材料失效分析(第六章-腐蝕環(huán)境)教材

第六章腐蝕失效分析

（環(huán)境斷裂失效）

§1應力腐蝕斷裂

§2氫脆斷裂

§3蠕變斷裂

§4其它的環(huán)境斷裂1概述環(huán)境斷裂：主要指金屬材料在腐蝕介質(zhì)、溫度環(huán)境等條件的影響下，產(chǎn)生的沿晶或穿晶的低應力脆斷現(xiàn)象常見的環(huán)境斷裂：SCC、氫脆、蠕變斷裂液態(tài)或固態(tài)金屬脆、中子脆過熱、過燒斷裂靜載延遲斷裂：材料在特定的外界條件下，雖然所受的應力低于材料的屈服強度，但服役一段時間，也可以發(fā)生突然的低應力脆斷，這類與時間有關的低應力脆斷現(xiàn)象。2§1、應力腐蝕斷裂一、引言1、定義由拉應力和腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而引起的低應力脆斷。2、共同特征◆只有在拉應力作用下才能引起SCC。這種拉應力可能是殘余拉應力或工作應力。一般情況下，產(chǎn)生SCC時拉應力都很低，若沒有腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用是不會產(chǎn)生斷裂的?！粢幸欢ǖ母g介質(zhì)。其腐蝕介質(zhì)的濃度都很低，并且腐蝕介質(zhì)一般都是特定的（選擇性）。◆一般只有合金才產(chǎn)生SCC，純金屬不會產(chǎn)生SCC。3應力腐蝕發(fā)生的條件及涉及的學科43、斷裂過程

裂紋形成：占全部時間的90%

裂紋擴展：占全部時間的10%5引起表面膜局部破裂的因素：◆環(huán)境因素：可能存在破壞鈍化膜的活性離子，如Cl-、

Br-等◆冶金因素：金屬表面的缺陷，如夾雜物、位錯露頭等◆力學因素：在應力作用下產(chǎn)生的突出表面的滑移臺階◆機械破損6二、SCC機理1、保護膜破裂機理認為產(chǎn)生SCC是電化學反應起控制作用形成保護膜→保護膜破裂→陽極溶解→重新形成保護膜→重新破壞→新的陽極溶解72、應力吸附機理（氫致脆化機理）

認為[H]吸附于裂紋尖端，使金屬晶體原子鍵的親和力減弱，即表面能降低。從Griffith缺口強度理論可知：

σc∝γ1/2∵γ↓∴σc↓

從而脆化金屬，使材料產(chǎn)生早期斷裂8三、SCC斷口形貌特征1、宏觀形貌特征●呈現(xiàn)脆性特征，有時帶有少量塑性撕裂痕跡●裂源是多源的，由于介質(zhì)的腐蝕作用，裂紋形成區(qū)或亞穩(wěn)擴展區(qū)呈暗色或灰黑色●最終斷裂區(qū)具有金屬光澤，常有放射狀花樣或人字紋92、微觀形貌典型斷口：沿晶斷口，晶面有撕裂脊；有時也可觀察到韌窩、腐蝕坑、二次裂紋，也可能有穿晶斷裂，斷口有河流、扇形、泥狀、塊狀花樣等沿晶斷口10穿晶斷口泥紋狀斷口：在平坦面上分布直線狀裂紋（如河底干沽狀）11四、SCC的影響因素與預防措施1、影響因素◆應力：拉應力◆環(huán)境介質(zhì)：材料對介質(zhì)具有選擇性◆成分：高強鋼中的碳含量、鋁鎂合金中Mg含量◆熱處理工藝：T6、T76、T77(RRA)2、預防措施◆降低應力◆表面處理（噴丸、滲碳、氮化），使表面產(chǎn)生一定的壓應力◆改變腐蝕介質(zhì)◆選材

◆電化學保護12§2氫脆斷裂一、引言1、定義:金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的低應力脆斷2、類型內(nèi)部氫脆：材料在熔煉、焊接、高溫鍛造、軋制和熱處理等過程中吸收了過量的氫氣而造成的環(huán)境氫脆：在應力和含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種低應力脆斷。如貯氫壓力容器、酸洗、電鍍材料發(fā)生的斷裂兩者區(qū)別：氫的來源不同，而脆化本質(zhì)是否相同目前尚未定論。13二、氫脆斷口特征1、內(nèi)部氫脆宏觀特征：白點：是大型鍛件和熱軋鋼坯中常見的缺陷它是鋼中氫與組織轉(zhuǎn)變應力、熱應力共同作用下產(chǎn)生的細長裂紋，尺寸一般為幾毫米到幾十毫米。14白點形貌魚眼型白點魚眼的微觀形貌15發(fā)裂白點（不可逆白點）：斷口上呈現(xiàn)白點，呈銀白色，輪廓分明，表面光亮形狀為圓形或橢圓形實際上是一種內(nèi)部微細裂紋魚眼型白點（可逆白點）：是以材料內(nèi)部的宏觀缺陷（氣孔、夾渣）為核心的銀白色斑點形狀為圓形或橢圓形核心愈大，白色愈大，白色區(qū)齊平略為下凹16微觀特征：

