(3.3)--第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂.ppt

第六章第六章 金属的应力腐蚀和金属的应力腐蚀和氢脆断裂氢脆断裂1第六章第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属的应力腐蚀和氢脆断裂1.应力腐蚀和氢脆断裂的产生来由应力腐蚀和氢脆断裂的产生来由v在在特特定定外外界界条条件件下下工工作作的的机机件件，虽虽然然所所受受应应力力低低于于材材料料屈屈服服强强度度，但但服服役役一一定定时时间间后后，也也可可能能发发生生突突然然脆脆断。这种与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂。断。这种与时间有关的低应力脆断称为延滞断裂。v 外外界界条条件件可可以以是是应应力力，如如交交变变应应力力；也也可可以以是是环环境境介介质，如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。质，如腐蚀介质、氢气氛或热作用等。v由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂；由交变应力引起的延滞断裂，就是疲劳断裂；v而而在在静静载载荷荷与与环环境境联联合合作作用用下下引引起起的的延延滞滞断断裂裂，叫叫做做静载延迟断裂，或称静疲劳；静载延迟断裂，或称静疲劳；v如如果果在在腐腐蚀蚀介介质质中中承承受受交交变变应应力力作作用用，则则产产生生腐腐蚀蚀疲疲劳。劳。22.本章主要内容本章主要内容 （1）应力腐蚀和氢脆断裂特征与断裂机理；）应力腐蚀和氢脆断裂特征与断裂机理；（2）金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标；）金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标；（3）防止应力腐蚀和氢脆断裂的措施。）防止应力腐蚀和氢脆断裂的措施。第六章第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属的应力腐蚀和氢脆断裂36-1 应力腐蚀应力腐蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件一、应力腐蚀现象及其产生条件1.1.应力腐蚀现象应力腐蚀现象（1 1）应力腐蚀断裂：）应力腐蚀断裂：（2 2）应力腐蚀断裂抗力：）应力腐蚀断裂抗力：比单个因素分别作用后再迭加起来的要低的多比单个因素分别作用后再迭加起来的要低的多（3 3）应力腐蚀现象）应力腐蚀现象 碱脆；碱脆；硝脆；硝脆；氯脆；氯脆；氨脆氨脆2.2.产生条件产生条件（1 1）应力：工作应力和残余应力；）应力：工作应力和残余应力；（2 2）化学介质：只有在特定介质中，某种材料才产生；）化学介质：只有在特定介质中，某种材料才产生；见表见表6-16-146-1 应力腐蚀应力腐蚀表表6-1 6-1 合金产生应力腐特定腐蚀介质合金产生应力腐特定腐蚀介质合金合金腐蚀介质腐蚀介质碳钢碳钢荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，荷性钠溶液，氯溶液，硝酸盐水溶液，H H2 2S S水溶液，海水，海洋大水溶液，海水，海洋大气与工业大气气与工业大气奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度氯化物水溶液，海水，海洋大气，高温水，潮湿空气（湿度90%90%），），热热NaClNaCl，H H2 2S S水溶液，严重污染的工业大气水溶液，严重污染的工业大气马氏体不锈钢马氏体不锈钢氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物氯化的，海水，工业大气，酸性硫化物航空用高强度钢航空用高强度钢海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸海洋大气，氯化物，硫酸，硝酸，磷酸铜合金铜合金水蒸汽，湿水蒸汽，湿H H2 2S S，氨溶液氨溶液铝合金铝合金湿空气，湿空气，NaClNaCl水溶液，海水，工业大气，海洋大气水溶液，海水，工业大气，海洋大气5（3）金属材料：纯金属不会发生应力腐蚀，所有合金）金属材料：纯金属不会发生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀有不同程度的敏感性。