材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的斷裂

1、第九章 材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的斷裂腐蝕斷口特征實(shí)際金屬構(gòu)件或零件在服役過程中，經(jīng)常要與周圍環(huán)境中的各種介質(zhì)相接觸。環(huán)境介質(zhì)對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響，稱為環(huán)境效應(yīng)。由于環(huán)境效應(yīng)的作用，金屬所承受的應(yīng)力即使低于材料的屈服強(qiáng)度，也會(huì)發(fā)生突然的脆性斷裂，這種現(xiàn)象稱為環(huán)境斷裂。環(huán)境斷裂通常包括應(yīng)力腐蝕斷裂（SCC）、氫脆（HE）、腐蝕疲勞（CF）、液態(tài)金屬脆化（LME）、輻射脆化等。第一節(jié) 應(yīng)力腐蝕斷裂1. 應(yīng)力腐蝕斷裂的特征材料或零件在應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的斷裂叫應(yīng)力腐蝕斷裂。這種斷裂是應(yīng)力和腐蝕共同作用的結(jié)果，這種共同作用可以互相促進(jìn)，加速材料損傷，加快裂紋早期形成及擴(kuò)展，若單獨(dú)考慮應(yīng)力的

2、影響時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生輻射斷裂的應(yīng)力是很小的，如果不是由于環(huán)境效應(yīng)的作用，這樣小的應(yīng)力是絕對(duì)安全的。應(yīng)力腐蝕的危險(xiǎn)性正在于它常發(fā)生在相當(dāng)緩和的介質(zhì)和不大的應(yīng)力狀態(tài)下，故常常被忽視，導(dǎo)致意外事故的不斷發(fā)生。據(jù)美國(guó)ASTM統(tǒng)計(jì)，美國(guó)僅應(yīng)力腐蝕開裂造成的損失每年竟超過3000萬美元。應(yīng)力腐蝕斷裂主要有以下特點(diǎn)：(1) 應(yīng)力腐蝕斷裂是脆性斷裂，斷口平齊并與主應(yīng)力垂直。斷裂前沒有明顯的塑性變形，斷口形狀呈顆粒狀。(2) 造成應(yīng)力腐蝕斷裂的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力（近年來，也發(fā)現(xiàn)在不銹鋼在可以由壓應(yīng)力引起）。這種拉應(yīng)力可以是外加應(yīng)力，也可能是殘余應(yīng)力。焊接、冷加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和組織變

3、化很容易成為應(yīng)力腐蝕的原因。(3) 應(yīng)力腐蝕的環(huán)境是特定的，各種介質(zhì)只對(duì)特定材料敏感。例如黃銅只有在氨溶液中才會(huì)腐蝕破壞，而黃銅在水中就能破裂；面新立方的奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中，容易破裂，通常稱“氯脆”，而體心立方的鐵素體不銹鋼對(duì)此卻不敏感；低碳鋼和低合金鋼在苛性堿溶液中的“堿脆”和在含有硝酸根離子介質(zhì)中的“硝脆”；銅合金在氨氣環(huán)境下的“氨脆”等等。常用金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的某些環(huán)境見表7-1。(4) 應(yīng)力腐蝕裂紋常產(chǎn)生大量分叉（圖7-1），并在大致垂直于影響它們產(chǎn)生及擴(kuò)展的應(yīng)力方向上連續(xù)擴(kuò)展，擴(kuò)展路徑可以是穿晶的，但多數(shù)是沿晶的。如為穿晶斷裂，其斷口是解理或準(zhǔn)解理的其裂紋有似人字紋或羽毛

4、狀的標(biāo)記。(5) 應(yīng)力腐蝕的裂紋擴(kuò)展速率一般在10-910-6m/s，是漸進(jìn)緩慢的，當(dāng)這種亞臨界的裂紋擴(kuò)展達(dá)到某一臨界尺寸后，隨之發(fā)生斷裂。(6) 應(yīng)力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑通常垂直于拉力軸。(7) 應(yīng)力腐蝕是一種局部腐蝕，而且腐蝕裂紋常常被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，從外表很難觀察到。(8) 純金屬不產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，雜質(zhì)含量、合金元素含量對(duì)應(yīng)力腐蝕有重要影響。(9) 陰極保護(hù)對(duì)于阻止應(yīng)力腐蝕開裂及終止裂紋擴(kuò)展有顯著效果。表9-1 金屬材料產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的某些環(huán)境材料環(huán)境介質(zhì)碳鋼和低合金鋼氫氧化鈉溶液，硝酸鹽溶液，酸性硫化氫溶液，海水，海洋性或工業(yè)性氣氛不銹鋼酸性氧化物溶液，氯化鈉-過

