1、第十二章 疲勞與斷裂,在特定外界條件下工作的構(gòu)件，雖然所受應(yīng)力低于材料屈服強(qiáng)度，但服役一定時(shí)間后，也可能發(fā)生突然脆斷。這種與時(shí)間有關(guān)的低應(yīng)力脆斷稱為延滯斷裂。 外界條件可以是應(yīng)力，如交變應(yīng)力；也可以是環(huán)境介質(zhì)，如腐蝕介質(zhì)、氫氣氛或熱作用等。 由交變應(yīng)力引起的延滯斷裂，就是疲勞斷裂； 而在靜載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下引起的延滯斷裂，叫做靜載延遲斷裂，或稱靜疲勞； 疲勞與斷裂是材料、構(gòu)件和機(jī)械最常見的失效方式，約占構(gòu)件全部失效的5090。,12.1 疲勞 12.2 低溫?cái)嗔雅c疲勞 12.3 高溫蠕變與疲勞 12.4 環(huán)境斷裂氫脆,12.1 疲 勞,一、疲勞概念 1、疲勞 2、疲勞失效的特點(diǎn) 二、疲勞裂紋

2、擴(kuò)展的物理模型 1、疲勞失效過(guò)程 2、幾種物理模型 3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征,一、疲勞概念,1、疲勞 材料或構(gòu)件在交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞破壞或疲勞失效。 影響構(gòu)件疲勞行為的因素很多，可以分為四類：材料、外載荷、環(huán)境條件和構(gòu)件的形狀和尺寸。 按外載荷的大小，疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞。對(duì)于金屬材料，通常把疲勞失效周次Nf104105的疲勞稱為高周疲勞，反之稱為低周疲勞；,若每個(gè)周期內(nèi)的載荷參量不隨時(shí)間而變化，稱為恒幅疲勞，否則則為變幅疲勞； 由變動(dòng)的外載荷與腐蝕介質(zhì)共同作用的疲勞為腐蝕疲勞； 溫度高于再結(jié)晶溫度或高于(0.50.6)Tm時(shí)的疲勞，屬于高溫疲勞，Tm為金

3、屬的熔點(diǎn)； 由于溫度的變化形成的變動(dòng)熱應(yīng)力引起的疲勞，稱為熱疲勞； 低溫影響材料的疲勞行為，還沒有關(guān)于低溫疲勞的確切定義； 應(yīng)變速率大于102/s的疲勞問(wèn)題屬于沖擊疲勞。,2、疲勞失效的特點(diǎn) (1) 疲勞斷裂表現(xiàn)為低應(yīng)力下的破壞斷裂 疲勞失效在遠(yuǎn)低于材料的靜載極限強(qiáng)度甚至遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度下發(fā)生。 (2) 疲勞破壞宏觀上無(wú)塑性變形 與靜載荷作用下材料的破壞相比，具有更大的危險(xiǎn)性 。 (3) 疲勞是與時(shí)間有關(guān)的一種失效方式，具有多階段性 疲勞失效過(guò)程是累積損傷的過(guò)程。由交變應(yīng)力(應(yīng)變)作用引起的損傷是隨著載荷次數(shù)逐次增加的，如圖12.3所示 :,圖12.3 碳鋼的疲勞積累損傷曲線,(4) 與單向

4、靜載斷裂相比，疲勞失效對(duì)材料的微觀組織和缺陷更加敏感 這是因?yàn)槠谟袠O大的選擇性，幾乎總是在構(gòu)件材料表面的缺陷處發(fā)生。 (5)疲勞失效受載荷歷程的影響 過(guò)載損傷會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度的下降(如圖12.3所示),圖12.4為鋼的拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線，加載到A點(diǎn)卸載再重新加載，其抗拉強(qiáng)度b與末卸載的相同，即未受到載荷史的影響。,圖12.4 工程應(yīng)力應(yīng)變曲線,一定的過(guò)載也可能延緩疲勞裂紋的擴(kuò)展，延長(zhǎng)疲勞壽命，如圖12.5所示。,圖12.5 過(guò)載引起疲勞裂紋擴(kuò)展延滯效應(yīng),二、疲勞裂紋擴(kuò)展的物理模型,1、疲勞失效過(guò)程 疲勞裂紋的擴(kuò)展，一般可分為三個(gè)階段，如圖12.6所示。 圖12.6 da/dNK曲線及其微觀機(jī)制示