对应力腐蚀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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征（一）应力腐蚀断裂机理（一）应力腐蚀断裂机理 以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论以阳极溶解为基础的钝化膜破坏理论1.机理机理6-1 应力腐蚀应力腐蚀62.应力腐蚀裂纹的形成与扩展应力腐蚀裂纹的形成与扩展（二）应力腐蚀断口特征（二）应力腐蚀断口特征1.宏观形貌：与疲劳断口相似宏观形貌：与疲劳断口相似（1）亚稳扩展区）亚稳扩展区（2）最后瞬断区）最后瞬断区2.显微裂纹：有分叉现象，呈枯树枝状（图显微裂纹：有分叉现象，呈枯树枝状（图6-2）3.微观形貌：沿晶断裂型或穿晶断裂型微观形貌：沿晶断裂型或穿晶断裂型6-1 应力腐蚀应力腐蚀7三、应力腐蚀力学性能指标三、应力腐蚀力学性能指标光滑试样：依据发生断裂的持续时间来评定，总时间包光滑试样：依据发生断裂的持续时间来评定，总时间包括裂纹形成与裂纹扩展的时间；括裂纹形成与裂纹扩展的时间；缺陷试样：裂纹的存在，用缺陷试样：裂纹的存在，用KSCC 和和da/dt表示。表示。（一）应力腐蚀临界应力场强度因子（一）应力腐蚀临界应力场强度因子KSCC1.概念：试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的概念：试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子。最大应力场强度因子。2.意义：表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下意义：表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下的断裂韧性。的断裂韧性。3.断裂判据：断裂判据：K初初 KSCC6-1 应力腐蚀应力腐蚀84.K4.KSCCSCC的测定：恒载荷法或恒位移法的测定：恒载荷法或恒位移法（二）应力腐蚀裂纹扩展速率（二）应力腐蚀裂纹扩展速率da/dtda/dt1.1.概念：单位时间内裂纹的扩展量。概念：单位时间内裂纹的扩展量。2.lg(da/dt)-K2.lg(da/dt)-K曲线：曲线：可分为三个阶段可分为三个阶段6-1 应力腐蚀应力腐蚀9（1 1）第第阶段阶段，当，当:KI:KIKIsccKIscc时，时，裂纹经过一段孕育期后突然加速裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展，扩展，da/dtda/dt与与KIKI的关系曲线几乎的关系曲线几乎与纵坐标轴平行；与纵坐标轴平行；（2 2）第）第阶段阶段，曲线出现水平段，曲线出现水平段，da/dtda/dt与与KIKI几乎无关；几乎无关；（3 3）第）第阶段阶段，裂纹长度已接近，裂纹长度已接近临界尺寸，临界尺寸，da/dtda/dt 随随KIKI而增加而而增加而增大，这是材料走向快速扩展的增大，这是材料走向快速扩展的过渡区，当过渡区，当KIKI达到达到K1cK1c时，便发生时，便发生失稳扩展，材料断裂失稳扩展，材料断裂。6-1 应力腐蚀应力腐蚀103.估算剩余寿命估算剩余寿命 由由第第阶段的阶段的裂纹扩展速率裂纹扩展速率da/dtda/dt和和第第阶段末的阶段末的K K 和和a a0 0 来估算。来估算。四、四、预防机件应力腐蚀断裂的措施预防机件应力腐蚀断裂的措施1.选用合适的合金材料选用合适的合金材料2.降低应力降低应力3.改变介质条件改变介质条件4.采用电化学保护采用电化学保护6-1 应力腐蚀应力腐蚀116-2 氢脆氢脆氢脆：氢脆：金属材料由于受到含氢气氛和应力的共同作用而引金属材料由于受到含氢气氛和应力的共同作用而引起的断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂。起的断裂，统称为氢脆断裂或氢致开裂。一、氢在金属中的存在形式一、氢在金属中的存在形式1.金属中氢的来源金属中氢的来源（1）内含的）内含的（2）外来的）外来的2.