穿晶解理型或準解理型花樣，以準解理較為多見浮云狀波紋狀條狀172、環(huán)境氫脆宏觀形貌：與一般的脆性斷口形態(tài)相似，有時可見到一些反光的小刻面、結(jié)晶狀顆粒或放射狀花樣不銹鋼螺栓氫脆斷口螺釘氫脆斷口18微觀形貌：典型為沿晶斷口與準解理斷口，有時看到解理及局部韌斷。19在不同K值下高強鋼的斷裂形式氫脆的沿晶斷口20四、SCC與氫脆的關系聯(lián)系：

●廣義的SCC包括氫脆斷裂，通常應力腐蝕總伴有氫脆。它們共同存在，一般難以區(qū)別。

●微觀斷口形貌也十分相似21區(qū)別：●從電化學反應來看，SCC是陽極溶解控制過程

Fe-2e→Fe+

氫脆是陰極反應控制過程

H++e→[H]2[H]→H2↑22●裂源：SCC從表面開始，裂紋分叉氫脆從次表面或內(nèi)部開始，裂紋幾乎不分叉SCC裂紋氫脆裂紋23五、影響氫脆的外部因素1、溫度氫脆多發(fā)生在溫度為-100℃—150℃之間，一般最敏感的溫度是室溫溫度太低，氫不易擴散和聚結(jié)溫度太高，氫自由地向大氣中擴散，減少了氫含量2、[H]濃度發(fā)生氫脆時不一定要求氫氣氛或含氫介質(zhì)有很高的濃度如當[H]＜1ppm時就能引起高強鋼的氫脆。243、置放時間

對于內(nèi)部可逆氫脆，能否出現(xiàn)白點還與置放時間有關。置放時間太長或太短都不會出現(xiàn)白點。25§3蠕變斷裂一、引言1、定義

蠕變：金屬材料在長時間的恒溫、恒應力作用下，即使

σ＜σ0.2，也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象蠕變斷裂：由于蠕變變形而最后導致材料的低應力脆斷2、發(fā)生條件

0K—Tm范圍內(nèi)都會產(chǎn)生蠕變，但只有高于0.3Tm時才較顯著263、蠕變曲線典型的蠕變曲線27二、斷裂過程

蠕變斷裂主要是沿晶斷裂，包括裂紋形成與擴展裂紋形成：楔形裂紋：通常萌生于三個晶粒相遇的晶粒處，然后沿晶進行傳播。裂紋一般在垂直于應力方向的晶界上各種楔形裂紋形成示意圖28孔洞型裂紋：

空穴位于與拉伸方向垂直且成大角度的晶界上，在很大程度上，空穴的形成要求有晶界滑動，蠕變斷裂是由這些小空穴相互連接形成的?？锥葱土鸭y形成示意圖29顯微空洞的形成30裂紋擴展在蠕變斷裂中，很多情況下不存在非常明顯的裂紋擴展階段的情況31三、蠕變斷口形貌特征宏觀形貌：斷口附近有明顯的塑性變形，表面有許多龜裂，并被一層氧化膜覆蓋高溫鎳基合金N-73832微觀形貌研究得不廣泛，因在高溫下進行，所以斷面上附著一層很厚的氧化膜，遮蓋著細節(jié)。有時斷口上布有漣波條紋（滑移線）或沿晶斷口耐熱鋼HK40的蠕變斷口33高溫合金蠕變斷口，漣波條紋耐熱鋼蠕變斷口，其上具有氧化膜顯微特征34§4其它的環(huán)境斷裂一、液態(tài)或固態(tài)金屬脆1、定義：某些高強鋼或合金與一些液態(tài)金屬或固態(tài)金屬接觸時，使金屬引起顯著脆化。如：銅合金與水銀接觸而產(chǎn)生的液態(tài)汞脆鋁合金被液體Na、Sn脆化鋼與Cd接觸出現(xiàn)鎘脆2、發(fā)生條件●兩種金屬沒有相互有效的溶解度

●兩種金屬不能形成高熔點的金屬化合物

●固態(tài)金屬表面能被液態(tài)金屬所浸潤353、裂紋形式多枝裂紋網(wǎng)狀裂紋364、斷口形貌特征

宏觀形貌：兩個區(qū)（緩慢斷裂區(qū)、瞬斷區(qū)）

微觀形貌：大多數(shù)為沿晶脆斷，也有穿晶解理液態(tài)汞脆黃銅的Sn脆37二、過熱斷口與過燒斷口過熱斷口1、定義

材料在熱鍛、熱軋或熱處理加熱時在高溫長時間停留由于晶粒粗大而引起的低應力脆斷2、斷口形貌特征宏觀形貌：過熱鋼呈石狀，顏色淺灰，無金屬光澤石狀顆粒愈多、愈大，過熱愈嚴重微觀形貌：典型的延性沿晶斷口38過燒斷口1、過燒：材料在超過過熱溫度下加熱產(chǎn)生的缺陷。

過燒鋼的顯微組織特點：

晶界上出現(xiàn)氧化物、裂紋或局部熔化，晶粒粗大及魏氏組織2、斷口形貌宏觀形貌：全部為石狀，顆粒粗大，顏色灰暗嚴重過燒出現(xiàn)豆腐渣狀斷口鋁合金過燒后，表面出現(xiàn)許多氣泡，晶界熔化成網(wǎng)絡狀熔化節(jié)39微觀形貌：冰糖狀，晶界局部熔化出現(xiàn)孔洞，晶界面變寬，內(nèi)有氧化物，晶粒失去棱邊變成表面圓滑的顆粒2214鋁合金的過燒斷口40