1主講人:張寧2一、應(yīng)力腐蝕二、氫脆第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂3金屬機件在加工過程往往產(chǎn)生殘余應(yīng)力，在服役過程中又承受外加載荷，如果與周圍環(huán)境中各種化學介質(zhì)或氫相接觸，便會產(chǎn)生特殊的斷裂現(xiàn)象，其中主要是應(yīng)力腐蝕斷裂和氫脆斷裂等，這些斷裂形式大多為低應(yīng)力脆斷，具有很大的危險性。本章將闡述金屬材料應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂特征及斷裂機理，介紹金屬材料抵抗應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂的力學性能指標及防止其斷裂的措施。第六章金屬的應(yīng)力腐蝕和氫脆斷裂4一、應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象及其產(chǎn)生條件1.應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象定義：金屬在拉應(yīng)力和特定的化學介質(zhì)共同作用下，經(jīng)過一段時間后所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆斷現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕斷裂（StressCorrosionCracking,SCC）。應(yīng)力腐蝕斷裂并不是金屬在應(yīng)力作用下的機械性破壞與化學介質(zhì)作用下的腐蝕性破壞的疊加造成的，而是在應(yīng)力和化學介質(zhì)的聯(lián)合作用下，按特有機理產(chǎn)生的斷裂，其斷裂強度比單個因素分別作用后再迭加起來的要低得多。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕52.產(chǎn)生條件（1）應(yīng)力在化學介質(zhì)誘導開裂過程中起作用的是拉應(yīng)力，焊接、裝配過程中產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力在應(yīng)力腐蝕中也有重要作用。一般產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的應(yīng)力并不大，如果沒有化學介質(zhì)的協(xié)同作用，機件可在該應(yīng)力下長期服役而不斷裂。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕6（2）化學介質(zhì)（3）金屬材料第一節(jié)應(yīng)力腐蝕7二、應(yīng)力腐蝕斷裂機理及斷口形貌特征（一）應(yīng)力腐蝕斷裂機理應(yīng)力腐蝕斷裂最基本的機理是滑移溶解理論（或稱鈍化膜破壞理論）和氫脆理論。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕8（二）宏觀腐蝕斷口特征宏觀特征與疲勞斷口相似，也有亞穩(wěn)擴展區(qū)和最后瞬斷區(qū)。在亞穩(wěn)擴展區(qū)可見到腐蝕產(chǎn)生和氫化現(xiàn)象，可以呈黑色或灰黑色，具有脆性特征。最后瞬斷區(qū)一般為快速撕裂破壞，顯示出基體材料的特性。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕9斷口形貌：一般為沿晶斷裂，也可為穿晶解理斷裂或準解理斷裂，表面可看到“泥狀花樣”的腐蝕產(chǎn)物。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕10三、應(yīng)力腐蝕抗力指標通常用光滑試樣在拉應(yīng)力和化學介質(zhì)共同作用下，依據(jù)發(fā)生斷裂的持續(xù)時間來評定金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能。測試過程：采用一組相同試樣，在不同應(yīng)力水平作用下測定其斷裂時間tf，作出σ-tf曲線。從而求出該種材料不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的臨界應(yīng)力σscc，據(jù)此來研究合金元素、組織結(jié)構(gòu)及化學介質(zhì)對材料應(yīng)力腐蝕敏感性的影響。