1、金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂第六章 金屬機(jī)件在加工過(guò)程中往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力， 在服役過(guò)程中又承受外加載荷，如國(guó)與周圍環(huán) 境中各種化學(xué)介質(zhì)或氫相接觸，便會(huì)產(chǎn)生特殊 的斷裂現(xiàn)象，其中主要有應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆 斷裂等。 6.1 應(yīng)力腐蝕 6.2 氫脆6.1 應(yīng)力腐蝕一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理及斷口形貌特征三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo)四、防止應(yīng)力腐蝕的措施 一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件 1. 應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象 金屬在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂(Stress Corrosion Cracking，縮寫辦SCC)。 2. 產(chǎn)生條件 應(yīng)力、化

2、學(xué)介質(zhì)和金屬材料三者是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的條件。 應(yīng)力 在化學(xué)介質(zhì)誘導(dǎo)開(kāi)裂過(guò)程中起作用的是拉應(yīng)力。 化學(xué)介質(zhì) 只有在特定的化學(xué)介質(zhì)中，某種金屬材料才能產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。 金屬材料 一般認(rèn)為，純金屬不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，所有合金對(duì)應(yīng)力腐蝕都有不同程度的敏感性。二、應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理及斷口形貌特征 （一） 應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理 關(guān)于在應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)聯(lián)合作用下裂紋的形成和擴(kuò)展問(wèn)題，有多種理論，至今尚未得到統(tǒng)一的見(jiàn)解。下面著重介紹以 陽(yáng)極溶解為基礎(chǔ)的鈍 化膜破壞理論。如圖 6-1所示。 （二）. 應(yīng)力腐蝕斷口特征 應(yīng)力腐蝕的顯微裂紋如 圖6-2所示，常有分叉現(xiàn)象， 呈枯樹(shù)枝狀。這表明，在應(yīng) 力腐蝕時(shí)，有一主裂紋擴(kuò)展 較快

3、，其它分支裂紋擴(kuò)展較 慢。根據(jù)這一特征可以將應(yīng) 力腐蝕與腐蝕疲勞、晶間腐 蝕以及其它形式的斷裂區(qū)分 開(kāi)來(lái)。 斷口的微觀形貌丁般為沿晶斷裂，也可能為穿晶解理斷裂。其表面可見(jiàn)到“泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物(圖6-4a)及腐蝕坑(圖6-4b)。三、應(yīng)力腐蝕抗力指標(biāo) 通常用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā)生斷裂的持續(xù)時(shí)間來(lái)評(píng)定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。如圖6-5， 從而求出該種材料不 發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界 應(yīng)力，據(jù)此來(lái)研究合 金元素、組織結(jié)構(gòu)及 化學(xué)介質(zhì)對(duì)材料應(yīng)力 腐蝕敏感性的影響。 （一） 應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子Kscc 圖6-5為某種鈦合金的預(yù)制裂紋試樣在恒載荷下，于3.5%NaCl水溶液

4、中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。 試樣在特定化學(xué)介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的、最大應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng) 度因子稱為應(yīng) 力腐蝕臨界應(yīng) 力場(chǎng)強(qiáng)度因子 (或稱為應(yīng)力腐 蝕門檻值)，以 表示。sccK 對(duì)于含有裂紋的機(jī)件，當(dāng)作用于裂紋尖端的初始應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因 時(shí)，原始裂紋在化學(xué)介質(zhì)和力的共同作用下不會(huì)擴(kuò)展，機(jī)件可以安全服役。因此 為金屬材料在應(yīng)力腐蝕條件下的斷裂判據(jù)。 測(cè)定金屬材料的 值可用恒載荷或恒位移法。 其中以恒載荷的懸臂梁彎 曲試驗(yàn)法最常用。 如圖6-7所示。 sccK初KsccKsccK初K （二） 應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率da/dt 當(dāng)應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的 時(shí)，裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展。單位時(shí)間內(nèi) 裂紋的擴(kuò)展量叫做應(yīng)力腐 蝕

5、裂紋擴(kuò)展速率，用da/dt 表示。實(shí)驗(yàn)證明，da/dt 與 K有關(guān)。即 在 lg(da/dt )K坐標(biāo) 圖上，其關(guān)系曲線如圖6-7 所示。KsccKKfdtda/ 曲線可分為三個(gè)階段: 第階段 當(dāng) K 剛超過(guò) 時(shí)，裂紋經(jīng)過(guò)一段孕育期后突然加速擴(kuò)展，da/dt K曲線幾乎與縱坐標(biāo)軸平行。 第階段 曲線出現(xiàn)水平線段，da/dt 與 K 幾乎無(wú)關(guān)。因?yàn)檫@時(shí)裂紋尖端發(fā)生分叉現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展主要受電化學(xué)過(guò)程控制。 第階段 裂紋長(zhǎng)度已接近臨界尺寸，da/dt 又明顯地依賴于 K，da/dt 隨 K增大而急劇增大。這時(shí)材料進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展的過(guò)渡區(qū)。當(dāng) K 達(dá)到 時(shí)便失穩(wěn)擴(kuò)展而斷裂。 第階段時(shí)間越長(zhǎng)，材料抗應(yīng)力腐蝕

