課10-環(huán)境作用下金屬的力學行為

1、第十章 環(huán)境作用下金屬的學行為,10.1 引言,機器和工程結構總是在一定環(huán)境介質中服役的。 腐蝕性很弱的介質與應力的協(xié)同作用，也會巨大地影響材料的力學行為。 介質與應力的協(xié)同作用，常比它們的單獨作用或者二者簡單的疊加更為嚴重，引起的斷裂稱為材料的環(huán)境敏感斷裂。,結構零件的受力狀態(tài)是多種多樣的，如拉伸應力、交變應力、摩擦力、振動力等。不同狀態(tài)的應力與介質的協(xié)同作用所造成的環(huán)境敏感斷裂形式各不相同。據此，可以將它們分為應力腐蝕斷裂、腐蝕疲勞、磨損腐蝕和微動腐蝕等等。 在靜載荷長時作用下的環(huán)境敏感斷裂有應力腐蝕斷裂和氫脆斷裂。 在交變載荷作用下的環(huán)境敏感斷裂，則稱之為腐蝕疲勞。,10.2 應力腐蝕斷

2、裂及其評定指標,10.2.1 應力腐蝕斷裂的行為特性 應力腐蝕斷裂（Stress Corrosion Cracking, 簡稱SCC）:材料在靜應力和腐蝕介質共同作用下發(fā)生的脆性斷裂。 應力腐蝕斷裂并不是應力和腐蝕介質兩個因素分別對材料性能損傷的簡單疊加。通常，發(fā)生應力腐蝕斷裂所需要的應力是很小的；若不是處于特定的腐蝕介質中，這樣小的應力不可能引起材料的斷裂。反之，如果沒有任何應力存在，則材料在這種環(huán)境介質中所受的腐蝕也是輕微的。應力腐蝕斷裂的危險性正在于它常常發(fā)生在相當緩和的介質中和不大的應力狀態(tài)下，而且往往事先沒有明顯的預兆，因此常造成災難性事故。,應力腐蝕斷裂有如下三個基本特征： (1)

3、 必須有應力、特別是拉伸應力的作用。 拉伸應力愈大，斷裂所需的時間愈短。SCC斷裂所需的應力，一般都遠低于材料的屈服強度。 所謂應力，不僅指結構零件在服役過程中所承受的工作應力，也包含結構件在加工和裝配過程中所產生的殘留內應力，以及腐蝕產物體積膨脹所帶來的附加應力。,(2) 對于一定成分的合金，只有在特定介質中才能發(fā)生應力腐蝕斷裂。 例如黃銅只有在氨水溶液中才會發(fā)生應力腐蝕斷裂，而黃銅在水介質中就能發(fā)生應力腐蝕斷裂。又如奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中具有很高的應力腐蝕斷裂敏感性（俗稱“氯脆”），而鐵素體不銹鋼對此卻不敏感。,(3)對于確定的金屬與環(huán)境介質組合來說，應力腐蝕裂紋擴展速度取決于應力或應

4、力強度因子的水平，通常約在10-310-1cm/h數量級范圍。 (4) 應力腐蝕斷口一般屬于脆斷型。,(5) 應力腐蝕斷裂通常只有一條主裂紋，但形成許多分支。裂紋可以是沿晶界擴展的（沿晶型），也可以是穿過晶粒內部擴展的（穿晶型），甚至是兼有這兩種形式的混合型。,10.2.2 應力腐蝕斷裂的評定指標: 用經典力學方法: 以試件在介質中的拉伸應力與斷裂時的關系曲線為依據。,斷裂時間tf是隨著外加拉伸應力的提高而降低。 當外加應力低于某一定值時，應力腐蝕斷裂時間tf趨于無限長，此應力稱為臨界應力c。 若斷裂時間tf是隨著外加應力降低而持續(xù)不斷地緩慢增長，則采取在給定的時間基數下發(fā)生應力腐蝕斷裂的應力

5、，作為條件臨界應力。,運用斷裂力學方法： 采用預制裂紋試樣，主要是測定應力腐蝕裂紋擴展速率。 斷裂時間tf是隨著應力強度因子KI的降低而增加的。當KI值降低到某一臨界值時，應力腐蝕斷裂實際上就不發(fā)生了，這時的KI值稱之為應力腐蝕臨界應力強度因子或門檻值，以KISCC表示。,高強度鋼和鈦合金都有一定的檻值KISCC。 有些材料，例如某些鋁合金，卻沒有明顯的門檻值；其門檻值定義為在規(guī)定的試驗時間內不發(fā)生腐蝕斷裂的上限KI值。當裂紋尖端的應力強度因子KI高于KISCC時，裂紋將擴展。,應力腐蝕裂紋擴展速率da/dt與應力強度因子K1的關系可以分為三個階段。,在第階段，應力腐蝕裂紋擴展速率da/dt主

