552氢损伤研究报告

《552氢损伤研究报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《552氢损伤研究报告（50页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、5.5.2 氢损伤 定义： 氢与材料交互作用引起的材料力学性能 受损的现象。 现象： 金属材料的韧性和塑性性能下降，易使材料 开裂或脆断。 分类：氢腐蚀、氢鼓泡、氢裂。 1、氢的来源内氢：冶炼、铸造、电镀、酸洗、焊接、阴极充氢等工艺过程中引入的。外氢：材料使用过程中，由外界环境引入的。1）H2吸附分解成原子氢。2）腐蚀析氢在金属表面分解成原子氢。3）含氢物质与金属表面发生反应放出氢。2、氢的存在形式氢可以H-、H、H+、H2、金属氢化物、固溶体、碳氢化合物等形式存在于金属中。一、氢的来源、存在形式与传输3、氢的传输氢在金属中是以点阵扩散、应力诱导扩散及氢的位错迁移等方式进行传输的。 点阵扩散：

2、金属表面富集氢后与金属内部构成一定的浓度梯度，则氢会向金属内部扩散。氢原子处在金属点阵的间隙位置，从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的过程就是氢的扩散。(陷阱) 应力诱导扩散：氢在应力梯度作用下通过应力诱导扩散，将向高应力区聚集（Corsky效应）。高应力区氢浓度均超过整体的氢浓度。 位错迁移：位错可捕获氢，因此影响氢的点阵扩散，当位错进行运动时，氢气团跟着位错一起运动。氢腐蚀过程孕育期：晶界碳化物及其附近有大量充满甲烷的鼓泡形核。 力学性能和显微组织均无变化迅速腐蚀期：小鼓泡长大并沿晶界形成裂纹。 钢的体积膨胀，力学性能大大下降饱和期：裂纹互相连接，内部脱碳直到碳耗尽。 体积不再膨胀。氢腐蚀的

3、影响因素 温度 氢分压 冷加工变形：加速腐蚀（应变易集中在铁素体和碳化物界面上，在晶界形成高密度微孔，增加了组织和应力的不均匀性，增加气泡形核位置，并有利于裂纹的扩展。） 碳化物的球化处理：使界面能降低而有利于孕育期的延长。 稳定化元素2、氢鼓泡（HydrogenBlistering） 氢鼓泡是指过饱和的氢原子在缺陷位置（如夹杂、气孔、微缝隙处）析出后，形成氢分子，在局部区域造成高氢压（106MPa），引起表面鼓泡或形成内部裂纹，使钢材撕裂开来的现象，称氢诱发开裂（HIC）或氢鼓泡（HB）。3、氢化物脆裂（HydrogenEmbrittlement）氢化物脆裂脆（HE）是指由于氢扩散到金属中以

4、固溶态（氢以H-、H、H+的形态，固溶于金属中）存在，或生成氢化物而导致材料断裂的现象。三、应力诱导氢脆 在加负荷之前并不存在断裂源，而是在应力作用下由于氢与应力的交互作用逐步形成断裂源。 含氢金属在缓慢的变形中逐渐形成裂纹源，裂纹扩展以致脆裂。 材料中的氢在应力梯度作用下向高的三向拉应力处富集，当偏聚氢浓度达到临界值时，就会在应力的联合作用下导致开裂。氢脆的特征1. 一般发生在-100150的温度范围内，室温附近(-30一30)最敏感。2. 形变速度越大，出现现氢脆的温度范围越窄，其塑性降低愈越小。应变速率愈低，氢脆愈敏感。1、氢含量影响随着钢中氢浓度的增加，钢的临界应力下降，延伸率减小，对

5、氢的敏感性增大。当氢气中含有杂质时，会抑制氢损伤。影响氢脆的因素2、温度的影响氢脆一般发生在-3030范围内。温度高于65，一般不产生氢脆。这是由于随着温度的升高，氢的扩散加快，钢中含氢量下降，不容易在裂纹尖端富集的缘故。3、溶液pH值的影响随着pH值降低，断裂时间缩短，当pH值9时，则不易断裂。4、合金成分的影响一般Cr、Mo、W、Ti、V、Nb等元素，能够与钢中的碳形成碳化物，使晶粒细化，提高钢的韧性，对降低氢损伤敏感性是有利的。而Mn加入钢中是会促进裂纹的生成。1、选用耐氢脆性合金2、减小内氢措施： 改进冶炼技术 焊接时采用低氢气氛 电镀时需使用低氢脆工艺，提高电镀的电流效率，减小腐蚀率