6、性能越好。 sccKsccK 四、防止應(yīng)力腐蝕的措施 從產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕條件可知，防止應(yīng)力腐蝕的措施，主要是合理選擇金屬材料，減少或消除機(jī)件中殘余拉應(yīng)力及改變化學(xué)介質(zhì)條件。 1.合理選擇金屬材料 2.減少或消除機(jī)件中的殘余拉應(yīng)力 3.改善化學(xué)介質(zhì) 4.采用電化學(xué)保護(hù) 6.2 氫脆一、氫在金屬中的存在形式二、氫脆類型及其特征三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系五、防止氫脆的措施一、氫在金屬中的存在形式 由于氫和應(yīng)力的共同作用而導(dǎo)致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂(簡(jiǎn)稱氫脆)。 金屬中氫的來(lái)源可分為“內(nèi)含的”和“外來(lái)的”兩種。前者是指金屬在熔煉過(guò)程中及隨后的加工制造過(guò)程(如

7、焊接、酸洗、電鍍等，中吸收的氫；后者則是金屬機(jī)件在服役時(shí)環(huán)境介質(zhì)中含有的氫。 氫在金屬中可以有幾種不同的存在形式。二、氫脆類型及其特征 1. 氫腐蝕 2. 白點(diǎn)（發(fā)裂） 3. 氫化物致脆 4. 氫致延滯斷裂 1. 氫腐蝕 這是由于氫與金屬中的第二相作用生成高壓氣體，使基體金屬晶界結(jié)合力減弱而導(dǎo)致金屬脆化。 對(duì)碳鋼來(lái)說(shuō)，溫度低于220時(shí)，不產(chǎn)生氫蝕。 氫蝕斷裂的宏觀斷口形貌呈氧化色，顆粒狀。微觀斷口上品界明顯加寬，呈沿晶斷裂。 2. 白點(diǎn)（發(fā)裂） 當(dāng)鋼中含有過(guò)量的氫肘，隨著溫度降低，氫在鋼中的溶解度減小。如果過(guò)飽和的氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子。此時(shí)。氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓

8、力很大足以將金屬局部撕裂，而形成微裂紋。這種微裂紋的斷面呈圓形或橢圓形，顏色為銀白色。故稱為白點(diǎn)。 圖6-9為10CrNiMoV鋼鍛材調(diào)質(zhì)后縱斷面上的白點(diǎn)形貌 3. 氫化物致脆 對(duì)于B或BV族金屬（如純鈦、鐵合金、釩、鋯、鈮及其合金）。由于它們與氫有較大的親和力，極易生成氫化物，便金屬脆化。 金屬材料對(duì)氫化物造成的氫脆敏感性隨溫度降低及機(jī)件上缺口的尖銳程度增加而增加。 氫化物的形狀和分布對(duì)金屬的變脆有明顯影響。若晶粒粗大，氫化物在晶界上呈薄片狀，極易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。危害很大，若晶粒較細(xì)，氫化物多呈塊狀不連續(xù)分布，對(duì)金屬危害不太大。4. 氫致延滯斷裂 高強(qiáng)度鋼或+鈦合金中，含有適量的處于固溶

9、狀態(tài)的氫(原來(lái)存在的或從環(huán)境介質(zhì)中吸收的)，在低于屈服強(qiáng)度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過(guò)一段孕育期后，在金屬內(nèi)部，特別是在三向拉應(yīng)力區(qū)形成裂紋，裂紋逐步擴(kuò)展，最后突然發(fā)生脆性斷裂。這種由于氫的作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象稱為氫致延滯斷裂。 這類氫脆的特點(diǎn)是： 只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強(qiáng)度鋼多 出現(xiàn)在-100150之間，而以室溫下最敏感； 提高應(yīng)變速率，材料對(duì)氫脆的敏感性降低。因此，只有在慢速加載試驗(yàn)中才能顯示這類脆性； 此類氫脆顯著降低金屬材料的斷后伸長(zhǎng)率，但含氫量超過(guò)一定數(shù)值后，斷后伸長(zhǎng)率不再變化，而斷面收縮率則隨含氫量增加不斷下降，且材料強(qiáng)度愈高，下降愈劇烈。三、鋼的氫致延滯斷裂機(jī)理 高強(qiáng)度鋼對(duì)氫

10、致延滯斷裂非 常敏感。其斷裂過(guò)程也可分為三 個(gè)階段，即孕育階段、裂紋亞穩(wěn) 擴(kuò)展階段及失穩(wěn)擴(kuò)展階段。 新裂紋與原裂紋的尖端相匯 合，裂紋便擴(kuò)展一段距離，隨后 又停止，如圖6-9a所示。 氫脆裂紋步迸式擴(kuò)展的過(guò)程 可通過(guò)圖6-9b所示的裂紋擴(kuò)展 過(guò)程中電阻的變化來(lái)證實(shí)。 四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系 應(yīng)力腐蝕與氫致延滯斷裂都是由于應(yīng)力和化學(xué)介質(zhì)共同作用而產(chǎn)生的延滯斷裂現(xiàn)象，兩者關(guān)系十分密切。圖6-13所示為鋼在特定化學(xué)介質(zhì)中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕與氫致延滯斷裂的電化學(xué)原理圖。 五、防止氫脆的措施 氫致延滯斷裂與環(huán)境因素、力學(xué)因素及材質(zhì)因素三方面有關(guān)，因此可從這三個(gè)方面來(lái)防止。 1.環(huán)境因素 2.力學(xué)因素