蠕变、应力腐蚀、氢脆汇编

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1、应力腐蚀 腐蚀 腐蚀疲劳 氢脆 蠕变,1,应力腐蚀,0应力腐蚀现象 1应力腐蚀定义 2应力腐蚀特征 3应力腐蚀的影响因素 4应力腐蚀的防止措施 5应力腐蚀抗力指标及测试方法,2,0应力腐蚀现象,第一次世界大战期间，用H70经过深冲成型的黄铜弹壳，在战场上出现大量破裂现象。经研究表明，经冲压加工的黄铜弹壳内存在残余应力。在战场含氨气或二硫化按等介质，产生应力腐蚀破裂或季节裂纹。这个问题通过240-260退火，消除残余应力来解决。,3,0.应力腐蚀现象,SCC在石油、化工、航空、原子能行业中都受到广泛重视，如发动机厂中的汽轮机叶片、钢结构桥梁、输气输油管道、飞机零部件。 1967年12月，美国西弗

2、吉尼亚州和俄亥俄州之间的俄亥俄大桥突然倒塌，死46人。事故调查结果就是因为应力+大气中微H2S导致钢梁产生应力腐蚀所致。,4,1应力腐蚀定义,应力腐蚀破坏：机器零件受腐蚀介质和静应力联合作用而失效的现象。 应力腐蚀断裂（stress corrosion cracking）：（SCC）金属在应力和特定化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生低应力脆断现象。 应力腐蚀开裂是危害性最大的局部腐蚀之一， 在腐蚀过程中，若有微裂纹形成，其扩展速度比其他类型的局部腐蚀要快几个数量级。,5,1应力腐蚀定义,6,1应力腐蚀定义,危害：缓和的介质+较小的应力 1.导致应力腐蚀破坏的介质为不腐蚀或轻微腐蚀。 2.

3、导致应力腐蚀破坏的应力为极小应力 发生应力腐蚀的温度一般在50-300,7,1应力腐蚀定义,8,2应力腐蚀特征,在拉应力作用下，金属零件在不同腐蚀介质中产生的应力腐蚀开裂和扩展有以下共同的特征： （1）拉应力是产生应力腐蚀开裂的必要条件。 （2）纯金属一般不发生应力腐蚀。 （3）仅在一定的合金与介质系统中才能发生应力腐蚀现象。 （4）应力腐蚀是一种延迟断裂。 （5）破坏一般是脆性的。没有明显的塑性变形。,9,2应力腐蚀特征,断口形貌特征：应力腐蚀裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹传播途径垂直于拉力轴。 应力腐蚀断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物（泥状花样），或腐蚀坑。而疲劳断口的表面，如果是新鲜断

4、口常常较光滑，有光泽。,10,3应力腐蚀的影响因素,11,3应力腐蚀的影响因素,产生应力腐蚀的敏感系统,12,4应力腐蚀的防治措施,4.1降低设计应力 使最大有效应力或应力强度降低到临界值以下。在常规设计中名义抗拉强度或屈服强度，并未考虑材料中存在缺陷；但在实际中必然有各种缺陷，比如原有裂纹，微裂纹以及环境因素造成的裂纹。,13,4应力腐蚀的防治措施,4.2 1.结构设计中尽量降低最大有效力：比如增大曲率、关键部位厚度、焊接结构域采用对接。 2.采用流线型设计，使结构的应力分布趋于均匀，避免过高的峰值；,14,4应力腐蚀的防治措施,4.3降低材料对SCC敏感度 采用合理的热处理方法消除残余应力

5、，或改善合金的组织结构以降低对SCC的敏感度：例如采用退火处理消除内应力，高强度铝合金时效处理。,15,1.4应力腐蚀的防治措施,4.4合理选材等其他方法 1.采用高镍的奥氏体钢，可提高SCC的性能 2.采用阴极保护可减缓或者阻止SCC,16,4应力腐蚀的防治措施,SCC像晶间腐蚀一样，能导致飞机结构临界载荷破裂失效。 在飞机制造中，安装和装配应力应该消除。材料应选择较小SCC倾向的铝合金。必须经过长期时效处理、延展和消除应力的铝合金。,17,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,5.1应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，也称为应力腐蚀门槛

6、值。 表示含有宏观裂纹的材料在应力腐蚀条件下的断裂韧度。 一定的材料与介质，KISCC值恒定。是金属材料的一个力学性能指标。,18,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,对含有裂纹的金属材料，应力腐蚀条件下的断裂判据： 当作用于裂纹尖端的初始应力强度因子：,19,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,5.2KISCC的测定方法 （1） 采用光滑试样 数据分散； 对某些材料可能会给出错误的判断 ； 名义应力不反映裂纹扩展的驱动力，不便于工程应用。,20,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,（2） 采用预制裂纹的试样 在不同初始应力强度因子KIi下，记录到的破坏时间tf随KIi的下降而大大增长。 最大应力强度因子KIm