6、要取決于應力強度因子，同時也取決于環(huán)境介質和溫度。這時起主導作用的是力學因素，da/dt隨著K1的增大而迅速增加。 在第階段，da/dt保持恒定，不隨應力強度因子K1而改變，這時化學因素起決定性作用。 第階段，da/dt隨著K1值的增加而迅速增大，當K1達到KIC時，裂紋便失穩(wěn)擴展而引起斷裂。,應力腐蝕斷裂的斷裂力學測試方法主要有兩種類型，即恒載荷法和恒位移法： （1）恒載荷法 給試樣施加一恒定的載荷，在試驗過程中隨著裂紋的擴展，裂紋頂端的應力強度因子K1逐漸增大。,（2）恒位移法 在整個試驗過程中，裂紋張開位移（試樣刀口處）保持恒定，隨著裂紋的擴展，裂紋頂端的應力強度因子K1逐漸減小。,10

7、.3 應力腐蝕斷裂的機理,關于應力腐蝕斷裂的機制曾提出了許多學說，但是迄今沒有一種機制能夠滿意地解釋各種應力腐蝕斷裂現象。 盡管如此，從材料和環(huán)境介質相互作用的觀點，可以將應力腐蝕斷裂的機制分為陽極溶解型和氫脆型兩大類。,10.4 金屬氫脆的行為特性,10.4.1 氫脆的分類 氫脆也稱為氫損傷。它是一種氫介質引起的材料塑性下降或開裂的現象。 前面談到應力腐蝕斷裂的一種機制便是氫脆，然而決不可以認為氫脆只是應力腐蝕的一種情況。實際上由氫所引起的脆化，有著較應力腐蝕斷裂更廣泛的含意。 內部氫脆：在材料冶煉或零件加工過程中（如焊接、酸洗、電鍍、熱處理等）吸收了大量的氫而造成的； 環(huán)境氫脆：構件在含氫

8、環(huán)境中使用時吸收了氫所造成的。,氫脆按其與外力作用的關系又分為第一類氫脆和第二類氫脆兩類。 第一類氫脆是在加載荷之前材料內部已存在某種氫脆斷裂源。在應力作用下裂紋迅速形成與擴展，因而隨著加載速度的增加，氫脆的敏感性增大。白點、氫蝕、氫化物致脆等都屬于這個類型。 第二類氫脆則是在負荷之前，材料內部并不存在氫脆斷裂源，加載后由于氫與應力的交互作用才形成斷裂源，裂紋逐漸擴展而導致脆斷，因而氫脆的敏感性是隨著加載速度的降低而增大。,第二類氫脆中尚有可逆性氫脆與不可逆性氫脆之分。 所謂可逆性氫脆是指材料經低速變脆后，如果卸載并停留一段時間再進行正常速度形變，原先已脆化材料的塑性可以得到恢復。通常中、高強

9、度鋼的環(huán)境氫脆及低含氫量狀況下的內部氫脆具有可逆性。 不可逆性氫脆則是指已脆化的材料，卸載后再進行正常速度形變時，其塑性不能恢復。應力感生氫化物致脆便屬于此類。,10.4.2 氫蝕: 在高溫高壓下氫與鋼中的固溶體或滲碳體發(fā)生下列反應 C(Fe)+4HCH4， 或 Fe3C3Fe+C ， C+2H2CH4 所生成的甲烷在晶界處聚集達到一定濃度后，由于內壓升高將會使鋼發(fā)生沿晶裂紋，從而使鋼的塑性大幅度降低。在合成氨、合成甲醇、石油加氫及其它一些化工和石油工業(yè)中常常發(fā)生氫蝕問題。,10.4.3 氫化物致脆: 在純鈦、鈦合金、釩、鋯、鈮及其合金中氫易形成氫化物，使材料的塑性、韌性降低，產生脆化。,10

10、.4.4 可逆氫脆的控制: 材料的強度水平對氫脆敏感性有著重要的影響。強度高于700MPa的鋼便具有較明顯的氫脆敏感性；并且隨著強度的升高，氫脆敏感性增高。因此氫脆成為高強度鋼應用中一個尖銳的問題。含硫化氫油氣田所用的鋼管，為避免應力腐蝕斷裂，規(guī)定應控制硬度在22HRC以下。,84 腐蝕疲勞,在循環(huán)載荷和腐蝕介質的共同作用下，金屬材料所產生的破壞稱為腐蝕疲勞（Corrosion Fatigue，簡稱CF）。 腐蝕介質有氣體介質和液體介質。相對于真空而言，空氣也應看作腐蝕介質。,841 腐蝕疲勞的特點 腐蝕疲勞不同于一般疲勞之處是： 疲勞極限無水平線，對一般的金屬結構材料，在腐蝕疲勞條件下，其疲勞壽命縮短，疲勞極限降低 ； 條件疲勞極限與靜強度不存在同步關系； 對加載有強烈的頻率效應。頻率越低，腐蝕疲勞性能就越低；,隨著應力比（R）增加，腐蝕疲勞性能變差； 腐蝕疲勞斷口常以多源、沿晶斷裂及多齒狀為特征； 在裂紋擴展區(qū)疲勞條紋不再連續(xù)出現，常伴有網狀裂紋和腐蝕痕跡。,腐蝕疲勞