5、氧化氫溶液，硫化氫，海水，氫氧化鈉-硫化氫溶液高強(qiáng)度鋼雨水，海水，硫化氫溶液，氯化鈉水溶液鎳基合金熱濃氫氧化鈉溶液，氟化氫蒸汽和溶液鋁合金氯化鈉-過氧化氫溶液，氯化鈉水溶液，水蒸氣，海水銅合金氨蒸汽和溶液，含氨離子的水溶液鎂合金氯化鈉-鉻酸鉀溶液鈦合金海水，甲醇，鹽溶液蒙乃爾氫氟酸，氟硅酸上述的應(yīng)力腐蝕斷裂特征，可以幫助我們識(shí)別斷裂事故是否屬于應(yīng)力腐蝕，但一定要綜合考慮，不能只根據(jù)某一點(diǎn)特征，便簡(jiǎn)單的下結(jié)論。2應(yīng)力腐蝕的機(jī)理應(yīng)力腐蝕斷裂過程也包括裂紋形成和發(fā)展，可分為以下三階段：（1） 孕育階段：這是裂紋產(chǎn)生前的一段時(shí)間，在此期間主要是形成蝕坑，以作為裂紋核心，當(dāng)機(jī)件表面存在可作為應(yīng)力腐蝕裂紋

6、的缺陷時(shí)（如晶界、孿晶界、夾雜等），則沒有孕育期，只有裂紋擴(kuò)展期，（2） 裂紋亞穩(wěn)擴(kuò)展階段：在應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)共同作用下，裂紋慢速擴(kuò)展。（3） 裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展階段：裂紋達(dá)到臨界尺寸后產(chǎn)生的機(jī)械性斷裂。 關(guān)于在應(yīng)力和環(huán)境介質(zhì)共同作用下裂紋的形成和擴(kuò)展問題，有多種理論，迄今較公認(rèn)的有陽(yáng)極溶解作為斷裂的控制過程的陽(yáng)極溶解機(jī)理和陰極吸氫為控制過程的氫脆機(jī)理（氫脆機(jī)理將在后面討論），這里需要注意應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）和氫致開裂（HIC）之間的關(guān)系。從邏輯上講，它們之間是“交叉”的即它們的一部分內(nèi)容是重合的。若SCC主要由腐蝕的陰極過程釋氫引起的，則這種SCC也是HIC；若SCC主要由陽(yáng)極溶解過程引起的，則這

7、種SCC不是HIC。一般情況下，可采用外加電位的陰極極化的方法來判別SCC機(jī)理，即如果加速斷裂，則屬于HIC機(jī)制；若減慢或抑制，則屬于陽(yáng)極溶解機(jī)制。使陽(yáng)極電位下降，加速陽(yáng)極金屬的溶解，裂紋將逐步向縱深發(fā)展，如圖7-2所示，上述陽(yáng)極溶解機(jī)理實(shí)際上經(jīng)歷了滑移-膜破-陽(yáng)極溶解-再鈍化四個(gè)過程。應(yīng)力腐蝕斷裂若是穿晶型的，則保護(hù)膜的破裂是由于在應(yīng)力作用下局部微區(qū)產(chǎn)生滑移臺(tái)階所造成的，若為沿晶型，則因晶間產(chǎn)生偏析或晶間有連續(xù)相析出，而在表面突出的單個(gè)晶粒形成的臺(tái)階，使表面保護(hù)膜破裂，最后導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂。例如：馬氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕裂紋主要是沿晶擴(kuò)展，但在455以下回火時(shí)，則又是穿晶的。3應(yīng)力腐蝕斷口特征

8、應(yīng)力腐蝕斷口的宏觀型貌特征與疲勞斷口頗為相似，也存在三個(gè)區(qū)：（1） 斷裂源區(qū)。一般由局部腐蝕或其它類型的裂紋引起，如點(diǎn)腐蝕、裂隙腐蝕等。這些源裂紋可以是焊接裂紋，疲勞裂紋，熱處理裂紋等。應(yīng)力腐蝕微裂紋源于表面，并呈不連續(xù)狀，裂紋具有分叉較多，較尖銳（呈樹枝狀）的特征。（2） 應(yīng)力腐蝕裂紋的亞穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)。這是應(yīng)力腐蝕裂紋緩慢擴(kuò)展的過程，這一過程是材料的組織與應(yīng)力及環(huán)境介質(zhì)相互作用的過程，從宏觀上看這個(gè)過程的特征是呈脆性的，即使是具有高塑性的Cr-Ni系奧氏體不銹鋼，由于裂紋是沿著材料的某一結(jié)晶學(xué)方向（如解理面），故常呈黑色或灰黑色，而這些腐蝕產(chǎn)物在以后的斷裂事故分析中是相當(dāng)重要的。（3） 最后瞬斷