7、ax和门槛应力强度因子KIth（KIscc ）,21,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,（2） 采用预制裂纹的试样 在KIth和KImax之间的区域里，滞后破坏时间tf一般是由孕育期tinc和亚临界裂纹扩展期二者组成。 用da/dt和KI给出的裂纹扩展曲线，在典型情况下由三个区域组成。滞后断裂示意图,亚临界裂纹扩展速率da/dt表征了材料的另一种应力腐蚀抗力。,孕育期：裂纹产生前的一段时间，主要是形成蚀坑（裂纹核心）的过程。,22,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,一种钛合金在3.5%盐水中的破坏时间与初始应力强度因子的关系 ：,最大应力强度因子,门槛应力强度因子,23,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,

8、给定温度、压力和介质中的典型裂纹扩展速率曲线,在I区和区，扩展速率da/dt与应力强度因子有很强的关系，但在区，实际上几乎没有关系（但仍受温度、压力和环境的影响）。,24,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,（3） 两类不同的测试方法 恒载试验 ：这是一种KI不断增大的试验方法，常用悬臂梁式弯曲试验装置，采用类似三点弯曲试样。试样一端固定，另一端与一力臂相连，并由砝码加载。,25,恒位移试验：这是一种KI不断减小的试验方法，常用一种特殊结构的紧凑拉伸试样，并通过螺栓自身加载。试验开始时，用螺栓产生一初始的裂纹张开位移。当裂纹扩展而位移保持恒定时，负荷将自动下降，从而也使K值降低，当K值下降到KIth

9、（KIscc）以下时，裂纹就会基本上停止扩展。,5应力腐蚀抗力指标及测试方法,26,腐蚀疲劳,1腐蚀疲劳定义 2腐蚀疲劳裂纹形态特征 3腐蚀疲劳的机理 4腐蚀疲劳S-N曲线 5腐蚀疲劳裂纹扩展模型 6腐蚀疲劳的控制,27,1腐蚀疲劳定义,腐蚀疲劳是：材料在腐蚀介质中承受交变荷载所产生的疲劳破坏现象。 腐蚀疲劳多存在于传递的推进器、轴、舵、汽车弹簧、轴、矿山绳索。 从失效的意义上说，腐蚀疲劳和常规疲劳相仿，同样有工程裂纹萌生和裂纹扩展两类失效问题。,28,2腐蚀疲劳裂纹形态特征,腐蚀疲劳多数是由小孔腐蚀引起的，断口起源常在孔蚀处、常呈贝壳状，黑白交替分明，中心处是孔蚀引起的应力集中，然后是光亮的

10、穿晶断裂区，再就是穿晶断裂与沿晶断裂交替区，最后是沿晶断裂区。,29,3腐蚀疲劳的机理,蚀孔-应力集中理论 材料在腐蚀环境中，表面形成许多小孔腐蚀。虽然蚀孔数量较多，但只有有滑移阶梯、暴露出新的金属表面的称为阳极蚀孔。点蚀形成过程使材料表面电位不等，由于电化学和引力的联合作用，蚀点不断向金属深处腐蚀，产生了微裂纹。,30,3腐蚀疲劳的机理,表面膜破坏理论 在氧起主要作用的环境中，低频疲劳时，被破坏的表面膜有足够的时间获得修补，不形成裂纹，因此腐蚀疲劳寿命可以很长。 交变应力频率较高时，新暴露的活性点多，修补程度小，腐蚀疲劳严重。,31,4腐蚀疲劳中的S N曲线,材料的腐蚀疲劳特性除和介质有关外

11、，还和材料成分、常规力学性能、试验频率以及抗腐蚀能力有关。 钢的强度愈高，其腐蚀疲劳的敏感性相对愈大。,32,4腐蚀疲劳中的S N曲线,在四种不同环境条件下的S-N曲线,33,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,腐蚀疲劳时疲劳的一种特殊形式。目前工程中常用的疲劳裂纹扩展速率函数是Pairs公式。 它建立了应力强度因子和裂纹扩展速率之间的关系。,34,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,工程中还有一种十分常用的是Forman模型，这是考虑了腐蚀疲劳的环境效应。其实是Pairs公式的一种修正，其形式为,35,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,在上面两个公式的基础上，借助于试验数据，进行回归分析后对模型做出了合理的修正。考虑了介质浓

