第06-7章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂Li_22P.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第六章,金属的应力腐蚀和氢脆断裂,6.1,应力腐蚀,6.2,氢脆,第七章 金属的磨损和耐磨性,7.1,材料的磨损,7.2,耐磨性,7.3,接触疲劳,2,6.1,应力腐蚀,6.1.1,应力腐蚀及其产生条件,(1),定义与特点,1,）应力腐蚀断裂（,Stress Corrosion Cracking,，,SCC,）,金属在,拉应力和特定的介质,共同作用,下，经过一段时间后，所产生的,低应力脆断,现象。,2,）特点 拉应力、特定介质、延时、脆断。低碳钢、低合金钢,碱脆,（,苛性碱溶液,）、,硝脆,（,硝酸根离子,）奥氏体不锈钢,氯脆,（含氯离子）铜合金,氨脆（,氨气介质）,高强度铝合金脆裂,（,潮湿空气,、,蒸馏水介质,）,(2),产生条件 应 力：外应力、残余应力（焊接、热处理过程中）；化学介质：一定材料对应一定的化学介质（表,6-1,）；金属材料：化学成分（合金对应力腐蚀有不同程度的敏感性）、显微组织、强化程度等。,3,6.1.2,应力腐蚀,(1),机理,滑移,溶解理论（钝化膜破坏理论）,a,）应力作用下，滑移台阶露头,且钝化膜破裂（在表面或裂纹面）,b,）电化学腐蚀（钝化膜的金,属表面为阴极，新鲜金属为阳极）,阳极金属成为正离子融入进入电解液，,发生溶解，形成蚀坑。,c,）应力集中，使阳极电极电位,降低，加大腐蚀；,d,）若应力集中始终存在，则微,电池反应不断进行，钝化膜不能恢,复。则裂纹逐步向纵深扩展。,（该理论只能很好地解释沿晶断,裂的应力腐蚀）,4,2,、断口特征,(2),宏观：,亚稳扩展区,+,最后瞬断区（与疲劳断口相似）；亚稳扩展区可见腐蚀产物和氧化现象，呈黑色或灰色，最后瞬断区为快速撕裂，呈脆断特征。,形貌：枯树枝状、分叉（图,6-2,，,P130,）。主裂纹扩展较快、其他分支裂纹扩展较慢。据此可区别应力腐蚀,VS,腐蚀疲劳和晶间腐蚀等。,(3),微观 沿晶断裂和穿晶断裂（,6-3),a.,泥状花样，,b.,腐蚀坑）,5,6.1.3,力学性能指标,常规方法,(,光滑试样：拉应力,+,腐蚀介质,),测定的,SCC,t,f,曲线。,断裂总时间,t,f,包括裂纹形成时间与裂纹扩展时间，而裂纹形成时间约占断裂总时间的,90%,。实际机件通常不可避免的存在裂纹或类裂纹缺陷。故,SCC,（,材料不发生应力腐蚀开裂的临界应力）,不能客观地反映材料的应力腐蚀抗力。,(1),预制裂纹,+,应力腐蚀试验,应力腐蚀临界应力场强度因子,K,ISCC,恒载荷，特定化学介质，测,K,I,t,f,曲线。将不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子,K,ISCC,。,判据：,含有裂纹的机件，当裂纹尖端的初始应力强度因子,K,I,初,K,ISCC,，原始裂纹在化学介质和力的作用下不会发生扩展，机件可安全服役。,K,ISCC,测量方法,恒载荷法,/,图,6-6,、恒位移法。,6,(2),应力腐蚀裂纹的扩展速度,da/dt,K,I,K,ISCC,，裂纹扩展。,扩展速率,da/dt,单位时间内的裂纹扩展量。,da/dt K,I,曲线（图,6-7,，,P132,）的三个阶段（初始、稳定、失稳）。,第二阶段时间越长，材料抗应力腐蚀开裂性能越好。,如果测出,K,ISCC,及第二阶段的,da/dt,，就可估算机件在应力腐蚀条件下的剩余寿命。,7,(,四,),防止应力腐蚀的措施,(1),合理选材（原则：选材时，考虑耐应力腐蚀性能；在成本和采购便利下，尽量选,K,ISCC,较高的材料）；,(2),减少拉应力（降低应力集中，退火，喷丸及其他表面处理）；,(3),改善化学介质（水净化、添加缓蚀剂）；,(4),采用电化学保护，使金属远离电化学腐蚀区域,（外加电位、阴极保护）。,8,6.2,氢脆,氢和应力的共同作用，导致金属材料产生脆性断裂，称为氢脆断裂（氢脆）。,6.2.1,氢在金属中存在的形式,内含的（冶炼和加工,/,焊接、酸洗、电镀等过程中带入的氢）；,外来的（工作服役中，吸,H,）。,间隙原子状 固溶在金属中：,一般，氢以间隙状态固溶在金属中，温度，溶解度。,分子状气泡中：,氢也可通过扩散聚集在材料缺陷（孔洞、气泡、裂纹等）处，形成分子氢。,化学物（氢化物）：,此外，氢还可与过渡族、稀土或碱金属元素作用，形成氢化物，或与金属的第二相作用生成气体产物，如钢中的氢,VS,渗碳体作用，形成甲烷等。