9、區(qū)。是快速拉斷區(qū)或撕裂區(qū)，顯示出基體材料的性質(zhì)。應(yīng)力腐蝕的顯微裂紋有分叉現(xiàn)象，說明在應(yīng)力腐蝕時(shí)，有一主裂紋擴(kuò)展較快，其它分支裂紋擴(kuò)展較慢。依據(jù)這一特征可以將應(yīng)力腐蝕與應(yīng)力疲勞、晶間腐蝕以及其它形式的斷裂區(qū)分開來。應(yīng)力腐蝕斷口的微觀形貌有著非常顯著的特征：腐蝕坑、腐蝕產(chǎn)物及泥紋花樣（圖9-3，圖9-4，圖9-5）。泥紋花樣是平坦面上分布直線狀的裂紋（如河底干涸狀），這是一種腐蝕產(chǎn)物所形成的覆蓋物。在穿晶斷裂時(shí)，電鏡下看到的斷口為平坦的凹槽（深度大于寬度）、扇形花樣、臺(tái)階及河流花樣。凹槽區(qū)是由于應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果，扇形花樣和臺(tái)階是由于不同平面上的應(yīng)力腐蝕裂紋連接的結(jié)果，只是因?yàn)橛^察的方向

10、不同呈現(xiàn)出不同的斷口花紋?？傊?，應(yīng)力腐蝕的斷口特征比較復(fù)雜。它與材料的晶體結(jié)構(gòu)、機(jī)械性質(zhì)、合金成分、熱處理狀態(tài)、環(huán)境氣氛、溫度及壓力狀態(tài)有關(guān)。它既可呈現(xiàn)脆性斷口，有時(shí)也可看到延性斷口，而斷裂方式既可是晶間的、也可是穿晶的。例如：一般情況下，低碳鋼、低合金鋼、鋁合金、黃銅是沿晶斷裂，而黃銅和暴露在氯化物中的奧氏體不銹鋼，大多數(shù)情況下是穿晶的。由上述產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕機(jī)理和條件可知，防止應(yīng)力腐蝕斷裂的方法主要是合理選擇材料，即針對(duì)零件所受的應(yīng)力和使用條件選用那些應(yīng)力腐蝕敏感性低的材料，例如：黃銅對(duì)氨的應(yīng)力腐蝕開裂敏感性很高，因此，接觸氨的構(gòu)件就應(yīng)盡量避免使用銅合金；其次，減少或消除零件中的殘余拉應(yīng)力，可

11、降低SCC敏感性，即在設(shè)計(jì)上盡量減少零件上的應(yīng)力集中，工藝上加熱和冷卻要均勻，必要時(shí)采用退火工藝以消除應(yīng)力，由于抵消或部分地抵消了外加拉伸應(yīng)力的作用，對(duì)抑制SCC是有益的；此外，改善介質(zhì)條件，可以通過加緩蝕劑或保護(hù)層，以及減少和消除促進(jìn)應(yīng)力腐蝕的有害化學(xué)離子，通過改變介質(zhì)條件來避免應(yīng)力腐蝕；例如，通過水的凈化處理降低冷卻水與蒸汽水中的氯離子含量，對(duì)預(yù)防奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕斷裂是十分有效的，因此，改進(jìn)金屬構(gòu)件的設(shè)計(jì)，防止腐蝕介質(zhì)的富集，是一項(xiàng)重要的抑制SCC措施。最后，從電化學(xué)防護(hù)來說也可以用陰極保護(hù)來防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生，因?yàn)殛帢O極化可降低裂紋擴(kuò)展速度，但是必須注意，對(duì)高強(qiáng)鋼或其它氫脆敏感的材

12、料，不能采用陰極保護(hù)法。第二節(jié)氫脆1 氫的來源及氫脆的特點(diǎn)由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂（簡(jiǎn)稱氫脆）。金屬的氫脆現(xiàn)象早已為人們所關(guān)注。氫進(jìn)入金屬后，一般都使材料的性能變壞。金屬中氫的來源很多，可分為“內(nèi)含的”和“外來的”兩種，相對(duì)應(yīng)的即為內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆。內(nèi)部氫脆是指金屬在使用前內(nèi)部已含有足夠的氫而導(dǎo)致的脆斷，它是金屬在熔煉過程中及隨后的加工制造過程（如熱加工、熱處理、焊接、酸洗、電鍍等）中產(chǎn)生的。而環(huán)境氫脆則是金屬原先不含或含氫極微，但在服役時(shí)含氫的環(huán)境介質(zhì)中產(chǎn)生的。這樣的環(huán)境常為：（1） 在純氫氣氛中（有少量的水分，甚至干氫）由分子氫造成氫脆；（2）

