第九章--环境介质作用下材料的力学行为.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,*,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,*,在航空、航海、汽车、石油、化工等工程领域，许多机器构件都是在一定介质环境下承载工作的。,环境介质和应力的协同作用使材料力学性能下降，甚至引起材料提早断裂，此种现象称为环境敏感断裂。,应力腐蚀和腐蚀疲劳是腐蚀环境下发生的相当普遍的环境敏感断裂形式。,因此，对应力腐蚀和腐蚀疲劳的研究和防范有重要的工程意义。,第,9,章 环境介质作用下材料的力学行为,应力腐蚀：,机件受腐蚀介质和,静应力,联合作用而失效的现象称为应力腐蚀失效。,腐蚀疲劳：,机件受腐蚀介质和,交变应力,联合作用而失效的现象称为腐蚀疲劳失效。,实际服役的零件通常承受的,应力,水平较低，介质的,腐蚀,作用也较弱，它们单独存在时，零件可能不会失效。但在二者联合作用下，失效则发生。,由于应力水平低，没有明显的变形预兆，所引起的破坏一般是,脆性,的，即使塑性很好的合金，在应力腐蚀破坏时，也不产生宏观塑性变形。在腐蚀与疲劳因素共同作用下，零件的,寿命降低,，有时比单纯的疲劳寿命降低一个数量级以上。,因此，,应力腐蚀破坏和腐蚀疲劳破坏是十分危险的,。,在应力腐蚀过程中，还会同时产生金属吸氢而引起的脆性破坏，即所谓,氢脆,现象。,氢脆并不限于应力腐蚀，任何含氢的环境都可能引起氢脆，且氢脆也是机器零件中失效的重要形式之一。,9.1,应力腐蚀,9.1.1,应力腐蚀断裂产生的条件及特征,1,）,拉应力是产生应力腐蚀断裂的必要条件,拉应力可来自外载（工作应力），也可以来自各种残余应力，如焊接、冷加工、热处理等引起的残余应力。,宏观裂纹一般沿着与拉应力垂直的方向扩展，微观观察可见裂纹呈“之”字形推进，且有分叉现象。,现已发现在压应力作用下也可产生应力腐蚀，但孕育时间长，裂纹扩展速度慢，如不锈钢的应力腐蚀。,3,）金属材料中只有,合金,才产生应力腐蚀，一般,纯金属不会发生,这种现象。,4,）应力腐蚀是一种,延迟断裂,，即在拉应力作用下，需经一定时间后才产生裂纹和裂纹扩展。,5,）应力腐蚀断裂一般是,脆性,的，不产生宏观塑性变形。其断口可为沿晶、穿晶和混合型断裂。多数情况下，,以沿晶断裂为主。,1,）应力腐蚀临界应力场强度因子,K,ISCC,及其测定,实践证明，在拉伸应力和腐蚀介质共同作用下，材料发生应力腐蚀断裂的时间,t,f,与裂尖应力场强度因子,K,I,之间有如下关系：,若用,K,Ii,表示经过时间,t,fi,后才发生断裂的,初始应力场强度因子，,则当,K,I,降低至某一定值后,，,材料就不会由于应力腐蚀而产生断裂,（即材料有无限寿命），,此时的,K,I,值称为,应力腐蚀临界应力场强度因子,，记为,K,ISCC,。,K,ISCC,是试样,在特定的腐蚀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,（或称,应力腐蚀门槛值,）。,对于一定的材料，在一定的,介质下，,K,ISCC,为一常数。,用,K,ISCC,建立的材料产生应力腐蚀断裂判据：,或：,即：当裂纹尖端的初始应力场强度因子,K,I,大于材料的,K,ISCC,时，材料就可能产生应力腐蚀断裂。,Y,：裂纹的形状因子,测定材料的,K,ISCC,可用,恒载荷法,或,恒位移法,。目前最简单、最常用的是恒载荷的悬壁梁弯曲实验法，所用试样与测定,K,IC,的三点弯曲试样相同。