氢在金属中的存在形式氢在金属中的存在形式（1）原子状态；（）原子状态；（2）分子状态；（）分子状态；（3）氢化物）氢化物12二、二、氢脆的类型及特征氢脆的类型及特征氢脆可分成两大类：氢脆可分成两大类：（一）第一类为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、（一）第一类为内部氢脆，它是由于金属材料在冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的；成的；白点白点（1）概念）概念（2）断口特征：）断口特征：裂纹断面呈圆形或椭圆形，颜色为银裂纹断面呈圆形或椭圆形，颜色为银 白色，所以白色，所以又叫做又叫做“雪斑雪斑”或发裂白点，这种白点实际上就是一种或发裂白点，这种白点实际上就是一种内部微细裂纹。内部微细裂纹。6-2 氢脆氢脆13（二）第二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛（二）第二类氢脆称为环境氢脆，它是在应力和氢气氛或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如或其它含氢介质的联合作用下引起的一种脆性断裂，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。1.氢蚀氢蚀（1）概念：高压气体使结合力减弱，导致脆化。）概念：高压气体使结合力减弱，导致脆化。（2）宏观断口形貌：呈氧化色、颗粒状。）宏观断口形貌：呈氧化色、颗粒状。（3）微观断口形貌：晶界加宽，呈沿晶断裂。）微观断口形貌：晶界加宽，呈沿晶断裂。（4）例如：碳钢在）例如：碳钢在300500的高压的高压H2中工作产生的中工作产生的氢蚀。氢蚀。6-2 氢脆氢脆146-2 氢脆氢脆2.氢化物致脆氢化物致脆（1）概念：氢与过渡族金属生成的氢化物使金属脆化。）概念：氢与过渡族金属生成的氢化物使金属脆化。（2）断口特征：断口可见氢化物）断口特征：断口可见氢化物3.氢致延滞断裂氢致延滞断裂（1）概念：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。）概念：由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。（2）特点：）特点：只在一定温度范围内出现；只在一定温度范围内出现；提高应变速率，材料对氢脆敏感性降低；提高应变速率，材料对氢脆敏感性降低；氢脆降低材料的塑性。氢脆降低材料的塑性。15（3）断口特征）断口特征宏观断口：与脆性断裂断口相似；宏观断口：与脆性断裂断口相似；微观断口：沿原奥氏体晶界的沿晶断裂，且晶界面上微观断口：沿原奥氏体晶界的沿晶断裂，且晶界面上常有许多撕裂棱。常有许多撕裂棱。三、钢的氢致延滞断裂机理三、钢的氢致延滞断裂机理1.氢致延滞断裂过程氢致延滞断裂过程（1）孕育阶段；（）孕育阶段；（2）裂纹亚稳扩展阶段；）裂纹亚稳扩展阶段；（3）失稳扩展阶段）失稳扩展阶段2.孕育阶段：三个步骤孕育阶段：三个步骤6-2 氢脆氢脆163.氢与位错交互作用理论氢与位错交互作用理论4.氢脆裂纹的扩展方式：步进式氢脆裂纹的扩展方式：步进式裂纹孕育裂纹孕育扩展扩展停止停止再孕育再孕育再扩展再扩展失稳扩展而失稳扩展而断裂断裂5.氢致延滞断裂特点氢致延滞断裂特点（1）只在一定应变速率和一定温度范围内出现；）只在一定应变速率和一定温度范围内出现；（2）塑性的可逆性。）塑性的可逆性。6-2 氢脆氢脆17四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系1.1.二者比较：见图二者比较：见图6-106-10（1 1）相同点：）相同点：都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞都是由于应力和化学介质共同作用而产生的延滞断裂现象。断裂现象。（2 2）不同点：）不同点：应力腐蚀为阳极溶解过程；应力腐蚀为阳极溶解过程；氢致延滞断裂则为阴极吸氢过程。氢致延滞断裂则为阴极吸氢过程。2.2.区分方法：极化试验法区分方法：极化试验法 某一具体某一具体“合金合金-化学介质化学介质”系统中，二者的区分，系统中，二者的区分，利用外加电流对静载下产生裂纹时间或裂纹扩展速率的利用外加电流对静载下产生裂纹时间或裂纹扩展速率的影响来判断。影响来判断。6-2 氢脆氢脆183.对于已断裂件的区分：从断口形貌上加以区分对于已断裂件的区分：从断口形貌上加以区分五、防止氢脆的措施五、防止氢脆的措施1.环境因素：使氢不进入或少进入金属中环境因素：使氢不进入或少进入金属中2.力学因素：避免产生残余拉应力，最好产生残余压应力学因素：避免产生残余拉应力，最好产生残余压应力。力。3.材质因素材质因素（1）成分；（）成分；（2）强度；（）强度；（3）显微组织；）显微组织；（4）晶粒度；（）晶粒度；（5）冷变形。）冷变形。6-2 氢脆氢脆19本章完本章完20