6、。 酸洗时合理选用缓蚀剂、减小腐蚀率。 除氢处理四、氢损伤的控制措施3、控制外氢进入金属 障碍氢的直接渗入：可采取在基体上施以低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层。如覆盖Cu、Mo、Al、Ag、Au、W等金属镀层和有机涂层。 阻碍氢的间接进入：采取加入某些合金元素延缓腐蚀反应，或生成的产物具有抵制氢进入基体的作用。如含Cu钢在H2S水介质中，生成Cu2S致密产物，能够降低氢诱发的开裂倾向。 降低外氢的活性：例如在H2S、H2气氛中，加入0608%的氧作为抵制剂，可有效地抵制裂纹的扩展。腐蚀疲劳：是指金属材料在循环应力腐蚀介质共同作用下产生的脆性断裂。循环应力表现的形式是多样的，其中以交变的张应力和压

7、应力的循环应力最为常见。5.5.3 腐蚀疲劳(corrosion fatigue)定义 1、在空气中一般金属疲劳存在着疲劳极限，但在腐蚀疲劳的情况下没有疲劳极限。一、腐蚀疲劳与单纯疲劳的区别2、材料发生纯力学疲劳破坏时，其断面大部分是光滑的、小部分是粗糙面，断面呈现出一些结晶形状，部分呈脆性断裂；而腐蚀疲劳破坏的金属内表面，大部分面积被腐蚀产物所覆盖，小部分呈粗糙碎裂区，并有腐蚀疲劳裂纹、腐蚀坑等。二、腐蚀疲劳和应力腐蚀断裂的区别 腐蚀疲劳裂纹很少有分支 SCC只在特定的腐蚀介质中才产生；CF没有介质的限定 纯金属一般不发生SCC，但能产生CF SCC需要足够大的拉应力，CF不存在疲劳极限 S

8、CC多发生在过渡区，CF在活化区、钝化区均能发生1、蚀孔应力集中理论该理论认为，腐蚀环境使金属表面形成蚀孔，小孔成为应力集中点，在金属受拉应力时该处发生滑移变形，产生滑移台阶，暴露出的新鲜金属表面产生溶解。当受压应力时，不能复原，从而形成裂纹源，交变应力往复，裂纹不断扩展。 铁和铁基合金的腐蚀疲劳在易产生点蚀的介质中更易引发CF。三、腐蚀疲劳的机理2、滑移带优先溶解理论该理论认为，金属在交变应力作用下产生驻留滑移带。在划移带的挤出、挤入处，具有较高的活性，首先遭到腐蚀，导致腐蚀疲劳裂纹形核，在交变应力和电化学的共同作用下，加速了裂纹的扩展。3.吸附电化学理论该理论认为在交变应力作用下，由于滑移

9、所生成的显微凹坑和表面处位错的堆积产生微裂纹。腐蚀介质的作用使金属表面发生了表面活性粒子的吸附，在微裂纹中产生楔入作用。这种楔入吸附引起金属强度降低，在交变应力作用下产生吸附疲劳。若在产生氢的腐蚀中，氢容易扩散渗入金属，在特定条件下氢可导致疲劳，在塑性变形时氢沿滑移面很快地扩散渗入金属，引起脆化，最后造成脆性断裂。四、影响腐蚀疲劳的因素 1、力学因素 应力交变频率 f 及应力不对称系数 R（最小/最大）对腐蚀疲劳有明显影响，如图所示。 只在某一范围内最易产生腐蚀疲劳。腐蚀疲劳还和疲劳的加载方式、应力循环波形和应力集中有关加载方式：扭转疲劳拉压疲劳波形影响：方波、负锯齿波影响小，而正弦波、三角波

10、或正锯齿波影响大。表面缺口处引起的应力集中，容易引发裂纹，故对腐蚀疲劳的初始影响较大，但随疲劳周次数增加，对裂纹扩展的影响减弱。2、环境因素 温度：温度升高、腐蚀疲劳极限下降。 pH值：pH值在4以下时，腐蚀疲劳寿命随pH的降低而降低，当pH=410时保持恒定，而pH=1012时，寿命显著增加。 电流：外加阴极电流极化时，可使裂纹扩展速度明显降低，甚至接近空气中的疲劳强度。3、耐蚀性高的金属例如钛、铜及其合金、不锈钢等，对腐蚀疲劳敏感性较小。1、合理选材2、降低应力3、采用减少腐蚀的措施阴极保护添加缓蚀剂覆盖层表面硬化五、腐蚀疲劳控制的措施一、定义与特征1、磨损腐蚀：指由于腐蚀流体和金属表面间