5、意圖 Kth疲勞門檻值； Kc最終斷裂強(qiáng)度因子； K應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。,整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可以近似地以“s”形曲線來(lái)描述： A段為第一階段，K小，擴(kuò)展速率低，da/dNl0-6mm/次，為非連續(xù)區(qū)，呈現(xiàn)一種結(jié)晶學(xué)形態(tài)的斷口； B段為第二階段，da/dN10-5mm/次，為連續(xù)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以疲勞條紋為主； C段為第三階段，da/dN10-3mm/次，為失穩(wěn)擴(kuò)展區(qū)，斷口形態(tài)以“韌窩”(dimple)、晶間斷裂或纖維狀為主。,2、幾種物理模型 根據(jù)疲勞斷口表面與應(yīng)力軸的相對(duì)位向，裂紋擴(kuò)展可分為切應(yīng)變型(第一階段擴(kuò)展)和正應(yīng)變型(第二階段擴(kuò)展)兩種。 根據(jù)裂紋擴(kuò)展的微觀機(jī)制，裂紋擴(kuò)展模型又可以分為三類：

6、滑移型、鈍化型和再生核型，見表12.1：,3、疲勞裂紋擴(kuò)展的力學(xué)行為與特征 （1）疲勞極限與疲勞門檻值 (Endurance Limit and Fatigue Thresholds) 疲勞極限是疲勞曲線水平部分所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，它表示材料經(jīng)受無(wú)限多次應(yīng)力循環(huán)而不斷裂的最大應(yīng)力。 疲勞門檻值是疲勞裂紋不擴(kuò)展的K最大值。,圖12.8 缺口試件中的應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)和疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展區(qū)示意圖 a 缺口試件中應(yīng)力/應(yīng)變場(chǎng)簡(jiǎn)圖 b 光滑、缺口疲勞極限N與門檻值Kth的相互關(guān)系,圖中：max為最大應(yīng)力； 0與N為光滑與缺口疲勞極限； Kth為疲勞門檻值；Kt為應(yīng)力集中系數(shù)。,Lukas導(dǎo)出缺口與光滑試件疲勞極限

7、N與0的關(guān)系： 式中：Kt為應(yīng)力集中系數(shù)； Katb為基本門檻值，等于 ； 為缺口半徑； c為臨界應(yīng)力。,疲勞極限與疲勞門檻值分別反映了交變載荷作用下材料對(duì)裂紋萌生和裂紋擴(kuò)展的抵抗力。因?yàn)榱鸭y的萌生與擴(kuò)展的機(jī)制不同，對(duì)于現(xiàn)有的金屬材料，在使疲勞極限提高的同時(shí)往往降低了疲勞門檻值，反之亦然。,（2）小疲勞裂紋的擴(kuò)展行為 在與長(zhǎng)裂紋相同的名義驅(qū)動(dòng)力下，小裂紋擴(kuò)展較快；在長(zhǎng)裂紋的門檻值之下，小裂紋仍以較高的速率擴(kuò)展，見圖12.9。,圖12.9 典型的小裂紋與長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展行為示意,小裂紋現(xiàn)象主要出現(xiàn)在下述三種情況： 裂紋長(zhǎng)度與材料的特征微觀尺寸相比不夠大； 裂紋長(zhǎng)度與裂紋尖端前方的塑性區(qū)尺寸相比不夠大；