,1-,砝码,2-,溶液槽,3-,试样,在整个实验中，使,预制裂纹浸在化学介质中，且,载荷保持恒定。随着裂纹的扩展，试样裂纹尺寸,a,及尖端的应力场强度因子,K,I,不断增大，直至,K,I,=,K,IC,时产生应力腐蚀断裂。,裂尖应力场强度因子,K,I,可用下式计算：,式中：,M=P,L,为弯曲力矩；,P,为悬重，,L,为悬臂长,；,B,、,W,为试样厚度与宽度；,=1-a/W,a,为裂纹长度,。,具体实验时，须制备,一组同样条件,的试样，再分别将试样置于盛有所研究用的介质溶液中；,施加不同的恒定载荷，使不同试样的裂尖产生,不同大小,的,初始应力场强度因子,K,I,；,记录下各种,K,I,作用后所对应的,延迟断裂时间,t,f,；,最后以,K,I,与,t,f,为坐标，得到,K,I,t,f,曲线,，则,曲线水平部分对应的,K,I,值即为材料的,K,ISCC,。,da,/,dt,K,I,关系曲线,在,I,区（裂纹扩展第,I,阶段）：,K,I,刚刚超过,K,ISCC,，裂纹经过一段孕育期后突然快速扩展，,da,/,dt,K,I,曲线几乎与纵轴平行。,在,III,区（裂纹扩展第,III,阶段）：裂纹长度已接近临界尺寸，,da,/,dt,又随,K,I,增大而急剧提高，这是材料向裂纹快速扩展的过渡区，当,K,I,增大到,K,IC,时，产生失稳扩展，材料断裂。,9.1.3,应力腐蚀的机理及断口特征,1,）滑移,-,溶解（钝化膜破坏）理论,该理论认为：,产生应力腐蚀是,电化学,反应起控制作用。当合金置,于应力腐蚀敏感的介质中时，,首先在金属合金表面形成一,层保护膜，它阻碍腐蚀的继,续进行，即产生所谓的“,钝化,”效应，故称,钝化膜,。,因,阳极小,阴极大，所以阳极,溶解速度很快,，腐蚀到一定程度又,可形成新的保护膜,，在拉应力作用下又重新破坏，产生,新的阳极溶解,。这种,钝化膜,反复形成和反复破坏,的过程，会使某些区域,腐蚀加剧,，最后,形成裂纹,。,同时，在拉应力作用下，裂纹尖端又会产生应力集中区，它能,降低阳极电位,，进一步,加剧,阳极溶解。若裂尖,应力集中始终存在,，则,微电池反应（阳极溶解）,就会持续进行，以致钝化膜不能再恢复，从而形成越来越深的裂纹，最终导致,延迟断裂,。,研究表明：,在拉应力作用下，表面钝化膜破裂是由于裂纹尖端附近易产生局部塑性变形而形成滑移台阶所致。,一般，钝化膜强度低、脆性大，由于裂纹尖端的塑性变形而破裂。,力,+,介质,联合作用,应力腐蚀断裂,2,）闭塞电池理论,闭塞电池理论能很好地解释一些耐蚀性强的合金（如不锈钢、钛合金）在海水中为什么不耐蚀，并能说明氯化物能使金属产生点蚀及应力腐蚀的原因。,（,3,）,由于阳极反应与阴极反应共存，一方面金属原子变成离子进入溶液：,Me,Me,2,2e,另一方面电子与溶液中的氧结合而形成氢氧离子：,但在,闭塞区内，氧迅速耗尽,，得不到补充，最后,只能进行阳极反应,，使金属离子增多。,（,4,）,缝内金属离子水解产生,H,+,，使,PH,值下降。,由于缝内金属离子与氢离子不断增多，为,维持电中性,，缝外的,Cl,-,可移至缝内，形成腐蚀性极强的盐酸，从而使缝内腐蚀以,自催化,方式,加速进行,。,应力腐蚀断口的宏观形貌与疲劳断口颇为相似，也存在亚稳扩展区和最后脆断区。在亚稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化现象，断口常呈黑色或灰黑色，微观形貌一般为沿晶断裂型，也可能为沿晶,-,解理断裂型。