1、第第6章章 材料在環境介質作用下材料在環境介質作用下的力學行為的力學行為前言前言 材料在應力和環境條件下的共同作用共同作用引起材料力學性能的下降、發生的過早脆性斷裂脆性斷裂現象稱為材料的環境誘發斷裂或環境敏感斷裂。環境敏感斷裂的分類：根據構件的受力狀態：應力腐蝕開裂；腐蝕疲勞斷裂；微動腐蝕等從破壞機理看：裂紋頂端陽極溶解引起的應力腐蝕斷裂；陰極析氫引起的氫脆或氫致斷裂。從材料的種類看：金屬材料的環境敏感斷裂；玻璃、陶瓷的環境敏感斷裂；聚合物的環境敏感斷裂；從環境介質：氣態、液態、固態的的環境敏感斷裂6.1 6.1 應力腐蝕應力腐蝕6.1.1 應力腐蝕的特點應力腐蝕的特點 材料或零件在應力和腐蝕

2、環境的共同作用共同作用下引起的破壞叫應力腐蝕。 應力的危險性正在于它常發生在相當緩和的介質和不大的應力狀態下，而且往往事先沒有明顯的預兆。 應力腐蝕開裂具有以下特征(1) 造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應力。這個應力可以是外加應力，也可以是焊接、冷加工或熱處理產生的殘留拉應力。最早發現的冷加工黃銅子彈殼在含有潮濕的氨氣介質中的腐蝕破壞，就是由于冷加工造成的殘留拉應力的結果。假如經過去應力退火，這種事故就可以避免。(2) 應力腐蝕造成的破壞，是脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形。(3)只有在特定的合金成分與特定的介質相組合時才會造成應力腐蝕。例如黃銅只有在氨溶液中才會

3、腐蝕破壞，而黃銅在水中就能破裂。 (4) 應力腐蝕的裂紋擴展速率一般在10-9-10-6m/s，有點象疲勞，是漸進緩慢的，這種亞臨界的擴展狀況一直達到某一臨界尺寸，使剩余下的斷面不能承受外載時，就突然發生斷裂。 (5) 應力腐蝕的裂紋多起源于表面蝕坑處，而裂紋的傳播途徑常垂直于拉力軸。 (6) 應力腐蝕破壞的斷口，其顏色灰暗，表面常有腐蝕產物，而疲勞斷口的表面，如果是新鮮斷口常常較光滑，有光澤。 (7) 應力腐蝕的主裂紋擴展時常有分枝。 (8) 應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂，也可以是晶間斷裂。如果是穿晶斷裂，其斷口是解理或準解理的，其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記。 典型的應力腐蝕照片典型的

4、應力腐蝕照片6.1.2典型材料的應力腐蝕 2. 不銹鋼在氯化物溶液中的應力腐蝕 3. 銅合金在氨水溶液中的應力腐蝕 6.1.3 應力腐蝕抗力指標及測試方法 早期對應力腐蝕開裂的研究，通常采用光滑試樣在拉應力和化學介質共同作用下，依據發生斷裂的持續時間來評定材料的抗應力腐蝕性能。 進行試驗時，采用一組相同的試樣，在不同的應力水平作用下測定其斷裂時間tf ,作出tf 曲線。斷裂時間隨外加拉伸應力的降低而增加 。2. 不能正確得出裂紋擴展速率的變化規律。因為這種傳統的方法是以名義應力作為裂紋擴展驅動力的，它不能反應裂紋頂端的應力狀態。只有把斷裂力學引如應力腐蝕斷裂的研究中后，這問題才能得到解決。3.

5、 費時，不能用于工程設計。2、裂紋試樣的評價指標通過對比可以發現：(1)KK1SCC時，在應力作用下，材料或零件可以長期處于腐蝕環境中而不發生破壞。(2)K1SCCKK1C時，加上初始載荷后立即斷裂。盡管初始K值不同，裂紋擴展速率和斷裂時間也不同，但材料的最終破壞都是在K=K1C時發生的。 應該指出，高強度鋼和鈦合金都有一定的門檻值K1SCC，但鋁合金卻沒有明顯的門檻值，其門檻值只能根據指定的試驗時間而定。一般認為對于這類試驗的時間至少要1000小時，使用這類K1SCC數據時必須十分小心。特別是如果所設計的工程構件在腐蝕性環境中應用的時間比產生K1SCC數據的試驗時間長時，更要小心。 2、除了

6、用K1SCC來表示材料的應力腐蝕抗力外，也可測量裂紋擴展速率da/dt。 由上可見，當應力腐蝕裂紋頂端的KIKSCC時，裂紋就會不斷擴展。單位時間內裂紋的擴展量稱為應力腐蝕裂紋擴展速率，常用da/dt表示。 試驗證明，da/dt與KI有關。在lg(da/dt)-KI的坐標圖上，其關系曲線如圖所示：3、SCC裂紋構件的使用壽命 根據KISCC和裂紋擴展速率da/dt，能夠評估構件的安全和壽命。由于KIKISCC，時，構件是安全的，所以可以利用KISCC計算出臨界裂紋的長度a0.如果aa0，則在工作應力下裂紋會因應力腐蝕而不斷擴展。此時，可以根據裂紋擴展速率來預測構件的使用壽命。 試驗時保持一個恒