8、 裂紋長(zhǎng)度小于某一值。,（3）裂紋閉合行為 裂紋閉合現(xiàn)象是指疲勞裂紋在外加拉應(yīng)力作用下，裂紋張開位移仍為零的狀態(tài)。 一般認(rèn)為裂紋閉合的機(jī)制有三種： 塑性誘發(fā)(Plasticity-Induced)閉合 氧化物誘發(fā)(Oxide-Induced)閉合 粗糙度誘發(fā)(Roughness-Induced)閉合 （圖12.7）,圖12.7 裂紋閉合的三種形式,Elber根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察到的裂紋閉合現(xiàn)象提出了有效應(yīng)力強(qiáng)度因子的概念，定義為 ： 式中： 最大應(yīng)力強(qiáng)度因子； 裂紋完全張開時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子； 有效應(yīng)力強(qiáng)度因子。 即裂紋擴(kuò)展的有效驅(qū)動(dòng)力。通過(guò) 可以解釋應(yīng)力比R對(duì)裂紋擴(kuò)展速率的影響。如圖12.10所示

9、。,圖12.10 a裂紋閉合應(yīng)力強(qiáng)度因子 / 與 的變化 b 裂紋擴(kuò)展速率與 和 的關(guān)系,（4）變幅載荷下的裂紋擴(kuò)展 超載下的延緩效應(yīng)(Retardation effect) 圖12.11 不同形式的超載對(duì)裂紋擴(kuò)展及壽命的影響,可以看出:單個(gè)拉應(yīng)力超載和壓-拉超載對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展具有最大的延緩效應(yīng)；而拉-壓超載較前二者的延緩效應(yīng)為?。粏蝹€(gè)壓縮超載對(duì)裂紋擴(kuò)展速率影響不大。 超載后產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展延緩效應(yīng)的主要因素有三個(gè)： a、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)的殘余壓應(yīng)力阻止裂紋的延伸； b、裂紋尖端后方的閉合效應(yīng)阻止裂紋張開； c、裂紋尖端前方超載塑性區(qū)內(nèi)晶體缺陷密度的增加進(jìn)一步阻止裂紋的延伸。,1989年M

10、cEvily等對(duì)100超載下的鋁合金延緩效應(yīng)作了定量分析，發(fā)現(xiàn)延緩周次與超載塑性區(qū)尺寸和試樣厚度的比值呈U形變化關(guān)系，見圖12.12。 圖12.12 延緩周次（Nd）隨超載（OL）塑性區(qū)尺寸與試樣厚度比值的變化,導(dǎo)出的延緩周次關(guān)系式為 ： 式中： A 為試驗(yàn)常數(shù)； 為屈服強(qiáng)度； 為超載應(yīng)力強(qiáng)度因子； E .C.為“過(guò)度閉合”(Excess Closure)，可用下式表示：,變幅載荷下裂紋擴(kuò)展特征 在變幅加載下的裂紋擴(kuò)展速率和恒幅加載下的擴(kuò)展速率不同。除上述超載延緩效應(yīng)外，裂紋擴(kuò)展還會(huì)出現(xiàn)停滯或加速。,12.2 低溫?cái)嗔雅c疲勞,低溫致脆的最大特點(diǎn)是存在某一特定的溫度范圍，在此溫度范圍以上的斷裂是

11、韌性斷裂，不顯示脆性斷裂的特征；低于此溫度范圍，為無(wú)韌性特征的脆性斷裂；在此特定溫度范圍內(nèi)的斷裂，則顯示韌-脆過(guò)渡形態(tài)，同時(shí)具有不同程度的韌性和脆性的斷裂特征。這種現(xiàn)象稱為冷脆。 而材料由韌性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔训臏囟萒K稱為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度，或冷脆轉(zhuǎn)化溫度。,一、韌-脆轉(zhuǎn)化理論 1、韌-脆轉(zhuǎn)化的物理本質(zhì) 2、Stroh的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度理論 3、韌-脆轉(zhuǎn)化的Cottrell模型-Petch屈服理論解釋 二、低溫疲勞,一、韌-脆轉(zhuǎn)化理論,1、韌-脆轉(zhuǎn)化的物理本質(zhì) 金屬材料的韌-脆轉(zhuǎn)化過(guò)程 ： 圖12.14 F、S、SK隨T、V和 的變化,可見：解理斷裂應(yīng)力F基本上不隨溫度變化，而屈服點(diǎn)S和韌性斷裂應(yīng)