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕11根據(jù)斷裂力學原理，人們利用預制裂紋的試樣，引入應(yīng)力場強度因子KI的概念來研究金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕性能，得到了兩個重要的應(yīng)力腐蝕抗力指標，即應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCC和應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt，這兩個指標可用于機件的選材和設(shè)計。（一）應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子KISCC試驗表明：在恒定載荷和特定化學介質(zhì)作用下，帶有預制裂紋的金屬試樣，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的時間與初始應(yīng)力場強度因子KI初有關(guān)。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕12人們將試樣在特定化學介質(zhì)中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的最大應(yīng)力場強度因子稱為應(yīng)力腐蝕臨界應(yīng)力場強度因子（或稱為應(yīng)力腐蝕門檻值），以KISCC表示。測定金屬材料的KISCC值可用恒載荷法或恒位移法。以恒載荷法的懸臂梁彎曲試驗法最常用，所用試樣與測定的KIC的三點彎曲試樣相同。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕13試樣的一端固定在機架上，另一端與力臂相連，力臂端并沒有通過砝碼進行加載，試樣穿在溶液槽中，使預制裂紋沉浸在化學介質(zhì)中。整個試驗過程中載荷恒定，所以隨著裂紋擴展，裂紋尖端的KI增大：第一節(jié)應(yīng)力腐蝕14試樣實驗時必須制備一組尺寸相同的試樣，每個試樣承受不同的恒定載荷F，使裂紋尖端產(chǎn)生不同大小的KI初，記錄試樣在各種KI初作用下的斷裂時間tf，曲線水平部分對應(yīng)的KI初就是材料的KISCC。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕15（二）應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率da/dt當應(yīng)力腐蝕裂紋尖端的KI>KISCC時，裂紋就會不斷擴展。單位時間內(nèi)裂紋的擴展量就稱為應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率，da/dt。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕16四、防止應(yīng)力腐蝕的措施(1)合理選擇金屬材料針對機件所受應(yīng)力和接觸的化學介質(zhì)，選用耐應(yīng)力腐蝕的金屬材料，這是一個基本原則。例如：銅對氨的應(yīng)力腐蝕敏感性很高，因此，接觸氨的機件就應(yīng)避免使用銅合金。(2)減少或消除機件中的殘余拉應(yīng)力殘余拉應(yīng)力是產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的重要原因，主要是由于金屬機件的設(shè)計和加工工藝不合理產(chǎn)生。因此，應(yīng)盡量減少機件上的應(yīng)力集中效應(yīng)，加熱和冷卻均勻。必要時采用退火工藝消除應(yīng)力。如果能采用噴丸或其它表面處理方法，使機件表層中產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，則更為有效。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕17(3)改善化學介質(zhì)一方面設(shè)法減少和消除促進應(yīng)力腐蝕開裂的有害化學離子，如通過水凈化處理，降低冷卻水與蒸汽中的氯離子含量，對預防奧氏體不銹鋼十分有效。另一方面可在化學介質(zhì)中添加緩蝕劑，如在高溫水中加入一定量的磷酸鹽，可使鉻鎳奧氏體不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕性能大大提高。(4)采用電化學保護由于金屬在化學介質(zhì)中只有在一定的電極電位范圍內(nèi)才會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象，因此，采用外加電位的方法，使金屬在化學介質(zhì)中的電位遠離應(yīng)力腐蝕敏感電位區(qū)域，也是防止應(yīng)力腐蝕的一種措施。第一節(jié)應(yīng)力腐蝕18定義：由于氫與應(yīng)力的共同作用而導致金屬材料產(chǎn)生脆性斷裂的現(xiàn)象，稱為氫脆斷裂，簡稱氫脆。