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1、材料性能学,第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂,Ch1 材料在单向静拉伸载荷下的力学性能 Ch2 材料在其他静载荷下的力学性能 Ch3 材料的冲击韧性及低温脆性Ch4 材料的断裂韧性Ch5 金属的疲劳性能Ch6 金属的应力腐蚀和氢脆Ch7 金属的磨损和接触疲劳Ch8 金属的高温力学性能Ch9Ch11 聚合物、陶瓷、复合材料的力学性能,材料性能学,主要内容,应力腐蚀,氢 脆,金属腐蚀概述,水平热水管线底部垢下局部腐蚀早期穿孔,油田管道焊接接头腐蚀照片,油管腐蚀穿孔,腐蚀危害巨大,造成巨大的经济损失 10%钢铁铁锈，24%GDP 30%钢铁设备损坏 约为水灾、火灾、风灾和地震（平均值）损失的6倍造成
2、金属资源和能源的浪费 1000多万吨环境、安全危害 有毒有害物料泄漏，涂料和缓蚀剂阻碍新技术的发展 先解决腐蚀问题,6.1 金属腐蚀概述,金属与腐蚀介质相互接触由于化学或电化学原因使材料遭受破坏或性能恶化的过程。,本质： 金属（高能态） 化合物（低能态） G0， 自发过程 不可逆过程,一、定义,二、分类,按相互作用的性质： 电化学腐蚀 化学腐蚀,按环境： 大气腐蚀 土壤腐蚀 海水腐蚀 高温气体 化工介质按照破坏形式：全面腐蚀和局部腐蚀 局部腐蚀，集中于金属表面某一区域，危害性大。 腐蚀速度大几百倍,小孔、缝隙、晶间、丝状、应力腐蚀开裂、电偶、氢脆、选择性、冲刷、湍流、气蚀等,（一）腐蚀原电池（
3、二）电极电位及电动序（三）极化（四）金属的钝化,三、金属电化学腐蚀原理,（一）腐蚀原电池,电化学腐蚀的实质：浸在电解质溶液中的金属表面上形 成了以金属为阳极的腐蚀原电池。,(1) 工作原理Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2基本构成：两个电子导体、电解质溶液、导电通路,定义：腐蚀原电池是只能导致金属材料破坏而不能对外界作功的短路原电池。,腐蚀原电池的特点：阳极反应是金属的氧化反应，金属破坏阴、阳极短路，化学能热能，不对外做功不可逆过程,原电池能量转换: 化学能电能,（2）形成腐蚀原电池的原因,金属方面成分不均匀组织结构表面状态应力和形变热处理差异,环境方面金属离子浓度差异氧含量差异温
4、度差异,电化学不均匀,（3）腐蚀原电池的种类,宏观微观,(4)腐蚀过程的产物,可溶和不可溶性产物,定义：电极反应导致在“金属介质”两相界面上建立起的离子双电层结构间存在的电位差。,（1）电极电位,（二）电极电位及电动序,（2）电动序,电动序： 将各种金属的标准电位的数值从小到大排列起来作用：粗略地判断金属的腐蚀倾向,标准电位 标准状态时的平衡电位E0称为标准电位。,金属在25度时的标准电极电位EO（V，SHE）,腐 蚀 热 力 学,电 极 反 应,Eo,电 极 反 应,Eo,K=K+eNa=Na+eMg=Mg2+2eAl=Al3+3eTi=Ti2+2eMn=Mn2+2eCr=Cr2+2eZn=
5、Zn2+2eCr=Cr3+3eFe=Fe2+2eCd=Cd2+2eMn=Mn3+3eCo=Co2+2e,-2.925-2.714-2.37-1.66-1.63-1.18-0.913-0.762-0.74-0.440-0.402-0.283-0.277,Ni=Ni2+2eMo=Mo3+3eSn=Sn2+2ePb=Pb2+2eFe=Fe3+3eH2=2H+2eCu=Cu2+2eCu=Cu+e2Hg=Hg22+2eAg=Ag+eHg=Hg2+2ePt=Pt2+2eAu=Au3+3e,-0.250-0.2-0.136-0.126-0.0360.000+0.337+0.521+0.189+0.799+0
6、.854+1.19+1.50,（三）极化与极化曲线,(1) 极化 当电极上有电流流过时电位显著偏离未通电流时的起始值的现象。,阳极极化的原因： V电子迁移V金属溶解（活化极化） V金属溶解V离子扩散（浓差极化） 阳极钝化，（电阻极化）阴极极化的原因： V电子迁移V阴极反应（活化极化） 反应物或反应生成物扩散速度慢，（浓差极化）,钝化：金属由于表面生成致密钝化膜，阻碍金属氧化产生阳极极化的现象。 化学或电化学钝化,（四）金属的钝化,6.2 应力腐蚀,应力腐蚀断裂SCC（Stress Corrosion Cracking） 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一段时间后所产生的低应力脆断现
7、象。,一、应力腐蚀现象及其产生条件,1. 现象,SCC（Stress Corrosion Cracking）,2. 产生条件,应 力,化学介质,金属材料,铝镁合金：Mg 4%，对应力腐蚀敏感铁碳合金：C0.12时应力敏感性最大,拉应力（不大），工作应力+残余应力,特定的化学介质，弱腐蚀性,合金，有敏感成分,二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征,金属表面处于钝化状态应力作用下，滑移台阶露头且钝化膜破裂成为阳极，电化学腐蚀应力集中，使阳极电极电位降低，加大腐蚀；若应力集中始终存在，裂纹逐步向纵深扩展。,1. 断裂机理,滑移溶解理论（钝化膜破坏理论）,讨论：应力腐蚀速度,应力腐蚀电流：,极化过程强烈时