12、力SK則隨溫度升高而急劇降低并與F曲線存在交點(diǎn)。 圖中A點(diǎn)以下為無(wú)塑性變形的解理斷裂，相當(dāng)于夏比系列沖擊試驗(yàn)的下平臺(tái)。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度即為韌-脆轉(zhuǎn)化溫度TK。 B點(diǎn)以上為經(jīng)過(guò)塑性變形的纖維撕裂，相當(dāng)于夏比沖擊試驗(yàn)曲線的上平臺(tái)。 AB之間為經(jīng)過(guò)塑性變形之后的解理斷裂，為韌-脆轉(zhuǎn)化過(guò)程。 一般用位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)解釋上述現(xiàn)象。,2、Stroh的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度理論 Stroh的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度理論認(rèn)為，金屬中的應(yīng)力集中可能導(dǎo)致兩種結(jié)果： 其一是激活附近的F-R源產(chǎn)生韌性斷裂； 其二是產(chǎn)生微裂紋導(dǎo)致脆性斷裂。 韌-脆轉(zhuǎn)變就是這兩種機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。,F-R源保持不被激活，發(fā)生脆斷的幾率表達(dá)式： 或 式中：p為某溫度

13、下，t時(shí)間內(nèi)，位錯(cuò)不被激活而發(fā) 生脆斷的幾率； 為位錯(cuò)振動(dòng)頻率； k為波耳茲曼常數(shù)； U()為激活被釘扎的F-R源需要的激活能； T為材料所處的溫度。,可見：由于雙對(duì)數(shù)的關(guān)系，隨著溫度T的升高，p值將很快從1變到0，這就表明了韌-脆轉(zhuǎn)變是發(fā)生在很狹窄的溫度范圍內(nèi) 。,3、韌-脆轉(zhuǎn)化的Cottrell模型-Petch屈服理論解釋 根據(jù)Cottrell模型，材料的屈服強(qiáng)度為 利用Hal1-Petch關(guān)系：y=i+Kyd-1/2 解理斷裂時(shí)，解理斷裂應(yīng)力F=y。而脆斷的臨界條件為T=TK，則可以推導(dǎo)出TK表達(dá)式：,式中：TK為冷脆轉(zhuǎn)化溫度； d為晶粒平均直徑； G為材料的切變模量； 為材料的比表面能

14、； 為應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)； 為Hall-Petch關(guān)系式的斜率； 是Cottrell模型中的系數(shù)； B、C為常數(shù)，可通過(guò)試驗(yàn)確定。 可見，冷脆轉(zhuǎn)化溫度TK主要取決于材料晶粒的大小d、比表面能和應(yīng)力狀態(tài)。此外還與系數(shù) 、 和B、C兩個(gè)常數(shù)等因數(shù)有關(guān)。 溫度降低和變形速度增加使i和Ky增大，因而引起脆化。,二、低溫疲勞,（1）溫度降低，光滑試樣的疲勞極限明顯提高 （2）材料在低溫下的疲勞缺口系數(shù)增大,結(jié)論：把常溫下測(cè)得的疲勞強(qiáng)度用于低溫零件設(shè)計(jì)一般是安全的，但是材料在低溫下疲勞缺口敏感性提高，因此低溫下更要注意處理好應(yīng)力集中問(wèn)題。 對(duì)于BCC和HCP等存在韌-脆轉(zhuǎn)化的材料，疲勞強(qiáng)度也有韌-脆轉(zhuǎn)化的問(wèn)題。

15、,12.3 高溫蠕變與疲勞,很多構(gòu)件長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的使用溫度高達(dá)1000，用Cr-Mo-V鋼制造的汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子使用溫度約為550等。 高溫對(duì)金屬材料的力學(xué)性能影響很大。 溫度和時(shí)間還影響金屬材料的斷裂形式。,一、高溫蠕變 1、蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線 2、蠕變極限和持久強(qiáng)度 3、蠕變斷裂 4、蠕變斷裂機(jī)制圖 二、高溫疲勞,一、高溫蠕變,1、蠕變現(xiàn)象和蠕變曲線 當(dāng)溫度T(0.30.5)Tm(Tm為熔點(diǎn)，單位為K)時(shí)，金屬材料在恒載荷的持續(xù)作用下，發(fā)生與時(shí)間相關(guān)的塑性變形，稱為蠕變。 相應(yīng)的應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線稱為蠕變曲線。 金屬材料的典型蠕變曲線如圖12.16所示。,圖12.1