11、的相对运动，引起金属的加速破坏或腐蚀。造成磨损腐蚀的腐蚀流体可以是气体，液体或含有固体颗粒、气泡的液体等。2、磨损腐蚀的外表特征是被腐蚀的表面出现槽、沟、波纹、圆孔和山谷等形貌，且常常显示方向性。大多数金属和合金，尤其是一些硬度较小的金属更易发生，其中以处在运动流体中的设备，如管道系统、离心机、推进器、叶轮、换热器管、蒸汽管线等等。5.5.4 磨损腐蚀（erosion corrosion）流速与腐蚀速率 流速增加，腐蚀介质与金属表面接触的机会增加，离子的扩散、迁移加快，加速腐蚀； 有缓蚀剂存在，一定的流速使缓蚀剂的利用率充分提高，减少或阻止污泥、尘垢的沉积，不易产生EC。 实际情况中还要考虑悬

12、浮固体的摩擦，生物体的吸附等其他因素。湍流腐蚀湍流腐蚀是由于湍流导致的磨损腐蚀。当流体流速较大时又可称为冲击腐蚀。湍流腐蚀多发生在叶轮、螺旋桨以及泵、搅拌器、离心机、各种导管的弯曲部分。空泡腐蚀空泡腐蚀是由更高速（流速30m/s）液流和腐蚀的共同作用而产生的。如船舶的推进器、涡轮片和泵叶轮。发生空泡腐蚀时，材料表面空穴或汽泡的形成和破灭极其迅速。在一个微小的低压区，每秒种有2106个汽泡破灭，并产生强烈的冲击波，压力可达410MPa。 微振腐蚀是指两种金属相接触的交界面在负荷的条件下，发生微小振动或往复运动而导致金属的损坏。这种腐蚀使金属表面呈现麻点或沟纹，而这些麻点或沟纹的周围是腐蚀产物。

13、微振腐蚀常出现在受振动的机部件，机车部件、螺栓、轴承与轴之间等，它不仅破坏金属部件，而且还产生氧化锈泥，使螺栓连接的设备发生粘接或松动，振动部位还会引起腐蚀疲劳。微振腐蚀磨损-氧化氧化-磨损磨损腐蚀的防护 选用耐磨损腐蚀的材料 改进设计 改变环境 采用合适的涂层 阴极保护 空泡腐蚀：采用光洁度高的表面（减少气泡形成的核点） 设计时使流体动压差尽量的小 微振腐蚀：采用合适的润滑油脂或表面采用磷酸盐涂层 再加上适当的润滑剂选择性腐蚀是指多元合金在腐蚀过程中，合金中较活泼的组元优先溶解，使合金的机械强度降低，并失去金属性能，或者说，从一种固体合金中除去某一种元素的腐蚀称为选择性腐蚀，也称成分选择性腐

14、蚀。在多元合金中，电位较正的金属元素为阴极，电位较负的的金属元素为阳极，构成腐蚀电池，使电位较负的金属发生溶解。比较典型的选择性腐蚀是黄铜脱锌和灰口铸铁的石墨化。另外还有硅青铜脱Si；Co-W-Cr合金脱Co；Cu-Al合金脱Al；Cu-Ni合金脱Ni；青铜脱Sn等。5.6 选择性腐蚀一、定义：一、黄铜脱锌的腐蚀黄铜脱锌的腐蚀形态有两种：1. 均匀型层状脱锌：多发生于含锌量较高的黄铜，而且常在酸性介质中。2. 局部塞状脱锌：多发生于含锌量较低的黄铜和中性、碱性和弱酸介质中。在45%HF中Cu-Ta合金薄膜表面Ta的选择性腐蚀在2%HF中Mg/AFC-77合金薄膜表面Mg的选择性腐蚀1、加锌可提

15、高铜的强度、耐冲击性能。但随Zn含量的增加，脱锌腐蚀及应力腐蚀断裂将变得严重。随锌含量增加其脱锌敏感性越大。如图所示：2、温度对脱锌的影响：如图所示：二、黄铜脱锌腐蚀的危害与影响因素：1、选择性锌溶解机理：选择性溶解机理适用于稀薄的酸性介质中。2、铜溶解再沉积机理：（1）铜溶解（2）锌离子留在溶液中（3）铜重新沉积在基体上黄铜溶解机理适用高酸或海水中。三、黄铜脱锌机理：1. 采用脱锌不敏感的合金。2. 加入某些“缓蚀”合金元素改善黄铜脱锌，如加入004%As可抵制Cu2Cl2的分解，有效防止脱锌。3. 采用缓蚀剂或除氧4. 阴极保护四、防止黄铜脱锌措施：五、试验方法 我国国家标准GBl011988和国际标准19)65D91981所规定的黄铜抗脱锌腐蚀性能测定：采用在温度75的1氯化亚铜水溶液中浸渍24h的化学浸渍法，浸渍后用金相显微镜测定脱锌层深度以作为材料脱锌敏感性的评价和判断。标准中规定此方法可用于检控和研究的目的，但对使用范围不作规定。六、铸铁的石墨腐蚀在灰口铸铁上，铁被选择性溶解，剩下石墨片状的腐蚀。