,9,6.2.2,氢脆类型及其特征,(1),氢蚀,（氢,+,金属中的第二相,高压气泡（,H,2,，,CH,4,）沿基体金属晶界分布，大大降低金属塑性。宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）；微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。,碳钢，温度低于,220,时，不产生氢蚀。,(2),白点（发裂）,当钢中含有过量的氢，,IF,溶解度，如果过量的氢未能逃逸，就会聚集在缺陷位置，形成气泡，体积，将金属的局部胀裂，,形成微裂纹,。,断口,/,宏观：断面呈圆形或椭圆形，银白色，故称为白点。,Cr-Ni,结构钢的大锻件中白点是一种严重缺陷。,10,(3),氢化物致脆,IVB,、,VB,族金属（纯,Ti,、,-Ti,、,Ni,、,V,、,Zr,及,Nb,合金等）与,H,的亲和力大，形成氢化物（凝固、热加工时形成；或应力作用下，元素扩散而形成）。氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。裂纹沿界面扩展。,如晶粒粗大，氢化物在晶界上呈薄片状，极易产生较大应力集中，危害很大,；若晶粒较小，则这种危害作用较小。,(4),氢致延滞断裂,如高强度钢、,+Ti,合金中，由于氢的存在，在低于屈服强度应力的持续作用下产生的,延滞断裂,现象。原因：,氢显著降低金属材料的断后伸长率,。条件：一定温度范围；慢速加载（恒载）。,高强度钢的氢致延滞断裂断口的宏观形貌与一般脆性断口相似。,微观断口：沿原奥氏体晶界的沿晶断裂，晶界上常有撕裂棱。,11,6.3,钢的氢致延滞断裂机理,三个阶段：孕育、亚稳扩展、失稳扩展。,1,）孕育期,氢扩散、进入到,-Fe,晶格，氢原子数量，偏聚到一定浓度。氢固溶在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受,阻，产生应力集中，萌生裂纹。,2,）应力状况,应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进,H,固溶。,高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。,循环软化,12,6.4,氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系。,“,相互促进,”,阳极溶解、金属开裂；阴极吸氢，延滞断裂。,6.5,防止氢脆的措施,1,）材料 降低含氢量，细化组织，降低,S,、,P,含量。,显微组织,对氢脆的敏感性，由低,高 排序：,球状,P,、片状,P,、回火,M,或,B,、未回火,M,。,2,）环境 减少吸氢的可能性，含氢介质中加入抑制剂，表面涂层。,3,）力学因素 减小残余拉应力，降低应力集中。,13,第七章 金属的磨损和耐磨性,7.1,材料的磨损,(1),定义,机件表面相接触并作相对运动，表面逐渐有微小颗粒分离出来形成磨屑，使表面材料逐渐流失，造成表面损伤的现象,磨损。,磨屑的形成过程,局部表面接触材料变形、断裂,(2)(,运动副正常啮合）磨损过程三阶段：跑合、稳定磨损、剧烈磨损。,(3),磨损分类,a,）粘着磨损，接触疲劳,粘着磨损（咬合磨损）,滑动条件下，摩擦副相对运动速度较小（钢：,1m/s,）时发生的磨损。,如：刀具、模具、齿轮、凸轮及各种轴承的机件失效,粘着磨损。,b,）磨粒磨损,当摩擦副一方面存在坚硬的细微突起，或者在接触面之间存在着硬质粒子时所产生的一种磨损。,前者为两体磨粒磨损（如锉削过程）；后者为三体磨粒磨损（如抛光）,细分：,凿削磨损,（挖掘机斗齿、腭板）；,高应力碾压磨粒磨损,（球磨机衬板与钢球、轧碎机滚筒等机件表面的破坏）；,低应力擦伤磨损,（犁铧、运输槽）。,14,c,）冲蚀磨损,流体或固体以松散的,小颗粒,按一定的速度和角度对材料表面进行,冲击,造成的损伤。进一步分又有,固气,冲蚀磨损、,流体,冲蚀磨损、,液滴,冲蚀磨损和气蚀等。,d,）腐蚀磨损,摩擦过程中，,摩擦副之间或摩擦副表面与环境介质发生化学或电化学反应形成腐蚀产物，进而脱落造成表面材料损失,的过程。腐蚀磨损,+,粘着磨损或磨粒磨损,腐蚀机械磨损。,微动磨损,接触表面,之间因,存在小振幅相对运动或往复运动,而产生的磨损（也叫微动腐蚀）。特征：摩擦副接触区有大量红色,Fe,2,O,3,磨屑。该磨损兼有粘着磨损、氧化磨损及磨粒磨损。