断口表面可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑，具有脆断特征，常有分叉现象。最后瞬断区一般为快速撕裂破坏，显示出金属材料的特征。,9.1.4,防止应力腐蚀的措施,由前述应力腐蚀的产生条件和机理可知，防止应力腐蚀的措施主要有以下几个方面：,合理选材：针对零件所受应力和使用条件选用耐应力腐蚀的材料，这是一个基本原则。,例如，铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，接触氨的构件就应避免使用铜合金。,减少或消除零件中的残余拉应力：如去应力退火、表面喷丸等。,改善介质条件：这可从两方面考虑。一方面是减少和消除腐蚀介质中促进应力腐蚀断裂的有害化学离子，如采用水净化处理，降低冷却水与蒸汽中,Cl,-,离子含量，对防止不锈钢的氯脆十分有效。另一方面是在腐蚀介质中添加缓蚀剂，以降低应力腐蚀速率。,采用电化学保护：采用外加电位方法，使金属在介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，从而防止应力腐蚀产生。,9.2,氢 脆,9.2.1,氢脆的类型与特征,1,）概念,由氢和应力联合作用而使材料产生脆性断裂的现象谓之,氢脆断裂,，简称,氢脆,，亦称,氢损伤,。,2,）氢脆产生原因,氢脆的产生可有多种途径。在应力腐蚀过程中，除在阳极产生金属溶解外，若同时在阴极发生,H,+,+,e,H,的反应生成原子氢，则会使氢吸附在金属表面。,若,2,H,H,2,，使,生成的氢原子很容易变成氢分子而逸出，则不会引起氢脆。,但当结合成氢分子的过程受阻时，则部分,氢原子会溶解到金属晶格中,，从而产生氢脆。,此外，炼钢过程中，原料不纯，杂质在高温下分解出的氢部分溶入钢液，结晶后存留在钢的内部；焊接时焊条中的有机物或水分在电弧区分解，形成氢原子进入溶池，焊后扩散而进入基体；电镀及零件酸洗过程中也会使氢原子进入金属表面。,综上，由于氢的来源各有不同，多种因素会引起氢脆现象。,3,）氢脆类型（据氢来源划分）,氢脆分为两大类：,内部氢脆,和,环境氢脆,。,内部氢脆,：只是把晶格中过饱和的氢原子通过扩散输送到裂纹前端，使金属脆化；,环境氢脆,：需要把环境介质中的氢通过物理吸附、化学吸附、氢分子分解、氢原子溶解及氢在晶格中的扩散等全过程，才能使氢达到裂纹尖端而产生氢脆。,因此，,二者在脆化本质上没有区别,，但在,脆化过程,，特别是在控制裂纹扩展速度的因素上可能完全不同。,4,）氢脆断裂特征,内部氢脆,的微观断口形态往往是,穿晶解理或准解理型,花样，而在宏观断口上可观察到“,白点,”。白点的形成与某区域过饱和氢聚集成氢分子或材料内部有如气孔、夹渣等宏观缺陷而使氢原子聚集在此缺陷处有关；,环境氢脆,断口的宏观形态与一般的,脆性断口形态,相似，有时可见到一些,反光的小刻面,，其微观形态比较复杂，多表现为,沿晶断裂,，并可见到,二次裂纹,。有时在沿晶小平面上有撕裂棱。,9.3,腐蚀疲劳,腐蚀疲劳：机件受腐蚀介质和交变应力联合作用而失效的现象称为腐蚀疲劳失效。,与常规疲劳相仿，腐蚀疲劳过程也有裂纹萌生和裂纹扩展两个过程。,9.3.1,腐蚀疲劳的特点,同一材料在室温下按四种条件测得的典型恒幅,S-N,曲线见下图：,真空环境,中,疲劳强度最高,，这是因为真空中排除了氧气和水蒸气的影响。,预浸腐蚀介质,是在试样表面形成蚀坑，起应力集中作用，所以,预浸蚀疲劳特性与缺口试样的疲劳特性相似,。,腐蚀疲劳,的,S-N,曲线最低,，这是因为单纯腐蚀介质在蚀坑和裂纹尖端形成的保护膜在交变应力作用下不断破裂，致使新裸表面不断受到介质浸蚀的作用。