16、6 典型蠕變曲線,oa線段是施加外載荷后試樣的瞬時(shí)應(yīng)變0，不屬于蠕變； 曲線abcd表明應(yīng)變是隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸產(chǎn)生的，稱為蠕變；蠕變曲線上任一點(diǎn)的斜率表示該點(diǎn)的蠕變速率，用 表示。 根據(jù)蠕變速率的變化情況可以將蠕變過(guò)程分為三個(gè)階段：,ab段為蠕變第一階段，其蠕變速率隨時(shí)間而逐漸減小，故又稱為減速蠕變階段； bc段為蠕變第二階段，又稱恒速蠕變或穩(wěn)態(tài)蠕變階段，即其蠕變速率保持恒定； 蠕變第三階段(cd段)的蠕變速率隨時(shí)間延長(zhǎng)急劇增大直至斷裂，稱為加速蠕變階段。,蠕變曲線各階段持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短隨材料和試驗(yàn)條件而變化。如圖12.17所示 ： 圖12.17 應(yīng)力和溫度對(duì)蠕變曲線影響示意圖 a）等溫曲線（43

17、21） b）等壓力曲線（T4T3T2T1）,2、蠕變極限和持久強(qiáng)度 蠕變極限是高溫長(zhǎng)時(shí)期載荷下材料對(duì)變形的抗力指標(biāo)，是高溫強(qiáng)度設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。它有兩種表示方法。 一種是在給定溫度下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變總量的應(yīng)力值，以 (MPa)表示。 另一種是在一定溫度下，產(chǎn)生規(guī)定的穩(wěn)態(tài)蠕變速率的應(yīng)力值，以 (MPa)表示。 蠕變極限適用于失效方式為過(guò)量變形的那些高溫零部件。,持久強(qiáng)度是材料抵抗蠕變斷裂的能力。它是在一定溫度下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)使材料斷裂的最大應(yīng)力值，以 表示。 對(duì)于鍋爐、管道等構(gòu)件。其主要破壞方式是斷裂而不是變形，設(shè)計(jì)這類構(gòu)件就要采用持久強(qiáng)度指標(biāo)。 持久塑性是材料承受蠕變變形能力的大小，用蠕變

18、斷裂時(shí)的相對(duì)伸長(zhǎng)率和相對(duì)斷面收縮率表示。,3、蠕變斷裂 對(duì)于不含裂紋的構(gòu)件或試樣，其穩(wěn)態(tài)蠕變速率與蠕變斷裂時(shí)間或加速蠕變階段開始時(shí)間tf之間存在以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： 式中：和Cf為材料常數(shù)。 實(shí)際意義：在早期穩(wěn)態(tài)蠕變階段得到后，再通過(guò)較高應(yīng)力和較高溫度的短期蠕變?cè)囼?yàn)獲得Cf，則長(zhǎng)期蠕變斷裂壽命即可由 預(yù)測(cè)。,對(duì)于含有裂紋或類似裂紋缺陷的構(gòu)件，其蠕變斷裂是在裂紋或缺陷尖端再萌生蠕變裂紋，即裂紋開裂、主裂紋擴(kuò)展和斷裂的過(guò)程。 缺口構(gòu)件的開裂時(shí)間(裂紋擴(kuò)展孕育期)ti與缺口根部截面的初始應(yīng)力0和絕對(duì)溫度T間有如下關(guān)系 ：,式中：Ai、C是與溫度有關(guān)的材料常數(shù)；Qi是開裂激活能。 裂紋體的蠕變開裂時(shí)間可用應(yīng)

