第--章-应力腐蚀优秀文档

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,7,章 应力作用下的腐蚀,应力腐蚀断裂,7.2,金属的氢脆和氢损伤,7.4,腐蚀疲劳,7.5,腐蚀磨损,7.3,晶须增强铝复合材料应力腐蚀行为的研究,7.1,应力腐蚀断裂,应力腐蚀普遍而历史悠久的现象,古代波斯王国青铜少女头像上具有,SCC,现象,黄铜弹壳开裂、黄铜冷凝管,SCC,现象,蒸汽机车锅炉碱脆,铝合金在潮湿大气中的,SCC,；,奥氏体不锈钢的,SCC,；,含,S,的油、气设备出现的,SCC,；,航空技术中出现的钛合金的,SCC,腐蚀领域研究最多的课题应力腐蚀开裂,问题引出,工程结构失效的重要原因,一,.,应力腐蚀断裂产生的条件及特征,必须有应力，拉伸应力越大，则断裂所需的时间越短。断裂所需应力，一般低于材料的屈服强度,腐蚀介质是特定的，只有某些金属介质的组合，才会发生应力腐蚀断裂,断裂速度介于无应力时的腐蚀速度及单纯力学因素引起的断裂速度,拉伸应力来源：,残余应力加工、冶炼、装配过程中产生的,外应力及工作所承受的载荷,体积效应所造成的不均匀应力,7.1,应力腐蚀断裂,应力力学因素,应力,应力在特定破裂体系中起以下作用,应力引起塑性变形；,应力使腐蚀产生的裂纹向纵深扩展,应力使能量集中于局部,工作应力,残余应力,热应力,结构应力,应力力学因素,7.1,应力腐蚀断裂,凡是能促使钝化膜不稳定的电势区域，都易产生应力腐蚀断裂,在活化钝化以及钝化再活化过渡区的很窄电位区内容易发生应力腐蚀,晶界吸附晶界偏聚,晶界沉淀过饱和固溶体脱溶沉淀时，在晶界择优不均匀长大,位错与金属结构交互作用,表面膜对位错运动的影响,7.1,应力腐蚀断裂,腐蚀电化学因素,金属断裂金属学因素,孕育期，因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果使裂纹形核,腐蚀裂纹扩展期，裂纹形核后，在腐蚀介质和拉应力共同作用下扩展,失稳断裂，由于拉应力局部集中，裂纹急剧生长导致零件破坏,7.1,应力腐蚀断裂,二,.,应力腐蚀过程的三个阶段,三,.,应力腐蚀机理,快速溶解理论裂尖形变，位错连续到达；裂纹的前沿是阳极区,表面膜破裂理论位错沿滑移面产生滑移，形成滑移台阶；表面膜不能变形,电化学阳极溶解 自催化理论腐蚀优先沿已存在的阳极溶解活化通道进行,氢脆理论氢扩散到裂纹尖端，局部区域脆化，裂尖溶液酸化，氢析出提供可能,吸附理论环境中的侵蚀性物质吸附在金属表面，削弱金属原子间的结合力,金属应力腐蚀开裂,MSCC,7.1,应力腐蚀断裂,四,.,应力腐蚀试验方法,1.,恒载荷试验,I,型及,II,型,2.,恒应变试验,C,环,3.,预制裂纹试验,双悬臂梁,4.,慢应变速率拉伸试验,应力腐蚀开裂模型,钛合金在水溶液中的应力腐蚀,钛合金在水溶液中的应力腐蚀,SEM micrographs showing the crack tip microstructure of the normal specimen(a)the microstructure of the crack tip after loading and(b)the microstructure of the blunted crack tip,2 金属的氢脆和氢损伤,外应力及工作所承受的载荷,2 金属的氢脆和氢损伤,晶界沉淀过饱和固溶体脱溶沉淀时，在晶界择优不均匀长大,吸附理论环境中的侵蚀性物质吸附在金属表面，削弱金属原子间的结合力,减小析氢腐蚀敏感性的途径,铝合金在潮湿大气中的SCC；,在活化钝化以及钝化再活化过渡区的很窄电位区内容易发生应力腐蚀,工程结构失效的重要原因,2 