葳搴筒豢赡嫦葳逶谕獠織l?？赡嫦葳搴筒豢赡嫦葳逶谕獠織l件（如溫度）變化時(shí)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變件（如溫度）變化時(shí)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變86（5 5）氫的傳輸）氫的傳輸引起氫致開裂的平均引起氫致開裂的平均氫含量氫含量一般都一般都很低很低，氫致開裂需要?dú)涞?，氫致開裂需要?dú)涞木志植扛患扛患患峭ㄟ^氫在金屬中的傳輸來實(shí)現(xiàn)的。，而富集是通過氫在金屬中的傳輸來實(shí)現(xiàn)的。 氫的傳輸有氫的傳輸有擴(kuò)散擴(kuò)散和和位錯(cuò)遷移位錯(cuò)遷移兩種方式兩種方式l 擴(kuò)散擴(kuò)散正常擴(kuò)散：從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置正

26、常擴(kuò)散：從一個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置異常擴(kuò)散：沿晶界、位錯(cuò)通道擴(kuò)散及隧道效應(yīng)異常擴(kuò)散：沿晶界、位錯(cuò)通道擴(kuò)散及隧道效應(yīng)l 位錯(cuò)遷移氫位錯(cuò)遷移氫位錯(cuò)帶著氫氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)帶著氫氣團(tuán)一起運(yùn)動(dòng)876.8.5 6.8.5 氫脆的分類氫脆的分類按照氫脆敏感性與應(yīng)變速率的關(guān)系，可分為：按照氫脆敏感性與應(yīng)變速率的關(guān)系，可分為：第一類氫脆第一類氫脆第二類氫脆第二類氫脆施加載荷前，金屬內(nèi)部已存在裂施加載荷前，金屬內(nèi)部已存在裂紋源即使從金屬中除氫，損傷也紋源即使從金屬中除氫，損傷也不能消除不能消除氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而降低氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率增加而降低88(a) (a) 第一類氫脆第一類氫脆l(xiāng)材料加載前

27、內(nèi)部已存在裂紋源，加載后在應(yīng)力作用下加材料加載前內(nèi)部已存在裂紋源，加載后在應(yīng)力作用下加快了裂紋的形成與擴(kuò)展快了裂紋的形成與擴(kuò)展,使材料的塑性或強(qiáng)度降低使材料的塑性或強(qiáng)度降低l氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率的增加而增加。即使從金屬中氫脆的敏感性隨應(yīng)變速率的增加而增加。即使從金屬中除氫，損傷也不能消除，塑性或強(qiáng)度也不能恢復(fù)，造成除氫，損傷也不能消除，塑性或強(qiáng)度也不能恢復(fù)，造成金屬的永久性損傷金屬的永久性損傷(不可逆氫脆不可逆氫脆) 89第一類氫脆第一類氫脆包括三種形式：包括三種形式：氫腐蝕氫腐蝕由于氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物由于氫在高溫高壓下與金屬中第二相（夾雜物或合金添加物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成

28、高壓氣體（如或合金添加物）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成高壓氣體（如CH4、SiH4）引起材料脫碳、內(nèi)裂紋和鼓泡的現(xiàn)象）引起材料脫碳、內(nèi)裂紋和鼓泡的現(xiàn)象氫鼓泡氫鼓泡過飽和的氫原子在缺陷位置（如夾雜）析出，過飽和的氫原子在缺陷位置（如夾雜）析出，形成氫分子，在局部造成很高的氫壓，引起表面鼓泡或內(nèi)形成氫分子，在局部造成很高的氫壓，引起表面鼓泡或內(nèi)部裂紋的現(xiàn)象部裂紋的現(xiàn)象氫化物型氫脆氫化物型氫脆氫與氫與IVB和和VB族金屬有較大的親和力，族金屬有較大的親和力，含氫量較高時(shí)容易生產(chǎn)脆性的氫化物相，并在隨后受力時(shí)含氫量較高時(shí)容易生產(chǎn)脆性的氫化物相，并在隨后受力時(shí)成為裂紋源，引起脆斷成為裂紋源，引起脆斷90(b)(b

29、)第二類氫脆第二類氫脆 可逆氫脆：可逆氫脆：l指含氫金屬在高速變形時(shí)并不顯示脆性，而在緩慢變形指含氫金屬在高速變形時(shí)并不顯示脆性，而在緩慢變形時(shí)由于氫逐漸向應(yīng)力集中處富集，在應(yīng)力與氫交互作用時(shí)由于氫逐漸向應(yīng)力集中處富集，在應(yīng)力與氫交互作用下裂紋形核、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性的斷裂。在未形成裂下裂紋形核、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致脆性的斷裂。在未形成裂紋前去除載荷，靜置一段時(shí)間后高速變形，材料的塑性紋前去除載荷，靜置一段時(shí)間后高速變形，材料的塑性可以得到恢復(fù)，即應(yīng)力去除后脆性消失?？梢缘玫交謴?fù)，即應(yīng)力去除后脆性消失。材料在材料在加載前并不存在裂紋源加載前并不存在裂紋源，加載后在應(yīng)力和氫的交互作，加載后在應(yīng)力和氫的

30、交互作用下逐漸形成裂紋源，最終導(dǎo)致脆性斷裂用下逐漸形成裂紋源，最終導(dǎo)致脆性斷裂應(yīng)力誘發(fā)氫化物型氫脆：應(yīng)力誘發(fā)氫化物型氫脆： l在應(yīng)力作用下氫向應(yīng)力集中處富集，當(dāng)氫濃度超過臨界值在應(yīng)力作用下氫向應(yīng)力集中處富集，當(dāng)氫濃度超過臨界值時(shí)沉淀出氫化物。這種應(yīng)力誘發(fā)的氫化物相變只是在較低時(shí)沉淀出氫化物。這種應(yīng)力誘發(fā)的氫化物相變只是在較低的應(yīng)變速率下出現(xiàn)，并導(dǎo)致脆性斷裂。一旦出現(xiàn)氫化物，的應(yīng)變速率下出現(xiàn)，并導(dǎo)致脆性斷裂。一旦出現(xiàn)氫化物，即使卸載除氫，靜置一段時(shí)間后再高速變形，塑性也不能即使卸載除氫，靜置一段時(shí)間后再高速變形，塑性也不能恢復(fù)，也是恢復(fù)，也是不可逆氫脆不可逆氫脆916.8.6 6.8.6 氫損傷

31、機(jī)理氫損傷機(jī)理可逆氫脆可逆氫脆氫鼓泡氫鼓泡氫腐蝕氫腐蝕氫化物型氫脆氫化物型氫脆92(1)(1)氫脆氫脆l(xiāng)氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。l金屬內(nèi)部存在氫，使金屬的韌性和抗拉強(qiáng)度下降，在靜金屬內(nèi)部存在氫，使金屬的韌性和抗拉強(qiáng)度下降，在靜載荷的作用下過早地破壞。載荷的作用下過早地破壞。l氫濃度達(dá)到氫濃度達(dá)到PPM量級(jí)，即可造成氫脆。量級(jí)，即可造成氫脆。l氫脆機(jī)理氫脆機(jī)理l氫促進(jìn)局部塑性變形理論（氫促進(jìn)局部塑性變形理論（H與位錯(cuò)交互作用機(jī)理）與位錯(cuò)交互作用機(jī)理）l吸附氫降低表面能理論吸附氫降低表面能理論l氫壓理論氫壓理論l弱鍵理論（點(diǎn)陣脆化理論）弱鍵理論（點(diǎn)陣脆化理論）93(2)(2)氫鼓泡氫鼓泡l氫吸附在金屬表