8、：（VcVa）将变小，腐蚀受抑制 钝化膜,去极化过程强烈： （VcVa）将变大，腐蚀电流 大，全面腐蚀,结论：应力腐蚀只有金属在介质中略具钝化膜时 才能发生。,2. SCC断口特征,亚稳扩展区腐蚀产物和氧化现象黑色或灰黑色，具有脆性特征最后瞬断区快速撕裂破坏，基材特性显微裂纹常有分叉现象，枯树枝状,裂纹源,亚稳区,瞬断区,最黑,较黑,较亮,微观断口形貌,沿晶断裂，也可为穿晶解理或准解理断裂 “泥状花样”及腐蚀坑,SCC（Stress Corrosion Cracking）,条件：拉应力、化学介质、金属材料,机理：滑移溶解理论,断口特征枯树枝状泥状花样,三、应力腐蚀抗力指标,应力-断裂时间(-t
9、f)曲线不发生应力腐蚀的临界应力scc不能客观反映SCC抗力 tf=t裂纹形成(90%tf)+t扩展,光滑试样，拉应力+化学介质持续时间,实际存在裂纹断裂力学原理，预制裂纹，引入KI的概念应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC 应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt,不能反映实际SCC抗力?,（一）KIscc,tf与KI初有关KI初KIC立即断裂KI初， tf增长，不变，a， KI，当KI KIC，突然断裂,应力腐蚀门槛值：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，KISCC断裂判据：KI初 KISCC,KISCC的测定,恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法,（二）da/dt,应力腐蚀裂纹扩展速
10、率：单位时间内裂纹的扩展量da/dt=f（KI）阶段：密切依赖于KI阶段：电化学过程控制，裂尖分叉，与KI无关阶段：依赖于KI,四、防止应力腐蚀的措施,合理选择金属材料,减少或消除机件中的残余拉应力,改善化学介质,采用电化学保护,6.3 氢脆,存在形式固溶态：间隙原子 分子态：在缺陷（如空洞、气泡、裂纹等）处氢化物气体产物：CH4,由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产生脆断的现象,一、氢在金属中的存在形式,来源“内含的”、“外来的”,二、氢脆类型及特征,高压气体（CH4）晶界结合力减弱而导致金属脆化。形成位置 机件与高温、高压氢气相接触的部位。碳钢，300 500断口特征 宏观：氧化色，颗粒
11、状 微观：晶界明显加宽，沿晶断裂,(1) 氢蚀,(2) 白点（发裂）,聚集在缺陷处的H2发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕裂，形成微裂纹，微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。,防止措施 精炼除气、锻后缓冷、等温退火、或加入稀土等,图6-8 10CrNiMoV钢锻材中的白点形貌,（3）氢化物致脆,IVB或VB族金属(Ti、Zr、V、Ni和Nb）与氢极易形成氢化物，使金属脆化。,对温度及缺口尖锐敏感界面是裂纹源，断口可见氢化物氢化物形状与分布,(4) 氢致延滞断裂（HIC）,由于氢的作用而产生的延滞断裂现象 高强度钢或钛合金，固溶态氢，s，经过孕育期，三向拉应力区形成裂纹，逐步扩展脆性
12、断裂特点(1) 只在一定温度范围内出现。(2) 提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低。(3) 可显著降低和。(4) 高强度钢的HIC具有可逆性。,断口特征,与脆性断口相似。沿晶断裂，晶界面上有许多撕裂棱。实际断口裂纹扩展途径和KI有关： KI高，穿晶韧窝； KI中，准解理； KI低，沿晶断裂类型与杂质含量有关 杂质高沿晶断裂 杂质低穿晶断裂,三、钢的HIC机理,高强钢HIC三阶段：1）孕育阶段（H钢中迁移H偏聚裂纹）三个步骤：氢原子进入钢中、氢在钢中的迁移和氢的偏聚。 需要时间2）裂纹亚稳扩展3）裂纹失稳扩展,氢气团与位错的交互作用,氢与位错交互作用理论：,障碍，位错塞积应力集中裂纹 氢原子聚
13、集，塞积区脆化，裂纹易发生和扩展,H-Fe, 膨胀畸变位错,H位错拉应力区氢气团,氢气团随位错一起运动，“钉扎”作用,裂纹尖端，三向拉应力区，氢原子易于偏聚,H向裂尖的塑性与弹性区界面处偏聚脆化形成新裂纹新裂纹与原裂纹尖端汇合裂纹扩展步进式扩展aac，失稳扩展,讨论：应变速率和温度与HIC,大时： 氢原子的运动跟不上位错运动，无氢脆；温度高时： 热扩散作用增强，氢气团难以形成，也无氢脆；结论： 氢致延滞断裂在一定和一定温度范围内才能出现,四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系,SCC：阳极溶解过程，阳极活性通道开裂HIC：阴极吸氢过程极化试验判断,五、防止氢脆的措施,环境因素切断氢进入的途径，延缓反应速度，表面涂层或抑制剂力学因素避免产生残余拉应力，KI HIC材质因素C和S低，HIC；强度级别，HIC细化晶粒，HIC ，冷变形则增大HIC显微组织，递增顺序：P球、P片、M回或B、M,Thanks for attention!,