19、力強(qiáng)度因子KI描述 ： 式中：Ai、C是與溫度有關(guān)的材料常數(shù)。,4、蠕變斷裂機(jī)制圖 晶間斷裂是蠕變斷裂的普遍形式，高溫低應(yīng)力下情況更是如此。 晶間斷裂有兩種模型：一種是晶界滑動(dòng)和應(yīng)力集中模型，另一種是空位聚集模型。,第一種模型： 圖12.18 晶界滑動(dòng)在三晶粒交界處形成楔形空間,第二種模型 ： 圖12.20 空位聚集形成空洞,斷裂機(jī)制圖 ： 影響蠕變斷裂機(jī)制的最重要因素是應(yīng)力、溫度和加載速率，因此，斷裂機(jī)制圖的縱坐標(biāo)通常為規(guī)范化流變應(yīng)力fl/E，橫坐標(biāo)為斷裂時(shí)間tf或相對(duì)溫度T/Tm。,圖12.21 Nimonic 80A合金斷裂機(jī)制圖,圖12.22斷裂機(jī)制圖示意圖,二、高溫疲勞,高溫疲勞涉及

20、疲勞、蠕變和環(huán)境影響等幾個(gè)與時(shí)間有關(guān)的過(guò)程的交互作用，這些過(guò)程在高溫疲勞損傷中的相對(duì)作用隨具體材料而異。 材料在高溫下的疲勞行為，除了與循環(huán)應(yīng)力有關(guān)，還與材料的化學(xué)成分、顯微組織和環(huán)境等因素有很大關(guān)系。,12.4 環(huán)境斷裂氫脆,材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的斷裂，統(tǒng)稱為氫脆斷裂或氫致開裂，簡(jiǎn)稱氫脆。 氫脆主要發(fā)生在金屬材料構(gòu)件中。,一、氫脆的類型及特征 1、氫壓裂紋 2、氫致化學(xué)變化導(dǎo)致的氫脆氫腐蝕 3、氫致相變導(dǎo)致的氫脆 4、可逆氫脆 5、氫致滯后斷裂 6、氫致斷裂斷口形貌 二、氫脆機(jī)理 1、氫壓理論 2、氫降低鍵合力(弱鍵)理論 3、氫降低表面能理論 4、氫致開裂新機(jī)理,一、氫脆的類型

21、及特征,1、氫壓裂紋 在材料中某些缺陷位置，H能復(fù)合成H2，室溫時(shí)它是不可逆反應(yīng)，即H2不會(huì)再分解成H。隨著進(jìn)入該缺陷的氫濃度的增加，復(fù)合后H2的壓力也增大。當(dāng)氫壓大于屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生局部塑性變形，如缺陷在試樣表層，則會(huì)使表層鼓起，形成氫氣泡。當(dāng)氫壓等于原于鍵合力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生微裂紋，稱為氫壓裂紋。 氫壓裂紋包括鋼中白點(diǎn)、H2S浸泡裂紋、焊接冷裂紋以及高逸度充氫時(shí)產(chǎn)生的微裂紋等。,（1）鋼中的白點(diǎn) 鋼材剖面酸洗后有時(shí)可以看到像頭發(fā)絲一樣的細(xì)長(zhǎng)裂紋，其寬度一般約1m，故也常稱為“發(fā)裂”。如沿著這些裂紋把試樣打斷，在斷口上可觀察到具有銀白色光澤的橢圓形斑點(diǎn)，故稱為“白點(diǎn)”。,(2) H2S誘發(fā)裂紋

22、碳鋼或低合金管線鋼在H2S溶液中浸泡時(shí)，即使不存在外應(yīng)力，試樣內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生微裂紋，裂紋呈臺(tái)階狀。如裂紋處在試樣表面附近，則容易在表面引起鼓泡。 H2S在鋼的界面上反應(yīng)生成H，它進(jìn)入試樣后富集在夾雜物周圍，復(fù)合成H2，產(chǎn)生氫壓，當(dāng)分子氫壓大于臨界值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋。,(3) 焊接冷裂紋 焊接過(guò)程是個(gè)局部冶煉過(guò)程，焊條及大氣中的水分會(huì)進(jìn)入熔池變成H，當(dāng)進(jìn)入的氫量較高時(shí)，在焊后的冷卻過(guò)程中就有可能產(chǎn)生氫壓微裂紋(類似于鋼中白點(diǎn))。 采用低氫焊條，焊前焊條和工件烘烤，焊后工件緩冷等措施就可避免焊接冷裂紋。,(4) 充氫(或酸洗)過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋 在酸洗或電解充氫過(guò)程中也有可能產(chǎn)生氫壓裂紋。 電解充氫時(shí)

