Chapter 6 金属的应力腐蚀和氢脆断裂文档格式.docx

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应力与某种腐蚀介质共存——应力腐蚀断裂

二、应力腐蚀断裂定义及产生条件

1定义：

材料在拉应力和特定的环境介质

共同作用下，经过一段时间，所产生的低应

力脆性断裂现象，称为应力腐蚀断裂。

危害：

缓和的介质＋较小的应力

导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或

轻微腐蚀；

导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力

2应力腐蚀的特征

①造成应力腐蚀破坏的应力一般是拉应力；

实质：

压应力腐蚀破坏速度极小

②只有特定的合金成分与特定的介质相组

合才会造成应力腐蚀破坏——表6－1；

Al-Mg合金系：

WMg>

4%时

——①、②亦为产生的条件

③只有合金才产生应力腐蚀，纯金属极少。

例如：

a、氢氧化铵溶液中

纯铜————无脆化现象

含0.004%P的铜——脆化现象

b、硝酸盐中：

纯铁无脆化，工业纯铁脆化

④应力腐蚀断裂速度（10

大于工业上正常纯腐蚀速度（10

-10cm/h）远

－4－1

－5

cm/h）

三、应力腐蚀断裂机理

1钝化膜破坏机理：

（1）拉应力→引起滑移→局部保护膜破裂；

（2）阳极反应——蚀坑

M→M+ne

+n

┗裂纹产生

（3）尖端产生应力集

中，使阳极电位下降，

溶解加速——裂纹扩展

应力腐蚀断裂机理简图

2应力腐蚀断裂过程

（1）孕育阶段：

裂纹产生前

（2）裂纹亚稳扩展阶段：

裂纹缓慢扩展

（3）裂纹失稳扩展阶段：

最后的机械破坏

3断口形貌

（1）宏观形貌特征：

与疲劳断口相似，裂纹起源于表面，

有亚稳扩展区和最后瞬断区——宏观上是

脆性断裂。

（2）微观形貌特征:

a、泥状花样及腐蚀坑

b、多为沿晶断裂，少量穿晶解理断裂；

c、应力腐蚀的显微裂纹有分叉现象。

四、应力腐蚀力学性能指标

1、不发生应力腐蚀的临界应力σSCC

早期：

光滑试样，（应力＋介质）环境下，

测定σ-tf（不同应力水平-断裂时间）关系曲线

缺点：

90%tf

t裂纹形成≈90%tf

σSCC

不能真实反映

带裂纹试样

光滑试样的应力腐蚀的σ－tf关系曲线

2、应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC

采用预制裂纹的试样：

裂纹＋应力——应力场强度因子

不发生应力腐

蚀的最大应力

场强度因子

——KISCC

某种钛合金预制裂纹试样的KI－tf曲线

引入：

应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC

（1）定义：

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，也称为应

力腐蚀门槛值。

（2）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度。

一定的材料与介质，KISCC值恒定。

——力学性能指标，

（3）断裂判据：

①裂纹尖端KI初始≥KIC时，立即断裂。

┗断裂判据

②当KISCC<

KI初始<

KIC时，

随KI初始↓，断裂时间↑。

③KI初始<

KISCC时，不断裂

（4）KISCC测定方法：

①预制裂纹试样＋化学介质，

②在恒定载荷（拉伸应力）下，测定发生断

裂时间与初始应力场强度因子（KI初始）的关系;

③施加不同的载荷F，使裂纹前端产生不同

大小的初始应力场强度因子KI,

→KI初始－tf曲线。

五、预防应力腐蚀断裂的措施

1、消除或减少机件中的残余拉应力。

（1）退火消除残余应力。

（2）改变应力状态：

采用喷丸、表面热处理——表面压应

力；

构件结构的改进——减小应力集中

2、改善介质条件：

消除或减少助长应力腐蚀开裂的有害

化学离子。

离子交换法、添加缓冲剂等。

3、合理选材：

根据介质，避开敏感合金（表6－1）

4、采用电化学保护

外加电位，使偏离腐蚀电位

第二节氢脆

钝化膜破坏机理

——阳极反应敏感型应力腐蚀

两极反应：

原子态氢：

溶入钢中会

阳极：

Fe→Fe

阴极：

H

+

＋e→H；

2H→H2↑引起脆性

2＋

＋2e

故：

阴极反应是否引起脆性取决于溶入金属的

原子态氢数量、扩散能力、基体受力状况等

阴极反应引起脆性时

┗阴极反应敏感型应力腐蚀

a应力腐蚀断裂b氢致延滞断裂

一、氢脆概念

由于氢和应力的共同作用而导致金属材料

产生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂（氢脆）。

类型：

氢蚀、

白点（发裂）、

氢化物致脆

氢致延滞断裂

类型

脆化机制

氢蚀氢与材料中第二相反应生成高压

气体（例：

钢中氢与碳化物生成

CH4），气体在晶界聚集造成脆性。

白点过饱和氢在金属中偏聚形成氢

气，体积膨胀引起大的内应力，

导致微裂纹，裂纹断面呈银白色

椭圆状。

（发裂）

氢脆类型及脆化机制

氢化物致氢和金属原子形成脆性氢化物。

脆

氢致延滞含一定量固溶态氢的金属，在低于材料

断裂屈服强度的应力持续作用下，经过一段

孕育期后，在金属内部尤其是三向拉应

力区形成裂纹、裂纹逐步扩展、最后突

然脆性断裂的现象。

二、氢致延滞断裂产生机理：

当原子态氢结合成H2受阻时，原子态H

进入金属，氢在刃型位错处聚集，形成氢

气团

拉应力下，位错运动→氢气团钉扎

作用→应变硬化

位错运动受阻→位错塞积，氢原子

聚集→产生应力集中→产生裂纹→扩展→

断裂→氢脆。

三、氢致延滞断裂的特点

（1）对应变速度敏感

变形速度愈慢，脆性发展愈明显；

静载荷能够反映氢的影响，而标准拉伸

试验速度下不呈现脆性。

——对应变速度的敏感性是氢脆区别于其它

脆性的明显标志之一。

——提高应变速度可降低材料对氢脆敏感度

（2）对温度敏感

只在一定温度范围内出现。

高强度钢：

－100～150℃，尤室温敏感

——氢脆区别于其它脆性的标志之二。

（3）具可逆性

有氢脆的材料通过调整温度、脱氢或冲

氢处理、应变速率的调整，可使氢脆现象消

除或重现。

——但是已产生微裂纹的无法恢复

形变速率与温度的综合作用：

形变速率↑，则出现氢脆的温度↑，这

是由于↑温度才能使H的扩散速率跟上位错的

运动速度，从而起到“钉扎”作用。

——氢脆对温度、应变速率敏感的原因

四、预防氢脆的措施

与预防应力腐蚀断裂的措施相似：

残余应力的控制；

表面涂层、添加抑制剂；

特殊：

钢强度等级的控制

——强度越高，对氢脆越敏感