12、度、加载频率和应力比对腐蚀疲劳裂纹扩展速率的影响，引入了环境加速因子Cenc(f,R,D)。 将不同的载荷频率、应力比、介质浓度组合作为试验条件，对腐蚀疲劳试验过程中记录各种数据Cair,36,5腐蚀疲劳裂纹扩展模型,经过七点增量递增多项式拟合进行回归处理，得到不同试验条件下的疲劳裂纹扩展速率方程。然后引入环境加速因子Cenc。 腐蚀疲劳裂纹扩展速率公式可以表示为：,37,6腐蚀疲劳的控制,1.提高材料表面光洁度，镀锌钢丝在海水中的疲劳寿命得到显著延长 2.使用缓蚀剂 3.阴极保护，广泛用于海洋金属结构物腐蚀疲劳保护 4.表面处理，通过气渗、喷丸和高强度淬火等硬化处理，在材料表面形成压应力层。

13、,38,1938年，英国发生了一起飞机失事的空难事故， 造成机毁人亡。调查发现，飞机发动机主轴断成两截，经过进一步检查，发现在主轴内部有大量像人的头发丝那么细的裂纹。大量“裂纹”是怎么产生的呢？要怎么才能防止这种裂纹造成的断裂现象呢？当时正在谢菲尔德大学研究部工作的中国学者李薰通过大量研究工作，在世界上首次提出的“发裂”是由于钢在冶炼过程中混进的氢原子引起的。,39,氢脆,1氢脆定义 2氢脆分类 3氢脆破坏特点 4氢脆与应力腐蚀的关系 5氢脆的防治措施,40,1氢脆定义,氢脆（hydrogen embrittlement）是由于氢和应力的共同作用而导致金属材料产生塑性下降、断裂或损伤的现象。

14、从力学性能来看，氢脆有以下表现： 氢对金属材料的强度影响不大，但使断面收缩率严重下降，疲劳寿命明显缩短，冲击韧性值显著降低，在低于断裂强度的拉伸应力作用下，材料经过一段时间后会突然脆断。,41,1氢脆定义,在近代工业发展中，大量实践证明，几乎所有金属材料都有不同程度的氢脆倾向。 氢又是石油化工业中的重要原料和工作介质，钢材长期和氢接触，不但可能变脆，而且在较高温度下可能被氢腐蚀。 如炼油过程中的一些加氢反应装置,42,2氢脆分类,按照氢的来源可将氢脆分为内部氢脆和环境氢脆。 （1）内部氢脆：材料在使用前内部已含有足够的氢并导致脆性，它可以是材料在冶炼、热加工、热处理、焊接、电镀、酸洗等制造过程

15、中产生的,43,2氢脆分类,电镀中常出现氢脆 严格控制电镀工艺，镀后通过对电镀件长时间烘烤，使游离状的氢得以释放，减轻对镀件产品的影响。,44,2氢脆分类,环境氢脆 材料原先不含氢或含氢极微，但在有氢的环境与介质中产生氢脆。这样的环境通常包括： 1）在纯氢气中（有少量水分）由分子氢造成氢脆 2）由氢化物，如HF致脆 3）由H2S致脆 4）高强钢在中性水或潮湿的大气中致脆,45,3氢脆断裂特征,氢蚀 氢与金属中的第二相作用生成高压气体，使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。 这种氢脆现象的断裂源产生在工件与高温、高压氢气相接触的部位。 宏观断口形貌：呈氧化色，颗粒状；微观：晶界明显加宽，呈沿晶

16、断裂。,46,3氢脆断裂特征,酸洗及电镀过程中氢进入钢中后常沿晶界处聚集，导致晶界脆化，形成沿晶断裂。,47,3氢脆断裂特征,白点（发裂） 在重轨钢及大截面锻件中易出现这类氢脆。 钢在冷凝过程中溶解度降低而析出大量氢分子，在锻造或轧制过程中来不及逸散出去，便聚集在某些缺陷处而形成氢分子。 氢体积发生急剧膨胀，内压力增大，足以将金属局部撕裂，而形成裂纹。,48,3氢脆断裂特征,在纵向断面上，裂纹呈现近似圆形或椭圆形的银白色斑点，故称为白点；在横断面宏观磨片上，腐蚀后则呈现为毛细裂纹，故称为发裂,49,4氢脆与应力腐蚀的关系,都是由于应力和化学介质共同作用而产生的断裂现象。 联系：产生应力腐蚀时总伴随着有氢的析出，而析出的氢又易于形成氢脆。 区别：应力腐蚀为阳极溶解的过程，氢脆为阴极吸氢的过程,50,5氢脆的防止措施,氢脆一经产生，就消除不了。 （1）降低或抑制材料中的氢含量 冶炼时采用干料，或采用真空处理或真空冶炼。 合金结构钢锻件的冷却要缓慢，防止白点。 对氢敏感的钢材酸洗或电镀后，要进行高温加热。,51,5氢脆的防止措施,（2）力