,4,、磨损机理,a,）粘着机理,b,）裂纹汇聚，断裂,c,）显微切削（犁削）,d,）微观疲劳断裂,5,、磨损试验及观察 模拟试验；宏观观察，微观分析。,15,7.2,耐磨性,(1),材料耐磨性是其物性与服役工况的综合表现。,(2),设定条件下求材料的相对耐磨性（磨损量比值，质量或体积）,相对耐磨性系数,=w,标,/w,测,测试方法：销盘、环块、往复、滚子式等，及专用模拟工况试验机,(3),显微组织对耐磨性的影响,(4),服役工况的影响,7.3,提高材料耐磨性的措施,(1),工况分析,(2),选材及其强化处理,16,7.3.1,接触疲劳,机件（如轴承、齿轮等）两接触表面作滚动、滑动，或滚滑时，在交变接触压应力长期作用下，材料表面因,疲劳损伤,，导致局部区域产生小片或小块状金属剥落导致的材料流失现象。,也称为,表面疲劳磨损,或疲劳磨损。,7.3,接触疲劳,接触疲劳与一般疲劳一样，也是裂纹形成和扩展的过程（通常裂纹形成时间长、扩展相对较短）。,接触疲劳曲线（最大接触压应力,接,max,破坏循环周次,N,）有两类，一种是有明显的,接,值的，另一类是硬度较高的钢种，,接,随循环周次增加呈连续下降，无明显的,接,max,值。,Note,：与道路表面的破坏极为相似,17,形貌：麻点剥落（点蚀，深度,y,x,超过一定深度时，,z,x,y,相应的最大切应力为：,在最大切应力处，材料易出现局部塑性变形。,19,这三个最大切应力分别作用在与主应力呈,45,方向的平面上，且,zy45,值最大。,其沿接触深度方向的分布如图,7-19,所示。接触区沿,Z,轴方向的应力分布，在接触深度为,0.786b,处，,zy45,达最大值。因而对于两物体滚滑接触承受法向力时，对于接触面上某一位置，其亚表层受,0,zy45 max,脉动循环应力作用（应力半幅为,0.5,zy45 max,，,0.15 0.16,zmax,）。,根据分析，在接触区下,z=0.5b,，,y=0.85b,（图,7-20,）处受对称循环剪切应力,0,，方向与接触面平行，应力半幅（,0.5,0max,）为,0.256,zmax,。,可见,0max,比,zy45 max,更危险。即接触疲劳强度设计和破坏分析应以,0max,为依据更为合理。,Z,Y,X,Note,：纵坐标为,。与,max,比值,20,7.3.3,接触疲劳破坏方式,（,1,）麻点剥落局部塑性变形，产生裂纹、扩展（滑移带开裂），在连续滚滑作用下，润滑油挤入裂纹并封闭其间，产生高压冲击波，剥落下一块金属而形成一凹坑。,摩擦力较大及表面质量差时，易产生麻点剥落。,（,2,）浅层剥落,最大切应力处，塑性变形最剧烈,且反复进行，导致材料局部弱化，非金属夹杂物附近萌生裂纹。表层、次表层产生了加工硬化。,（,3,）深层剥落 过渡区是薄弱区，萌生裂纹，先平行于表面扩展，后垂直于表面扩展，最后形成大的剥落坑。,21,7.3.4,影响接触疲劳抗力的因素,内因 （,1,）非金属夹杂,脆性的带,有棱角的氧化物,、,硅酸盐夹杂物,对接触疲劳寿命影响最大，在其,边缘部分最容易造成微裂纹,，,接触疲劳寿命。,（,2,）热处理组织状态,M,的,%C,轴承钢，若未熔碳化物状态相同，马氏体含碳量在,0.40.5%,时，接触疲劳寿命最高。,（含碳量应适度）,M,和,A,R,的级别,A,R,数量越多、,M,针越粗大，则表层有益的残余压应力和渗碳层强度就越低，愈促成显微裂纹，,接触疲劳寿命。,预先热处理 正火、淬火后的深冷处理的重要性。,未熔,K,及带状,K,M%C,为,0.5%,的高碳轴承钢，未熔,K,颗粒越粗大，则相邻,M,边界处的,%C,就越高，该处更易形成接触疲劳裂纹，寿命较低。,这显示了球化退火的重要性！,表面硬度和心部硬度,（轴承钢）表面为,62HRC,时，接触疲劳寿命最高；渗碳层心部硬度应适宜，如太低，易在过渡层形成裂纹，产生渗层剥落；例：渗碳齿轮心部，,35,45HRC,为宜。,22,表面硬化层深度,渗碳齿轮的最佳硬化层深度,t,值,推荐,t,m,（,15,20/100,）,;or t=3.15b,式中，,m,模数，,b,接触面半宽,残余内应力,如渗碳层一定范围内存在残余压应力，可,接触疲劳寿命。（渗碳,+,淬火可形成表面残余压应力）,外因（,1,）,减少表面冷、热加工缺陷，,表面粗糙度、,接触精度，可有效,接触疲劳寿命。,(2,）,硬度匹配,例：,ZQ,400,型减速器的小齿轮与大齿轮的硬度值保持,1.4:1.7,的比例，可提高承载能力,30%,50%,。,运动构件的装配质量及润滑情况也影响到接触疲劳寿命。,