金属的氢脆和氢损伤,残余应力加工、冶炼、装配过程中产生的,弱键理论导致原子间结合力下降,在应力作用下，点蚀坑处优先发生滑移，形成滑移台阶,凡是能促使钝化膜不稳定的电势区域，都易产生应力腐蚀断裂,应力腐蚀,一,.,黄铜的应力腐蚀,现象：弹壳破裂,机理：锌在黄铜晶界上的富集形成阳极,原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂,通过退火消除应力,通过表面镀层,应力腐蚀,二,.,高强度铝合金的应力腐蚀,现象：沿晶界腐蚀,机理：析出相及固溶体为阴极，纯铝为阳极,原因：析出相使晶间结合强度降低，腐蚀加速晶间破裂,铝锌及铝镁硅合金中加入铬,可大大提高应力腐蚀敏感性,提高了晶界电位，降低了晶界腐蚀趋势,提高再结晶温度，避免晶界软化,氢损伤（氢脆）指由于氢的存在或氢与材料相互作用，引起材料脆化，导致材料力学性能变坏的现象,晶界沉淀过饱和固溶体脱溶沉淀时，在晶界择优不均匀长大,残余应力加工、冶炼、装配过程中产生的,凡是能促使钝化膜不稳定的电势区域，都易产生应力腐蚀断裂,钛合金在水溶液中的应力腐蚀,（2）氢鼓泡由于氢进入金属内部而产生,若引起孔蚀增多，降低应力集中，将改善耐腐蚀疲劳性,快速溶解理论裂尖形变，位错连续到达；,电化学阳极溶解 自催化理论腐蚀优先沿已存在的阳极溶解活化通道进行,吸附氢降低表面能理论裂尖吸附氢，使表面能下降,2 金属的氢脆和氢损伤,氧含量提高，降低了阴极极化，腐蚀疲劳寿命降低。,随交变应力幅度增加，腐蚀速度增加，裂纹易于扩展,氢脆只在一定的温度和形变速度范围内发生解释可逆氢脆,提高了晶界电位，降低了晶界腐蚀趋势,孕育期，因腐蚀过程的局部化和拉应力作用的结果使裂纹形核,应力腐蚀,三,.,钛合金的应力腐蚀,钛合金在水溶液中的应力腐蚀,钛合金有机溶液中的应力腐蚀,钛合金在热盐中的应力腐蚀,钛合金在气体介质中的应力腐蚀,穿晶及沿晶混合型应力腐蚀,在材料加负载前内部存在某种氢脆源，在应力作用下加快裂纹的形成及扩展，造成金属永久性损伤。,氢脆和应力腐蚀在产生原因和机理上的区别,处于固溶状态的氢合金，在慢速变形情况下产生的脆性断裂，对应力可逆。,阳极过程的SCC可因阴极防护而停止，,若引起孔蚀增多，降低应力集中，将改善耐腐蚀疲劳性,提高了晶界电位，降低了晶界腐蚀趋势,随交变应力幅度增加，腐蚀速度增加，裂纹易于扩展,氢分子在晶界等内部缺陷处聚集,该腐蚀在机械磨损与氧化腐蚀的共同作用下。,腐蚀介质是特定的，只有某些金属介质的组合，才会发生应力腐蚀断裂,腐蚀领域研究最多的课题应力腐蚀开裂,第7章 应力作用下的腐蚀,提高再结晶温度，避免晶界软化,应力腐蚀,四,.,不锈钢的应力腐蚀,现象：,NaCl,及高温水中,机理：阳极溶解型,在应力的协同作用下，加速金属内活化区的溶解而导致断裂的机理,应力腐蚀,五,.,高强钢的应力腐蚀,现象：海水及硫化物破裂,机理：环境氢脆,原因：氢渗入材料内部,一,.,氢的来源及在金属中的存在形式,7.2,金属的氢脆和氢损伤,氢的来源：内氢，外氢,（,1,）,H,2,S,等与金属接触，氢分子通过物理化学吸附在金属表面，分解产生活化氢原子,（,2,）水溶液腐蚀时析出氢，水化质子在金属表面上分解成原子氢,（,3,）含氢物质与金属表面发生反应放出氢,2.,氢的存在形式,（,1,）化合物 氢在金属中，如超过固溶度，可形成三类化合物,氢分子在晶界等内部缺陷处聚集,氢化物钢中,Fe3C,在高温高压的氢气中，分解成,CH4,；,TiHx,氢气团氢与位错结合,（,2,）固溶体 氢以三种形态固溶于金属中增加原子间斥力，导致晶格力降低,氢损伤（氢脆）指由于氢的存在或氢与材料相互作用，引起材料脆化，导致材料力学性能变坏的现象,二,.,氢脆和氢损伤类型,7.2,金属的氢脆和氢损伤,第一类氢脆,在材料加负载前内部存在某种氢脆源，在应力作用下加快裂纹的形成及扩展，造成金属永久性损伤。其敏感性随应变速率增高而增高,（,1,）氢腐蚀高温高压下，氢进入金属，产生化学反应,钢中,C,与,H2,反应生成甲烷，造成表面严重脱,C,，使材料强度大大降低。甲烷不能通过扩散逸出，在晶界夹杂处形成,CH4,气泡。