一、氫在金屬中的存在形式：第二節(jié)氫脆內(nèi)部氫脆與環(huán)境氫脆氫脆可分成兩大類：第一類為內(nèi)部氫脆，它是由于金屬材料在冶煉、鍛造、焊接或電鍍、酸洗過程中吸收了過量的氫氣而造成的；第二類氫脆稱為環(huán)境氫脆，它是在應(yīng)力和氫氣氛或其它含氫介質(zhì)的聯(lián)合作用下引起的一種脆性斷裂，如貯氫的壓力容器中出現(xiàn)的高壓氫脆。19一、氫在金屬中的存在形式：(1)一般氫以間隙原子狀態(tài)固溶在金屬中，其溶解度隨溫度降低而降低；(2)擴展聚集在較大的缺陷（如空洞、氣泡、裂紋等）處，以氫分子存在；(3)與一些過渡族、稀土或堿土金屬元素作用生成氫化物，(4)與金屬中的第二相作用生成氣體產(chǎn)物，如鋼中的H可與滲碳體中的碳作用形成甲烷等。第二節(jié)氫脆20二、氫脆類型及其特征氫脆對金屬性能的影響都是有害的，由于氫在金屬中存在的狀態(tài)不同以及氫與金屬交互作用性質(zhì)的不同，氫可通過不同的機件使金屬脆化，因而氫脆的種類很多。第二節(jié)氫脆常見的幾種氫脆及其特征：1.氫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)合力減弱而導致金屬脆化。這種氫脆現(xiàn)象的斷裂源產(chǎn)生在機件與高溫、高壓氫氣相接觸的部位。對碳鋼來說，低于220℃時不發(fā)生氫蝕。

4[H]+[C]=CH4

212.白點（發(fā)裂）當鋼中含有過量的氫時，隨著溫度降低氫在鋼中的溶解度減小。如果過飽和的氫未能擴散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成H2分子。此時，氫的體積發(fā)生急劇膨脹，內(nèi)壓力很大足以將金屬局部撕裂，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，所以稱為白點。第二節(jié)氫脆223.氫化物致脆對于IVB族或VB族金屬（如鈦、α-鈦合金、

Ni、V、Zr、Nd及其合金），由于與H有較大的親和力，容易生成脆性氫化物，使金屬脆化。4.氫致延滯斷裂高強度鋼或鈦合金中，含有適量的處于固溶狀態(tài)的氫，在低于屈服強度的應(yīng)力持續(xù)作用下，經(jīng)過一段時間孕育后，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，工程上的氫脆多為此類。第二節(jié)氫脆23(1)只在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)，如高強度鋼多出現(xiàn)在-100~150℃之間，在室溫下最敏感。(2)提高應(yīng)變速率，材料對氫脆的敏感性降低，因此，只有在慢速加載試驗中才能顯示這類脆性。(3)可顯著降低金屬材料的斷后伸長率，但含氫量超過一定數(shù)值后，斷后伸長率不再變化。(4)高強度鋼的氫致延滯斷裂還具有可逆性。即鋼材經(jīng)低應(yīng)力慢速應(yīng)變后，由于氫脆使塑性降低。如果卸除載荷，停留一段時間再進行高速加載，則鋼的塑性可以得到恢復，氫脆現(xiàn)象消除。氫致延滯斷裂特點：第二節(jié)氫脆24三、鋼的氫致延滯斷裂機理鋼的表面單純吸附氫原子是不會產(chǎn)生氫脆的，氫必須進行α-Fe晶格中并偏聚到一定濃度后才能形成裂紋。因此，由環(huán)境介質(zhì)中的氫引起氫致延滯斷裂必須經(jīng)過三個步驟：氫原子進入鋼中、氫在鋼中的遷移和氫的偏聚。這三個步驟都需要時間，這就是氫致延滯斷裂的孕育階段。第二節(jié)氫脆25由于氫使晶格膨脹，所以拉應(yīng)力將促進氫的溶解。在外加應(yīng)力作用下，金屬中已形成裂紋的尖端是三向拉應(yīng)力區(qū)，因而氫原子易于通過位錯運動向裂紋尖端區(qū)域聚集。氫原子一般偏聚在裂紋尖端塑性區(qū)與彈性區(qū)的界面上，當偏聚濃度再次達到臨界值時，便使這個區(qū)域明顯脆化而形成新裂紋。新裂紋與原裂紋的尖端相匯合，裂紋便擴展一段距離，隨后又停止，見右圖(a)。以后是再孕育、再擴展，最后，當裂紋經(jīng)亞穩(wěn)擴展達到臨界尺寸時便失穩(wěn)擴展而斷裂。因此，氫致延滯斷裂的擴展方式是步進式，這是與應(yīng)力腐蝕裂紋漸進式擴展方式不同的。第二節(jié)氫脆26四、氫致延滯斷裂與應(yīng)力腐蝕的關(guān)系兩者的區(qū)別在于應(yīng)力腐蝕為陽極溶解過程（圖a），形成所謂的陽極活性通道而使金屬開裂；而氫致延滯斷裂是陰極吸氫過程。一般采用極化試驗方法來判斷具體合金-化學介質(zhì)系統(tǒng)的斷裂究竟屬于哪種斷裂類型：當外加小的陽極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時間的是應(yīng)力腐蝕（圖c），當外加小的陰極電流而縮短產(chǎn)生裂紋時間的是氫致延滯斷裂（圖d）。第二節(jié)氫脆27第二節(jié)氫脆28第二節(jié)氫脆29第二節(jié)氫脆30五、防止氫脆的措施1.環(huán)境因素設(shè)法切斷氫進入金屬的途徑，或者控