[工学]10环境介质作用下的金属力学性能.ppt

（1）应力 在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力，焊接、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。 一般产生应力腐蚀的应力并不大，如果没有化学介质的协同作用，机件可在该应力下长期服役而不断裂。 （2）化学介质 （3）金属材料 根据断裂力学原理，利用预制裂纹的试样，引入应力场强度因子KI的概念来研究金属材料的抗应力腐蚀性能。两个重要的应力腐蚀抗力指标：应力腐蚀临界应力强度因子KI SCC应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt这两个指标可用于机件的选材和设计。 试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力强度因子称为应力腐蚀临界应力强度因子（应力腐蚀门槛值）。 测定方法：恒载荷法或恒位移法。 以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用，所用试样与测定的KIC的三点弯曲试样相同。 试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相连，力臂端并通过砝码进行加载，试样穿在溶液槽中，使预制裂纹沉浸在化学介质中。 试验过程中载荷恒定，随着裂纹扩展，裂纹尖端的KI增大： 制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同的恒定载荷F，使裂纹尖端产生不同大小的KI初，记录试样在各种KI初作用下的断裂时间tf， 曲线水平部分对应的KI初就是材料的KISCC。 当钢中含有过量的氢时，如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成H2分子。 氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，形成微裂纹。 这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。 由于氢原子很小，氢很容易在各种金属与合金的 晶格中移动。 氢的渗入对金属与合金的性能产生许多有害的影响，只须极少量的氢如0.0001%(质量分数)即可导致金属变脆。 氢脆或氢致断裂(HE或HIC)：在氢和应力的共同作用而导致材料产生脆性断裂的现象。 10.3 氢 脆 金属中的氢 1）氢的来源： * 内含的氢: 材料在冶炼、热加工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程中吸收的氢。 * 外来的氢：材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境中服役时从含氢环境介质中吸收的氢。 10.3 氢 脆 金属中的氢 2）氢的存在形式： * 氢以间隙原子状态、固溶在金属中形成固溶体。 在室温下氢在一般金属中的溶解度很低，约为 10-9 ~ 10-10。氢在固溶体中的分布是不均匀的，常在各种缺陷处富集。 * 与一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物，或与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的H可与渗碳体中的碳作用形成甲烷等。 * 以氢分子状态存在，扩展聚集在较大的缺陷（如空洞、气泡、裂纹等）处，形成内部空洞或表面“白点” 。 10.3 氢 脆 10.3.1 氢脆的类型及特征 （一）内部氢脆与环境氢脆 内部氢脆，它是由于金属材料使用前因为冶炼、锻造、焊接或电镀、酸洗过程中吸收了过量的氢气而造成的； 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，如贮氢的压力容器中出现的高压氢脆。 这样的环境通常有(1)在纯氢气氛中(有少量的水分，甚至干氢)由分子氢造成氢脆；(2)由氢化物致脆；(3)由H2S致脆；(4)高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆。 10.3 氢 脆 10.3.1 氢脆的类型及特征 （二）第一类氢脆与第二类氢脆 （白点、氢蚀、氢化物致脆） 10.3 氢 脆 可逆性氢脆 不可逆氢脆 （三）氢脆的特征 10.3 氢 脆 10.3.1 氢脆的类型及特征 高强度钢或钛合金中，含有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，经过一段时间孕育后，在金属内部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突然发生脆性断裂。 由于氢的扩散需要一定的时间，加载后要经过一定时间才断裂，这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂（延滞氢脆、可逆氢脆），工程上的氢脆多为此类。 10.3 氢 脆 10.3.2 可逆氢脆 在氢气氛作用下，材料发生延滞断裂的时间与应力场强度因子KI有关。随KI值降低，断裂时间延长；当K1降低到某一临界值Kth时，材料便不会产生断裂，临界值Kth就叫门槛值。 10.3 氢 脆 10.3.2 可逆氢脆 10.3 氢 脆 10.3.2 可逆氢脆 延滞氢脆的特点 10.3 氢 脆 10.3.2 可逆氢脆 延滞氢脆的特点 评价指标： 1）临界应力σc 对光滑试样，加上一定的应力， 并在相同的电流密度下动态充氢，然后测定试样发生氢致滞后断裂的时间，建立σ-t曲线，从而确定氢致滞后断裂的临界应力σc。 研究氢脆的试验方法，与应力腐蚀基本相同。 10.3 氢 脆 10.3.2 可逆氢脆 评价指标： 2）裂纹扩展速率 对预裂纹试样，可在电解阴极充氢或