第七章 材料在环境介质作用下的力学性能.ppt

第 七 章 材料在环境介质作用下的 力学性能 序 金属机件在加工过程中往往产生残余应力，在服役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断裂现象，其中主要有应力腐蚀断裂和氢脆断裂等。这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很大的危险性。 随着航空航天、海洋、原子能、石油、化工等工业的迅速发展，对金属材料强度的要求越来越高，金属机件接触的化学介质的条件越加苛刻，致使上述各种断裂形式逐年增多。因此，金属材料的应力腐蚀和氢脆现象日益受到工程设计人员及材料科学工作者的重视。 本章主要阐述 1）金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征及断裂机理 2）金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标 3）防止应力腐蚀和氢脆断裂断裂的措施。 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)。 应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的，而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的断裂。其断裂强度比单个因素分别作用后再叠加起来的要低得多。 绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。在工业上最常见的有：低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”；奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”；铜合金在氨气介质中的“氨脆”；高强度铝合金在潮湿空气、蒸馏水介质中的脆裂现象等。 这些金属材料无论是韧性的或脆性的，产生应力腐蚀后都会在没有明显预兆的情况下发生脆断，常常造成灾难性事故。 2．应力腐蚀产生的条件 (1)机件所承受的应力 包括工作应力和残余应力。在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力(在压应力作用下也可产生应力腐蚀，但孕育期长，裂纹扩展速率慢)。焊接、热处理或装配过程中产生的残余拉应力，在应力腐蚀中也有重要作用。一般来说，产生应力腐蚀的应力并不一定很大，如果没有化学介质的协同作用，机件在该应力作用下可以长期服役而不致断裂。 (2)化学介质 只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。即对一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才能导致应力腐蚀。这些化学介质一般都不是腐蚀性的，至多也只是弱腐蚀性的。如果机件不承受应力，大多数金属材料在这些化学介质中是耐蚀的。 (3)金属材料 一般认为，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。但在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分。例如，铝镁合金中当镁含量大于4％时，对应力腐蚀很敏感；而镁含量小于4％时，则无论热处理条件如何，它几乎都具有抗应力腐蚀的能力。又如，钢中含碳量为0.12％左右时，应力腐蚀敏感性最大。 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 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移－溶解理论(或称钝化膜破坏理论)和氢脆理论。 对应力腐蚀敏感的合金在特定的化学介质中，首先在表面形成一层钝化膜，使金属不致进一步受到腐蚀，即处于钝化状态，因此，在没有应力作用的情况下，金属不会发生腐蚀破 新鲜表面在电解质溶液中成为阳极，而其余具有钝化膜的金属表面便成为阴极，从而形成腐蚀微电池。阳极金属变成正离子(M—M+n +ne)进入电解质中而产生阳极溶解，于是在金属表面形成蚀坑。 拉应力除促使裂纹尖端地区钝化膜破坏外，更主要的是在蚀坑或原有裂纹的尖端形成应力集中，使阳极电位降低，加速阳极金属的溶解。如果裂纹尖端的应力集中始终存在，那么微电池反应便不断进行，钝化膜不能恢复，裂纹将逐步向纵深扩展。 (二)应力腐蚀断口特征 应力腐蚀断口的宏观形貌与疲劳断口颇为相似，也有亚稳扩展区和最后瞬断区。在亚稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化现象，故常呈黑色或灰黑色。最后瞬断区一般为快速撕裂破坏。 应力腐蚀显微裂纹如图所示，常有分叉现象，呈枯树枝状。 断口的微观形貌一般为沿晶断裂型，也可能为穿晶解理断裂或准解理断裂型，有时还出现混合断裂型。其表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物(图6-3a)及腐蚀坑(图6-3b)。 三、应力腐蚀抗力指标 通常用光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断裂前的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。采用一组相同试样，在不同应力水平作用下测定其断裂时间tf，作出σ-tf曲线，从而求出该种材料不发生应力腐蚀 的临界应力σscc，据此来 研究合金元素、组织结构 及化学介质对材料应力腐 蚀敏感性的影响。 这种方法所用的试样是光滑的，所测定的断裂总时间tf包括裂纹形成与