第六讲 金属的应力.ppt

第六讲 金属的应力腐蚀和氢脆断裂机件：残余应力 外加载荷 化学介质与氢相特殊的断裂，应力腐蚀断裂与氢脆断裂。断裂形式：低应力脆断 第一节 应力腐蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件1、应力腐蚀现象 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现象称为应力腐蚀断裂（SCC）。不是应力作用下的机械性破坏与化学介质作用下的腐蚀性破坏的迭加，而是在应力与化学介质的联合作用下按特有机理产生的断裂。2、产生条件 应力、化学介质和金属材料三者是产生应力腐蚀的条件。（1）应力：机件承受工作应力和残余应力 化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力，包括残余拉应力。（2）化学介质：在特定的化学介质中，某种金属材料产生应力腐蚀。（3）金属材料：纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀都有不同程度的敏感性。二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征1、应力腐蚀断裂机理阳极膜破坏理论 合金 表面形成钝化膜（钝化状态）局部地区钝化膜破裂 新鲜表面 阳极 腐蚀微电池 阳极溶解 蚀坑 应力集中 阳极电位降低 加速阳极金属溶解。化学介质拉应力作用电解质溶液中 应力腐蚀现象只有金属在介质中生成略具钝化膜的条件下，即金属和介质处于某种程度的钝化与活化过渡的情况下最易发生。应力腐蚀裂纹的形成与扩展途径：穿晶 沿晶。2、应力腐蚀断口特征宏观形貌：与疲劳断口相似，有亚稳扩展区和最后瞬断区。显微裂纹：分叉现象，呈枯树枝状。微观形貌：一般沿晶断裂，也可是穿晶解理断裂。3、应力腐蚀力学性能指标 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抗应力腐蚀性能。预制裂纹试样，引入应力场强度因子K1概念，得到两个重要的力学性能指标：应力腐蚀临界应力场强度因子K1SCC，应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt。4、防止应力腐蚀的措施 合理选择金属材料，减少或消除机件中残余拉应力，改变化学介质条件及采用电化学方法防护。第二节 氢脆一、氢在金属中的存在形式1、氢脆：氢和应力的共同作用而导致金属材料产生脆性断裂氢脆断裂（氢脆）。2、金属中氢的来源：内含的与外来的。3、存在形式：一般以间隙原子状态固溶在金属中，且溶解度随温度变化；也可以通过扩散，以分子状态存在于缺陷处（空洞，气泡，裂纹等）；也可以与过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物；或与第二相作用生成气体。二、氢脆类型及其特征1、氢蚀：氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱导致金属脆化。其断裂宏观断口为氧化色，颗粒状；微观断口上晶界明显加宽，为沿晶断裂。2、白点（发裂）：溶解度随温度降低而下降，过饱和氢未能扩散逸出，聚集形成氢分子，体积急剧膨胀，这种内压力将金属局部撕裂，形成微裂纹。其断面为圆形或椭圆形，颜色为银白色。3、氢化物致脆：金属与氢亲和力大，生成氢化物，使金属脆化。自发形成氢化物：冷却过程中，过饱和氢析出形成。应力感生氢化物：拉应力作用下聚集裂纹前沿或微孔处，达到一定浓度后析出形成氢化物。金属材料对氢化物造成的氢脆敏感性随温度降低及机件上缺口尖锐程度增加而增加。裂纹沿氢化物与基体界面扩展，断口上可见到氢化物。4、氢致延滞断裂（工程上氢脆概念）适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在金属内部，特别是三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然脆性断裂。特点：出现于一定温度范围内；应变速率 ，材料对氢脆敏感性 ；显著降低材料断后伸长率，氢量超过一定后，断后伸长率不再变化，但断面收缩率不断下降，材料强度愈高，下降愈剧烈。三、机理四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系 两者都是由于应力与化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象，产生应力腐蚀时总伴随有氢的析出，析出的氢又易于形成氢致延滞断裂。两者的区别在于应力腐蚀为阳极溶解过程，形成阳极活性通道而使金属开裂；氢致延滞断裂为阴极吸氢过程。外加电流对静载荷下产生裂纹的时间可判断：当外加小的阳极电流而缩短产生裂纹时间的是应力腐蚀；当外加小的阴极电流而缩短产生裂纹时间的是氢致延滞断裂。五、防止氢脆的措施环境因素，力学因素及材质因素三方面1、环境：切断氢进入金属中的途径，或控制途径的某个环节，延缓反应速度，使氢不进入或少进入金属中。2、力学：设计与加工中，避免产生残余拉应力，可采用表面处理，使表面获得残余压应力层。3、材质：含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低；显微组织对氢脆敏感性影响较大；细化晶粒可提高抗氢脆能力；冷变形可增大氢脆敏感性。