13、 由硫化氫（H2S）氣氛致脆；（3） 由氫化物致脆；（4） 高強(qiáng)鋼在中性水或潮濕的大氣中致脆。內(nèi)部氫脆和環(huán)境氫脆的區(qū)別，在于氫的來源不同，但它們的脆化本質(zhì)是相同的。金屬中的氫可有幾種不同的存在形式。一般情況下，氫以間隙原子狀態(tài)溶于金屬中，對(duì)于大多數(shù)工業(yè)合金，氫的溶解度隨溫度降低而降低。氫在金屬中也可能通過擴(kuò)散聚集在較大的缺陷（如空洞、氣泡和裂紋等）處，以氫分子狀態(tài)存在。此外，氫還可能和一些過度族、稀土或堿土金屬元素作用，生成氫化物，或與金屬中的第二相作用生成氣體產(chǎn)物，如鋼中的氫可與滲碳體中的碳原子作用形成甲烷等。氫脆（HE）和應(yīng)力腐蝕（SCC）相比，具有如下特點(diǎn)：（1） 實(shí)驗(yàn)室中識(shí)別HE和SC

14、C的方法，一般采用極化試驗(yàn)方法（圖7-6），即當(dāng)外加小的陽(yáng)極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是SCC（圖C）；當(dāng)外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時(shí)間的是HE（圖d）。（2） 在較低強(qiáng)度的金屬中，或受力不大，存在的殘余拉應(yīng)力也較小的高強(qiáng)度金屬中，這時(shí)氫脆的斷裂源都不在表面，而是在表面以下的某一深度，此處三向拉應(yīng)力最大，氫濃集在這里造成斷裂。（3） 氫脆斷裂的主裂紋沒有分叉現(xiàn)象，這是與SCC的裂紋明顯不同的。氫脆的斷裂可以是穿晶的，也可以是沿晶的，裂紋擴(kuò)展型式可從一種轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N，但氫脆一般有特定的裂紋形態(tài)。如，淬回火鋼中的氫脆裂紋沿原奧氏體晶界擴(kuò)展；而鈦合金氫脆裂紋是沿氫化物與基體金屬的界面上發(fā)展。（4）

15、 氫脆斷口上一般沒有腐蝕產(chǎn)物或其量極微。（5） 大多數(shù)的氫脆（除氫化物的氫脆），都表現(xiàn)出對(duì)溫度和形變速率有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系。氫脆只在一定的溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，出現(xiàn)氫脆的溫度區(qū)間決定于合金的化學(xué)成分和形變速率。形變速率愈大，氫脆的敏感性愈小，當(dāng)形變速率大于某一臨界值后，則氫脆完全消失。氫脆對(duì)材料的屈服強(qiáng)度影響較小，但對(duì)斷面收縮率則影響較大。關(guān)于HE和SCC的異同列于表9-2中表9-2 氫脆與應(yīng)力腐蝕的相互比較氫脆應(yīng)力腐蝕1裂紋從內(nèi)部開始，斷口較平整裂紋從表面開始，斷口不平整2裂紋幾乎不分叉，有二次裂紋裂紋分叉，有較多二次裂紋3萌生裂紋處無腐蝕產(chǎn)物萌生處有腐蝕產(chǎn)物4裂紋源可能是一個(gè)或多個(gè)。多在三向應(yīng)力區(qū)

16、萌生裂紋源裂紋源可能是一個(gè)或多個(gè)。不一定在應(yīng)力集中處萌生裂紋源5對(duì)軋向敏感，沿軋向開裂與軋向無關(guān)6斷口多為沿晶，也可出現(xiàn)穿晶解理或準(zhǔn)解理斷裂一般為沿晶，也有穿晶解理斷裂7裂紋走向與正應(yīng)力垂直裂紋走向與正應(yīng)力垂直8內(nèi)部氫脆不一定要有拉應(yīng)力作用必定要有拉伸應(yīng)力作用9合金和純金屬均可發(fā)生氫脆只有合金才易發(fā)生，純金屬不敏感10只要有含氫的或能產(chǎn)生氫的環(huán)境或介質(zhì)一種合金只對(duì)幾種特定介質(zhì)敏感，而濃度與數(shù)量不一定很大11只要含氫，無應(yīng)力也發(fā)生無應(yīng)力時(shí)，合金對(duì)腐蝕環(huán)境可能是惰性的12對(duì)組織敏感，高強(qiáng)度鋼愈愈易發(fā)生氫脆對(duì)組織敏感，高強(qiáng)度鋼斷裂抗力下降明顯13由陰極吸氫造成晶格弱化由陽(yáng)極反應(yīng)造成腐蝕14陰極保護(hù)反