使金属失去力学性能,（,2,）氢鼓泡由于氢进入金属内部而产生,金属内的原子氢在金属的夹杂物、气孔、微缝隙等处形成分子氢，产生很高的氢压，导致金属鼓泡，并形成内部裂纹,（,3,）氢化物,氢与,Ti,、,Zr,、,Nb,等金属亲和力较大，易形成金属的氢化物，导致材料脆断,2.,第二类氢脆,在材料加负载前并不存在断裂源，而是在应力作用下由于氢与应力的交互作用逐步形成断裂源而导致脆性断裂，其敏感性随应变速率增高而降低,（,1,）不可逆氢脆,含有过饱和状态氢的合金在应力作用下析出氢化物而导致断裂，应力不可逆,（,2,）可逆氢脆,处于固溶状态的氢合金，在慢速变形情况下产生的脆性断裂，对应力可逆。,过程：,金属中的氢在应力梯度作用下向高的三向拉应力处富集，当偏聚氢浓度达到临界值时，便会在应力场的联合作用下导致开裂,7.2,金属的氢脆和氢损伤,二,.,氢脆和氢损伤类型,7.2,金属的氢脆和氢损伤,二,.,氢脆和氢损伤类型,第二类氢脆,（,2,）可逆氢脆,特点：,是一种滞后破坏，在上、下临界应力之间作用时，金属发生滞后破坏,温度的影响：发生在,100,150,，室温,-30,30,氢脆最敏感,材料强度的影响：材料的抗拉强度越大，氢脆越敏感,应变速率的影响：形变速度越小，氢脆越敏感，当应变速率大于某一值时，氢脆可完全消失,含氢量的影响：含氢量增加，下限临界应力值降低,对延伸率影响较小，对断面收缩率影响较大,其裂纹扩展不连续，裂纹源一般不在表面，裂纹较少有分枝现象,7.2,金属的氢脆和氢损伤,氢脆和应力腐蚀在产生原因和机理上的区别,SCC,扩展是由于裂尖的阳极溶解，其扩展途径既可以是合金内部已存在的活性通道，也可是裂纹前沿因塑性变形而形成的活性区；,阴极反应消耗电子，释放氢，除了对阳极过程所产生的电子起作用外，对应力腐蚀裂纹的扩展并不产生直接影响,HE,是由于合金在阴极区吸收了阴极反应产物氢原子，诱导氢脆而产生开裂和扩展的；,阳极过程仅提供电子而对氢脆不产生影响,阳极过程的,SCC,可因阴极防护而停止，,阴极过程的,HE,可因阳极保护而不在进行,7.2,金属的氢脆和氢损伤,三,.,氢脆机理,应力腐蚀过程是否发生氢致开裂，涉及,3,个问题：,阴极反应是否析氢？,所析出的氢能否进入金属？进入多少？,氢进入金属后如何引起开裂？,阴极析氢包括几个步骤,析出的氢易于从裂纹尖端的新鲜表面进入金属，但进入的量既取决于腐蚀量（总的析氢量），也与逸出氢气泡的过程有关,通过机理解释第三个问题,三,.,氢脆机理,7.2,金属的氢脆和氢损伤,氢压理论氢超过固溶度后析出，在结合氢分子处产生较高的氢压,弱键理论导致原子间结合力下降,吸附氢降低表面能理论裂尖吸附氢，使表面能下降,氢气团钉扎理论,四,.,减小析氢腐蚀敏感性的途径,含氢金属在形变过程中，有可能形成,Cottrell,气团，并伴随位错运动，位错对其起钉扎作用，外力作用下产生新位错，才能继续塑性变形。,运动着的位错及氢气团遇到晶界，就会产生位错塞积及氢气聚集，应力足够大，位错塞积处形成裂纹，以致开裂。,氢脆只在一定的温度和形变速度范围内发生解释可逆氢脆,Relationship between fracture elongation and the time of hydrogen charging,Dependence of rate of crack propagation on K,I,Journal of Materials Science Letter,裂纹尖端存在塑性变形,裂纹尖端脆化,SEM micrographs showing the crack tip microstructure of the normal specimen(a)the microstructure of the crack tip after loading and(b)the microstructure of the blunted crack tip,Journal of Materials Science Letter,一,.,产生条件,金属在交变应力（或循环应力）和腐蚀介质的联合作用下引起的破坏,可在大多数水介质中产生,不需金属环境的特殊配合，更具有普遍性,二,.,形成机理