23、出現(xiàn)的不可逆氫損傷(氫鼓泡或裂紋)主要是充氫逸度過(guò)高引起的。 降低充氫電流密度，不加毒化劑(如As2O3，CS2等)或用熔鹽充氫代替溶液充氫，就可避免充氫過(guò)程中出現(xiàn)不可逆氫損傷。,2、氫致化學(xué)變化導(dǎo)致的氫脆氫腐蝕 材料在高溫高壓氫環(huán)境下使用較長(zhǎng)時(shí)間后，有時(shí)在晶界附近能產(chǎn)生很多氣泡或裂紋，從而引起構(gòu)件的失效，這種不可逆損傷稱為氫腐蝕。 原因：在高溫高壓下H進(jìn)入鋼中后與碳化物反應(yīng)生成甲烷。形成的CH4分子不能從鋼中擴(kuò)散出來(lái)，就在晶界夾雜物處形成氣泡，并有很大壓力。隨著CH4的不斷形成，氣泡不斷長(zhǎng)大，當(dāng)氣泡中CH4的壓力大于材料在該溫度下的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)使氣泡轉(zhuǎn)化成裂紋。 在鋼中加入Cr，Mo，Ti，V

24、，Nb等碳化物形成元素，形成穩(wěn)定的合金碳化物，可以大大減小氫腐蝕傾向。,3、氫致相變導(dǎo)致的氫脆 (1) 氫化物析出導(dǎo)致氫脆 很多金屬或合金(如Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，Re等)能形成穩(wěn)定的氫化物，氫化物是一種脆性中間相，一旦有氫化物析出，材料的塑性和韌性就會(huì)下降，即氫化物析出導(dǎo)致材料變脆。這是一種氫致相變引起的氫脆。,(2) 氫致馬氏體相變 不穩(wěn)定型奧氏體不銹鋼在電解充氫時(shí)會(huì)發(fā)生氫致馬氏體相變，形成或馬氏體，從而降低材料的塑性和韌性。 氫致馬氏體相變的本質(zhì)和冷加工誘發(fā)馬氏體相變相同 。 上述氫損傷(氫壓裂紋，氫腐蝕，氫致相變)是不可逆的。均為不可逆氫脆。,4、可逆氫脆 固溶的氫在拉伸過(guò)

25、程中通過(guò)擴(kuò)散和富集導(dǎo)致材料塑性下降稱為可逆氫脆。 如果在拉伸前或屈服前把試樣中的氫除去(室溫放置或中溫加熱)，則可使塑性恢復(fù)。即使初始?xì)浜亢艿?或介質(zhì)致氫能力很弱)，通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，氫能逐漸富集，從而也會(huì)引起塑性損失。,5、氫致滯后斷裂 在恒載荷(或恒位移)條件下，原子氫通過(guò)應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散、富集，到臨界值后就引起氫致裂紋形核、擴(kuò)展，從而導(dǎo)致低應(yīng)力(外加應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度；對(duì)預(yù)裂紋試樣，外加應(yīng)力強(qiáng)度因子KIKIC)斷裂的現(xiàn)象稱為氫致滯后斷裂。,6、氫致斷裂斷口形貌 氫致斷裂可能獲得韌性斷口(韌窩)，也可能獲得脆性斷口(沿晶，解理或準(zhǔn)解理)。如果氫致斷裂是韌窩斷口，則稱為氫致韌斷。 氫致斷口形貌和材料本身的成分和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，除此之外影響最大的是氫濃度及開裂時(shí)外加應(yīng)力(或外加KI)的大小。 一般來(lái)說(shuō)，隨強(qiáng)度升高，氫致斷口形貌由韌窩變?yōu)榻饫?/p>