17、促進(jìn)吸氫采用陰極保護(hù)可減輕腐蝕2 氫脆斷裂機(jī)理目前存在的氫脆斷裂機(jī)理很多，下面簡(jiǎn)要予以回顧。（1） 氫的擴(kuò)散機(jī)理該理論認(rèn)為，如果裂紋尖端處于陽(yáng)極區(qū)，則由于陽(yáng)極反應(yīng)的結(jié)果，使介質(zhì)中的氫離子獲得電子還原成氫原子，氫原子一部分合成氫分子逸出，一部分原子氫要向金屬基體的內(nèi)部擴(kuò)散，氫一旦在基體內(nèi)產(chǎn)生高濃度的聚集現(xiàn)象，便使得該區(qū)域的金屬脆化。（2） 內(nèi)壓理論氫脆的內(nèi)壓理論首先是由C扎普夫（C CZapffe）在1947年提出來的。他認(rèn)為在裂紋或缺口尖端的三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)，形成了很多微孔核心，氫原子在應(yīng)力作用下向這些核心擴(kuò)散，并且結(jié)合成氫分子，由于微孔核心很小，只要有很少的氫氣就可產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力。這種內(nèi)壓力大

18、到足以通過塑性變形或解理斷裂使裂紋長(zhǎng)大或使微孔長(zhǎng)大，連接，最后引起材料過早斷裂。該理論能較好的解釋魚眼型白點(diǎn)的形成機(jī)理。（3） 吸附理論氫的吸附理論是1952年NT佩奇（NTPetch）和P 斯特布爾斯（P Stabls）提出的。該理論認(rèn)為活性氫原子吸附在裂紋尖端降低了表面能，減少了形成裂紋所需做的功，因此激發(fā)了裂紋的形成和擴(kuò)展。（4） 位錯(cuò)輸送理論該理論最早是由TR巴斯辛（TRBastion）和FC阿澤（FCAzou）在1951年提出的。該理論認(rèn)為氫脆是氫原子和位錯(cuò)交互作用的結(jié)果。固溶體中的氫存在于晶格間隙位置，氫原子傾向于聚集在刃位錯(cuò)下方，形成cottrell氣團(tuán)。顯然，在位錯(cuò)密度較高的區(qū)

19、域，其氫的濃度也較高。當(dāng)裂紋體受力后，裂紋尖端既有三向拉應(yīng)力存在，又有很高的位錯(cuò)密度，這都促使氫原子在裂紋尖端富集。由于氫原子釘扎住位錯(cuò)，使位錯(cuò)不易運(yùn)動(dòng)，塑性變形困難，引起材料的局部硬化。此位錯(cuò)理論成功的解釋了氫脆只發(fā)生在一定的溫度范圍和慢的形變速率情況以及高強(qiáng)度鋼產(chǎn)生的氫脆裂紋的擴(kuò)展是跳躍式前進(jìn)的。（5） 晶格弱化理論此理論是1960年AR特羅亞諾（ARTroiano）提出的。其要點(diǎn)是認(rèn)為高濃度的固溶氫原子，可以降低晶界上或相界上金屬晶體的原子間結(jié)合力，而局部地區(qū)的拉應(yīng)力又促使氫原子偏聚，因此當(dāng)局部拉應(yīng)力等于已被氫弱化了的原子間結(jié)合力時(shí)，原子間的鍵合就發(fā)生破壞，材料便產(chǎn)生脆性斷裂。該理論解釋

20、高強(qiáng)度鋼脆性較為合理。（6） 氫化物或富氫相析出理論DG韋斯特來爾（DGWestlake）等在1969年提出了此理論，即氫原子和某些合金元素容易形成脆性相的氫化物，與塑性較好的基體在形變過程中不相容，氫化物與基體的界面上易產(chǎn)生裂紋。（7） 氫促進(jìn)塑變理論這個(gè)理論是CD比奇姆（CDBeachem）在1972年提出的。他認(rèn)為，偏聚的氫幫助了鐵的塑變，局部化的塑變完成了斷裂前所需的變形準(zhǔn)備，使斷裂在較低的宏觀塑變下發(fā)生。綜述各種氫脆斷裂機(jī)理，一般認(rèn)為，溶解在鋼中的氫通常以原子狀態(tài)存在，但為了降低能量，總愿意與雜質(zhì)原子、位錯(cuò)、空位、晶界及滑移帶等相互作用，并力圖結(jié)合成氫分子。氫的這一行為，對(duì)鋼的氫脆破