7、定載荷之中試樣斷裂，記下斷裂時間tf，利用上式計算出初始應力強度因子KI。用若干個試樣在不同載荷下重復上述試樣，得到一系列的tf和相應的KI，畫出KI-tf曲線，對應無限斷裂時間的KI就是KISCC。 實際測試中可以規定一個較長的截止時間（100300h）作為確定KISCC的基準。另外，利用懸臂梁彎曲試驗，也可以同時測出da/dt-KI曲線。 一種是載荷恒定，使K1不斷增大的方法，最常用的是恒載荷的懸臂梁彎曲試驗裝置。另一種測定K1SCC的方法是位移恒定，使K1不斷減少,用緊湊拉伸試樣和螺栓加載。 這兩種方法各有其優缺點。用懸臂梁彎曲方法可得到完整的K1初始-斷裂時間曲線，能夠較準確的確定K1

8、SCC，缺點是所需試樣較多。恒位移法不需特殊試驗機，便于現場測試，原則上用一個試樣即可測定K1SCC值，缺點是裂紋擴展趨向停止的時間很長。當停止試驗時，擴展的裂紋前沿有時不太規整，在判定裂紋究竟是擴展了還是已停止擴展發生困難，因此在計算K1SCC時就有一定誤差。6.1.4 影響應力腐蝕的因素影響應力腐蝕的因素2.環境因素環境因素 奧氏體不銹鋼對鹵化物元素是十分敏感的；同樣，一些銅合金對含氨的環境也是很敏感的。奧氏體不銹鋼固然對氯化物產生應力腐蝕很敏感，但氯或鹵素離子并不是唯一的決定因素，產生SCC還必須有氧存在。對加鈮的18-8不銹鋼研究發現，只要其中有百萬分之幾的氧就能和氯化物共同造成應力腐

9、蝕。奧氏體不銹鋼在沸騰的MgCl2溶液中，只有氮濃度超過500X10-6才產生SCC，而在氮濃度小于500X10-6時，則不發生應力腐蝕。溶液的PH值對應力腐蝕的敏感性也有很大的影響。 應力腐蝕斷裂的機理 經過多年的試驗研究和理論分析，雖然已對應力腐蝕斷裂提出了許多機理，但是迄今沒有一種機制能夠滿意地解釋各種應力腐蝕斷裂現象。盡管如此，從材料和環境介質相互作用的觀點講，滑移溶解機理目前被廣泛接受的模型。 由應力腐蝕斷裂的電化學因素可知，應力腐蝕斷裂常在鈍化膜不穩定的電位區中發生，這表明SCC和鈍化膜的破壞有密切關系。 該機理認為：金屬或合金在腐蝕介質中可能會形成一層鈍化膜，如應力能使膜局部破裂

10、，局部地區露出無膜的金屬，它相對膜未破裂的部位是陽極相，會發生瞬時溶解。新鮮金屬在溶液中會發生再鈍化，鈍化膜重新形成后溶解就停止，已經溶解的區域由于存在應力集中，因而使該處的再鈍化膜再一次破裂，又發生瞬時溶解，這種破裂、金屬溶解、再鈍化過程的循環重復，就導致應力腐蝕裂紋的形核和擴展。 應力腐蝕機理就是滑移-溶解理論。它可以簡單地歸結為四個過程，這就是滑移-膜破-陽極溶解-再鈍化。這一機理所提出的基本概念廣為多數人接受。 但是，滑移-溶解機理只能很好地解釋沿晶斷裂的應力腐蝕，而對穿晶型斷裂如奧氏體不銹鋼的氯脆，卻遇到了很大困難。因為穿晶斷裂型的應力腐蝕，其斷裂表面不是在滑移面上，斷裂具有類似解理

11、的特征。6.2 氫氫 脆脆 6.2.1 金屬中的氫金屬中的氫 金屬中氫的來源可將氫脆分為內部氫脆和環境氫脆。所謂內部氫脆就是材料在使用前內部已含有足夠的氫并導致了脆性，它可以是材料在冶煉、熱加工、熱處理、焊接、電鍍、酸洗等制造過程中產生。 而環境氫脆則是指材料原先不含氫或含氫極微，但在有氫的環境與介質中產生。這樣的環境通常有(1)在純氫氣氛中(有少量的水分，甚至干氫)由分子氫造成氫脆；(2)由氫化物致脆；(3)由H2S致脆；(4)高強鋼在中性水或潮濕的大氣中致脆。無論是內部氫脆還是環境氫脆，其脆化的本質都是一樣的。6.2.4 氫致斷裂和應力腐蝕的關系 應力腐蝕和氫致延滯斷裂都是由于應力和化學介