,注意：材料的腐蚀疲劳特性除与腐蚀介质有关外，还与材料的成分、组织、常规力学性能、实验频率及应力水平等因素有关。,特点：,（,1,）腐蚀环境不是特定的。,只要环境介质对金属有腐蚀作用，再加上交变应力的作用都可产生腐蚀疲劳。这一点与应力腐蚀不同，,腐蚀疲劳不需要金属,-,环境介质的特定配合,，因此腐蚀疲劳更具有普遍性。,（,2,）腐蚀疲劳曲线无水平阶段,，即不存在无限寿命的疲劳极限。因此通常采用“条件疲劳极限”即,以规定循环周次（一般为,10,7,次）下的应力值作为腐蚀疲劳极限，来表征材料对腐蚀疲劳的抗力,。参见图,9.11,。,（,3,）腐蚀疲劳极限与静强度之间不存在比例关系。下图是钢在空气及海水中的疲劳强度，可见不同抗拉强度的钢在海水介质中的疲劳极限几乎没有什么变化。这表明,提高材料的静强度对,在腐蚀介质中的疲劳,抗力没有什么贡献。,（,4,）腐蚀疲劳断口上可见到多个裂纹源，与应力腐蚀相比较，腐蚀疲劳裂纹很少有分叉现象。,9.3.2,腐蚀疲劳裂纹形成及扩展机制,（,1,）点腐蚀形成裂纹模型,金属在腐蚀介质作用下表面形成点蚀坑，在半圆点蚀坑处受力后由于应力集中易产生滑移，滑移形成台阶,BC,、,DE,，而台阶在腐蚀介质作用下溶解，形成新表面,BCC,，反向加载时沿滑移线生成裂纹。,（,2,）保护膜破裂形成裂纹模型 金属表面暴露在腐蚀介质中时将形成保护膜。由于保护膜与金属基体比容不一，因而在膜形成过程中金属表面存在附加压力，此应力与外加应力叠加，使表面产生滑移。在滑移处保护膜破裂露出新鲜表面，从而产生电化学腐蚀。破裂处金属是阳极，在交变应力作用下阳极溶解形成裂纹。,（,3,）腐蚀疲劳裂纹扩展的类型,在一些高强度材料与介质组合系统的腐蚀疲劳裂纹扩展中，据裂纹扩展速率,da,/,dN,与裂尖应力场强度因子幅,K,的关系可以把腐蚀疲劳裂纹扩展归纳为,A,、,B,、,C,三种类型。,A,型：,真腐蚀疲劳,，可代表铝合金与水溶液环境的组合，介质的影响使门槛值减小、裂纹扩展速度增大。当 接近 时，介质的影响减小。,B,型：,应力腐蚀疲劳,，可代表钢与氢介质的组合。裂纹扩展过程具有交变载荷与腐蚀环境互补特点。当 时，裂纹扩展速率由常规疲劳裂纹扩展速率决定，介质的作用可忽略；当,时，介质的影响很大，腐蚀疲劳的裂纹扩展速率急剧上升并出现水平台阶，即腐蚀在疲劳裂纹扩展过程占主导地位。,C,型：可代表工程中的大部分合金与环境介质的组合。,裂纹扩展过程是交变应力与腐蚀环境叠加的效果,。一般认为是,A,、,B,型的混合。此情况下，腐蚀疲劳裂纹的扩展速率并不是呈直线性显著增大，但也存在一个水平台阶。,9.3.3,腐蚀疲劳裂纹扩展的影响因素,加载频率,：通常，加载频率对空气中的常规疲劳裂纹扩展速率无影响，但对腐蚀疲劳的,(,da,/,dN),CF,影响很大，加载频率降低，使,(,da,/,dN),CF,增大，且其影响随加载频率降低而加剧。,见图,9.16,。,平均应力,：无论是惰性介质还是腐蚀介质中，提高平均应力对疲劳裂纹扩展有加速作用，都使,da,/,dN,增大。,见图,9.17,。,材料强度,：材料,S,越高，,(,da,/,dN),CF,越高。但在惰性介质中，影响不明显。,见图,9.18,。,9.3.4,防止腐蚀疲劳破坏措施,合理选材,：选择耐蚀性材料；,降低或消除表面残余拉应力,：,表面喷丸、氮化等；,表面保护,：电镀、喷涂等；,对介质环境进行处理，控制腐蚀疲劳速率：去除水溶液中氧、添加铬酸盐等可延长钢材的腐蚀疲劳寿命。,