21、壞有重要的影響。3 氫脆類型及氫脆斷口特征由于氫在金屬中所處狀態(tài)不同及由此導(dǎo)致的脆化機(jī)理不同，氫脆的類型也很多，下面我們主要介紹幾種常見的氫脆類型及其斷口特征。（1） 白點(diǎn)（發(fā)裂）或氫鼓泡當(dāng)鋼中含有過量的氫時(shí)，氫在鋼中的溶解度隨溫度的降低而減小。若過飽和的氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子，并產(chǎn)生高壓使金屬局部撕裂，而形成微裂紋。內(nèi)部氫脆斷口往往出現(xiàn)“白點(diǎn)”（圖7-7），白點(diǎn)有兩種類型：一種是在鋼件中觀察到縱向發(fā)裂，在其斷口上出現(xiàn)白點(diǎn)。這類白點(diǎn)呈圓形或橢圓形，而且輪廓分明，表面光亮呈銀白色，故又叫“雪斑”或發(fā)裂白點(diǎn)，如果發(fā)裂前低溫長(zhǎng)時(shí)間保溫，則可消除這類白點(diǎn)。另一類白點(diǎn)呈魚眼型，它

22、往往是某些以材料內(nèi)部的宏觀缺陷如氣孔，夾渣等為核心的銀白色斑點(diǎn)，其形狀也為圓形或橢圓形。圓白點(diǎn)的大小往往同核心的大小有關(guān)，核心愈大，白點(diǎn)也愈大，白點(diǎn)區(qū)齊平而略為下凹（圖b）。產(chǎn)生魚眼白點(diǎn)，除與氫或缺陷因素有關(guān)外，還需具有一定條件，即一定的塑變量和變形速度。若經(jīng)去氫處理或消除魚眼核心（缺陷），則白點(diǎn)不出現(xiàn)；小于一定的塑性變形量，或采用沖擊等高的應(yīng)變速率，也不會(huì)出現(xiàn)白點(diǎn)，所以它是可以消除的，這類氫脆只降低塑性，不影響金屬?gòu)?qiáng)度。對(duì)于中、低強(qiáng)度鋼（包括HRC<22的結(jié)構(gòu)鋼或在高溫條件下運(yùn)行的金屬構(gòu)件），在氫氣及硫化氫氣氛中，原子氫將進(jìn)入鋼中并在表下某些點(diǎn)上轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿託?，由此產(chǎn)生的高壓使鋼的表面層

23、鼓起而在外表面產(chǎn)生的氫鼓泡也屬于這一類氫脆。內(nèi)部氫脆斷口的宏觀形態(tài)呈齊平狀，可看到白點(diǎn)或氫鼓泡。如在大截面構(gòu)件的斷口上可觀察到白點(diǎn)；在小型零件或絲材斷口邊緣上可觀察到白色亮環(huán)。放大檢查有時(shí)可看到細(xì)小的裂紋（即發(fā)裂）。內(nèi)部氫脆斷口的微觀形態(tài)，往往是穿晶解理型或準(zhǔn)解理型花樣。準(zhǔn)解理斷口常呈現(xiàn)浮云狀、波紋狀花樣。而內(nèi)部氫脆斷口在白點(diǎn)區(qū)內(nèi)其微觀特征為穿晶解理斷口，白點(diǎn)區(qū)外為準(zhǔn)解理加刃窩斷口。氫蝕及氫化物致脆即具有如上的斷口特征。環(huán)境氫脆的宏觀斷口為典型脆性斷口，斷口平齊，有發(fā)射狀棱線，環(huán)境氫脆的微觀斷口特征與應(yīng)力水平等有關(guān)，參見后面氫脆沿滯斷裂。（2） 氫蝕氫蝕是由氫與金屬中夾雜物及第二相質(zhì)點(diǎn)反應(yīng)生成

24、高壓氣體而造成的，例如，氫與滲碳體生成甲烷，甲烷在晶界富集降低了晶界結(jié)合力而導(dǎo)致氫脆。氫蝕有如下特點(diǎn)：1）材料經(jīng)過一定潛伏期后，其塑性開始嚴(yán)重降低，這是由于CH4氣泡的成核長(zhǎng)大，需要一定時(shí)間后才能達(dá)到臨界密度；2） 在相同潛伏期下，升高溫度可明顯降低形成氫蝕所需的壓力；3） 當(dāng)鋼中含有形成穩(wěn)定氧化物或碳化物的某些合金元素，則可顯著提高形成氫蝕的溫度和壓力，即氫蝕敏感性下降；4） 熱處理引起組織變化，也相應(yīng)改變氫蝕的敏感性，球化處理可延長(zhǎng)潛伏期，細(xì)晶粒潛伏期短，粗晶粒潛伏期長(zhǎng)；5） 純鐵不發(fā)生氫脆，隨鋼中含碳量增加，氫脆敏感性增加，低碳鋼比中碳鋼敏感性?。?） 鋼的屈服強(qiáng)度高，容易發(fā)生氫脆破壞；