12、質共同作用而產生的延滯斷裂現象，兩者關系十分密切。如圖是鋼在特定化學介質中產生應力腐蝕和氫致滯后斷裂的電化學原理。由圖可見，氫致斷裂和應力腐蝕相比，其特點表現在以下幾個方面： (3)斷裂的主裂紋沒有分枝的情況，這和應力腐蝕的裂紋是截然不同的。氫脆的斷裂可以是穿晶的也可以是沿晶的，或者從一種裂紋擴展型式轉變成另一種型式，但就具體的金屬-環境組合來說，氫脆有特定的裂紋形態。 (4)氫脆斷口上一般沒有腐蝕產物或者其量極微。 (5)大多數的氫脆斷裂(氫化物的氫脆除外)，都表現出對溫度和形變速率有強烈的依賴關系。氫脆只在一定的溫度范圍內出現，出現氫脆的溫度區間決定于合金的化學成分和形變速率。形變速度愈大

13、，氫脆的敏感性愈小，當形變速率大于某一臨界值后，則氫脆完全消失。氫脆對材料的屈服強度影響較小，但對斷面收縮率則影響較大。 6.2.5 氫致斷裂的測試與評價6.2.6 氫致斷裂的保護措施6.3 腐蝕疲勞腐蝕疲勞6.3.1 腐蝕疲勞特點腐蝕疲勞特點 材料或零件在交變應力和腐蝕介質的共同作用下造成的失效叫做腐蝕疲勞腐蝕疲勞。這里需注意的是，腐蝕疲勞和應力疲勞不同，雖然兩者都是應力和腐蝕介質的聯合作用，但作用的應力是不同的，應力腐蝕指的是靜應力，而且主要是指拉應力，因此也叫靜疲勞。而后者則強調的是交變應力。腐蝕疲勞和應力腐蝕相比，主要有以下不同點： (1)應力腐蝕是在特定的材料特定的材料與介質介質組合

14、下才發生的，而腐蝕疲勞卻沒有這個限制，它在任何介質中均會出現。 (2)對應力腐蝕來說，有一臨界應力強度因子K1SCC，這是材料固有的性能，當外加應力強度因子K1K1SCC，材料不會發生應力腐蝕裂紋擴展。但對腐蝕疲勞，即使KmaxK1SCC，疲勞裂紋仍舊會擴展。 (3)應力腐蝕破壞時，只有一兩個主裂紋，主裂紋上有分支小裂紋，而腐蝕疲勞裂紋源有多處，裂紋沒有分支。 (4)在一定的介質中，應力腐蝕裂紋尖端的溶液酸度是較高的，總是高于整體環境的平均值。而腐蝕疲勞在交變應力作用下，裂紋不斷的張開與閉合，促使介質的流動，所以裂紋尖端溶液的酸度與周圍環境的平均值差別不大。 另一方面，腐蝕疲勞與真空中或惰性氣

15、體甚至是在一般實驗室大氣介質中的疲勞行為相比較，我們常把后者稱為純機械疲勞或大氣疲勞。所以與大氣疲勞相比，腐蝕疲勞又具有以下特點： (1)作腐蝕疲勞的S-lgN曲線，沒有象大氣疲勞那樣，有明顯的水平臺，亦即沒有明確的疲勞極限，一般用指定周次來作為條件疲勞極限。 (2)腐蝕疲勞極限與靜強度之間沒有直接的關系。 (3)在大氣環境中，當加載頻率小于1000Hz時，對疲勞極限基本上無影響。但腐蝕疲勞對加載頻率十分敏感，頻率越低，疲勞強度與壽命也越低。 (4)腐蝕疲勞條件下裂紋極易萌生，故裂紋擴展是疲勞壽命的主要組成部分。而大氣環境下光滑試樣的裂紋萌生構成疲勞壽命的主要部分。 6.3.2 影響腐蝕疲勞裂

16、紋擴展的因素影響腐蝕疲勞裂紋擴展的因素 1.環境因素環境因素在空氣介質中，氧和水蒸汽是引起腐蝕的主要成分，因而能很大程度地降低材料的腐蝕疲勞強度。對于銅、黃銅和碳鋼等韌性材料，起腐蝕作用的主要是氧。而對高強度鋼、高強度鋁合金等對應力腐蝕敏感的材料，水蒸氣對裂紋擴展速率有很大影響。其原因是水蒸汽與金屬表面反應，生成了金屬氧化物和氫，而氫擴散到裂紋頂端產生了氫脆。 另外，溶液的溫度、氧含量和PH值等，都會對腐蝕疲勞裂紋的擴展速率有很大的影響。如碳鋼在海水中，當溫度從15升高45時，鋼的疲勞強度會降低一半。溶液中的鹵素離子有很強的腐蝕性，能加速疲勞裂紋的形成和發展，溶液的pH值越小，腐蝕性越強。PH值在4以下時，腐蝕疲勞壽命明顯降低；pH