25、7） 壓應(yīng)力作用下不發(fā)生氫脆。氫蝕斷裂的宏觀斷口形貌呈氧化色及顆粒狀。微觀斷口可見晶界明顯加寬及沿晶斷裂特征。（3） 氫化物氫脆對(duì)于IVB或VB族金屬（如純鈦、鈦合金、釩、鋯、鈮及其合金）與氫有較大的親和力，因此極易形成氫化物，使金屬脆化。這類氫化物分為兩類：一類是熔融金屬冷凝時(shí)，由于氫的溶解度降低而從過飽和固溶體中析出時(shí)形成的，稱為自發(fā)形成氫化物；另一類稱為應(yīng)力感生氫化物，它是在含氫量較低的情況下，受外加拉應(yīng)力作用，使原來基本上是均勻分布的氫逐漸聚集到裂紋前沿或微孔附近等應(yīng)力集中處，當(dāng)其達(dá)到足夠濃度后，析出而形成氫化物。氫化物氫脆具有如下特點(diǎn)：1） 氫脆敏感性隨溫度降低而增加；2） 缺口尖銳

26、度增加，敏感性也增加；3） 裂紋沿氫化物與基體的界面擴(kuò)展；4） 高速變形才出現(xiàn)脆性斷裂；5） 氫脆的敏感性與氫化物的形狀有關(guān)，薄片狀氫化物因極易生成較大的應(yīng)力集中而使敏感性大大增加，對(duì)于細(xì)晶粒組織，氫化物多呈塊狀不連續(xù)的沉淀，故對(duì)氫脆不敏感。氫化物致脆斷裂，也屬沿晶型的，在微觀斷口上常有許多氫化物，而在宏觀斷口上與氫蝕相似，斷裂源不是一點(diǎn)，而是一片，但不呈氧化色，雖然斷面也呈顆粒狀，但由于氫化物形成是構(gòu)件內(nèi)部進(jìn)行的一個(gè)物理化學(xué)過程，所以可在常溫下進(jìn)行。（4） 氫致延滯斷裂若含有適量的處在固溶狀態(tài)氫的金屬（如高強(qiáng)鋼或+鈦合金），在低于屈服強(qiáng)度的低應(yīng)力作用下，經(jīng)過一段孕育期后，在內(nèi)部，特別是在三向

27、應(yīng)力區(qū)形成裂紋，這種裂紋在應(yīng)力持續(xù)作用下，不斷擴(kuò)展長(zhǎng)大，最后突然發(fā)生脆斷。這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂，大多數(shù)氫脆斷裂即指這類氫脆，其特點(diǎn)如下：1） 只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強(qiáng)鋼在-100150之間，而以室溫下最敏感；2） 提高應(yīng)變速率，材料對(duì)氫脆敏感性降低；3） 顯著降低金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率，但含氫量超過一定數(shù)值后，斷后伸長(zhǎng)率不在變化，而斷面收縮率則隨含氫量增加不斷下降，且材料強(qiáng)度愈高，下降愈厲害。高強(qiáng)度鋼氫致延滯斷裂斷口的宏觀形貌與一般的脆性斷口形態(tài)相似，有時(shí)可見到一些反光的小刻面，斷口上常有二個(gè)區(qū)域：氫脆裂紋的亞臨界擴(kuò)展區(qū)（齊平部分）和機(jī)械撕裂區(qū)（斜面部分）。

28、其斷口微觀形貌大多為沿原奧氏體晶界斷裂，且晶界面上常有許多撕裂棱。然而，實(shí)際斷口上，并不是沿晶斷裂，因?yàn)榱鸭y尖端的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子K1，氫濃度及晶界上雜質(zhì)元素的偏聚等都會(huì)對(duì)氫脆的斷裂方式產(chǎn)生影響。例如，對(duì)40CrNiMo鋼，提高鋼的純凈度，會(huì)使氫脆斷口形貌由沿晶斷裂轉(zhuǎn)為穿晶斷裂；當(dāng)K1值較高時(shí)為微孔聚集型斷口，中等K1值則是準(zhǔn)解理或準(zhǔn)解理加刃窩，或沿晶斷裂加刃窩；在較小K1值下是沿晶斷口，晶界小平面上有許多撕裂棱。關(guān)于鋼的氫脆與應(yīng)力腐蝕斷口特征的比較見表7表9-3 鋼的氫脆與應(yīng)力腐蝕斷口形貌的比較斷裂源位置斷口宏觀特征斷口微觀特征二次裂紋應(yīng)力腐蝕肯定在表面，無一例外，且常在尖角、劃痕、點(diǎn)蝕坑等拉

29、應(yīng)力集中處，斷口不平整脆性，顏色較暗，甚至呈黑色，和最后靜斷區(qū)有明顯界限，斷裂源區(qū)顏色最深，裂紋有分叉一般為沿晶斷裂，也有穿晶解理斷裂。有較多腐蝕產(chǎn)物，且有特殊的離子如氯、硫等。斷裂源區(qū)腐蝕產(chǎn)物最多較多或很多，呈樹根狀氫脆大多在表皮下，偶爾在表面應(yīng)力集中處，且隨外應(yīng)力增加，斷裂源位置向表面靠近，斷口平整 脆性，較光亮，剛斷開時(shí)沒有腐蝕，在腐蝕性環(huán)境中放置后，受均勻腐蝕，裂紋幾乎不分叉多數(shù)為沿晶斷裂，也可能出現(xiàn)穿晶斷裂。晶界面上常有撕裂棱，個(gè)別地方有刃窩，若未在腐蝕環(huán)境中放置，一般無腐蝕產(chǎn)物沒有或極少對(duì)氫脆的控制與防護(hù)參見下圖氫脆控制力學(xué)環(huán)境冶金 改變合金組織提高純度金屬鍍層改變合金成分去氫處理

30、表面涂層加抑制劑正確制定冷熱加工工藝增加表面壓力消除加工應(yīng)力避免應(yīng)力集中 第三節(jié)腐蝕疲勞1 腐蝕疲勞特點(diǎn)金屬構(gòu)件或零件在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下引起失效稱為腐蝕疲勞。它即不同于應(yīng)力腐蝕也不同于大氣疲勞（機(jī)械疲勞），同時(shí)也不是腐蝕疲勞和機(jī)械疲勞兩種因素作用的簡(jiǎn)單疊加，其不同處見表7-1、7-2，根據(jù)這些特征，可有助于具體分析，以便在生產(chǎn)中采取有效措施防止失效。表9-4 應(yīng)力腐蝕與疲勞特征應(yīng)力腐蝕腐蝕疲勞1必定要有拉伸應(yīng)力作用，是靜應(yīng)力是交變應(yīng)力作用2在特定的材料與介質(zhì)組合下才發(fā)生任何介質(zhì)中均會(huì)出現(xiàn)3當(dāng)K1<K1SCC，應(yīng)力腐蝕裂紋不會(huì)擴(kuò)展即使Kmax<K1SCC,腐蝕疲勞裂紋仍

31、舊會(huì)擴(kuò)展4只有一兩個(gè)主裂紋，主裂紋上有分支小裂紋裂紋源有多處，裂紋沒有分支5一般為沿晶斷裂，也有穿晶解理斷裂多數(shù)為穿晶斷裂，但也有沿晶斷裂6在一定的介質(zhì)中，應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的溶液酸度是較高的，總是高于整體環(huán)境的平均值。腐蝕疲勞裂紋尖端溶液的酸度與周圍環(huán)境的平均值差別不大7只在合金中發(fā)生，純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕任何材料均可能發(fā)生腐蝕疲勞，即使是純金屬也能產(chǎn)生腐蝕疲勞表7-2 大氣腐蝕與腐蝕疲勞的特征大氣疲勞腐蝕疲勞1疲勞曲線有明顯的水平臺(tái)，即有明確的疲勞極限疲勞曲線沒有明顯水平臺(tái)，即沒有明確的疲勞極限，通常采用“條件疲勞極限”2疲勞極限與靜強(qiáng)度之間存在比例關(guān)系腐蝕疲勞極限與靜強(qiáng)度之間沒有直接關(guān)系3

32、在大氣環(huán)境中，當(dāng)加載頻率小于1000Hz時(shí)，對(duì)疲勞極限基本上無影響腐蝕疲勞對(duì)加載頻率十分敏感，頻率越低，疲勞強(qiáng)度與壽命也越低4光滑試樣的裂紋萌生構(gòu)成疲勞壽命的主要部分腐蝕疲勞條件下裂紋極易萌生，故裂紋擴(kuò)展是疲勞壽命的主要組成部分2 金屬腐蝕疲勞的破壞機(jī)制金屬材料在腐蝕介質(zhì)的作用下形成一層保護(hù)膜，由于交變應(yīng)力的作用，產(chǎn)生了滑移平臺(tái)，破壞了金屬表面的保護(hù)膜。由于機(jī)械電化學(xué)反應(yīng)，在滑移臺(tái)階處，進(jìn)一步產(chǎn)生了微觀的腐蝕孔。進(jìn)而又在交變應(yīng)力的作用下，在微孔處產(chǎn)生了尖銳的裂紋。而在交變應(yīng)力和裂紋尖端的陽(yáng)極溶解過程共同作用下，裂紋不斷地向前擴(kuò)展，最后，到剩余的有效截面小到不足以支持外力的作用時(shí)，導(dǎo)致整個(gè)零件的突