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1、第二章 常见失效形式及其判断,常见失效形式（11种）：过量弹性变形失效、屈服失效（塑性变形失效）、塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效、应力腐蚀失效、氢脆失效、腐蚀疲劳失效、磨损失效、蠕变失效。,掌握内容：产生条件、特征、诊断、防止措施。,一、概述 定义：当应力或温度引起构件可恢复的弹性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时，就叫做过量弹性变形失效。零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形，应力与应变之间服从虎克（Hooke）定律=E(21),2.1 过量弹性变形失效,这种变形为弹性变形，是受力作用时的必然结果，一般不会引起麻烦。但在一些精密机械中，对零件的尺寸和匹配关系要求严格，
2、当弹性变形超过规定的限量(在弹性极限以内)时，会造成零件的不正常匹配关系。例：航天火箭中惯性制导的陀螺元件，如果对弹性变形问题处理不当，就会因漂移过大而失效。,2.1 过量弹性变形失效,线膨胀系数是表征材料热胀冷缩特性的参数。不同材料具有不同的线膨胀系数。如果材料匹配不当，在温度改变时就可能引发故障。例：钢的线膨胀系数约为121061，是青铜的一半，如果用2Crl3不锈钢作轴，用青铜作轴瓦，这样的结构在常温下可以很好地工作，但当温度很低时，就会因轴的收缩远小于轴瓦的收缩而发生抱轴现象。工作载荷和(或)温度使零件产生的弹性变形量超过零件匹配所允许的数值时，就将导致弹性变形失效。,2.1 过量弹性
3、变形失效,二、特征及判断方法弹性变形失效的判断往往比较困难。这是因为，虽然应力或(和)温度在工作状态下曾引起变形并导致失效，但是在解剖或测量零件尺寸时，变形已经消失。综合考虑以下几个因素：(1)失效产品是否有严格的尺寸匹配要求，是否有高温或低温工作经历。,2.1 过量弹性变形失效,(2)在失效分析时，应注意观察在正常工作下相互接触的配合表面上是否有划伤、擦痕或磨损等痕迹。,(3)在设计时是否考虑了弹性变形(包括热膨胀变形)的影响，并采取了相应的措施。(4)通过计算来验证是否有弹性变形失效的可能。,2.1 过量弹性变形失效,三、防止措施失效的责任几乎全部在于设计者的考虑不周、计算错误或选材不当，
4、故防止措施主要应从设计方面考虑。1选择合适的材料或结构 如果由机械应力引起的弹性变形是主要问题，则可以根据具体的要求选用适当的材料。,2.1 过量弹性变形失效,例：宇航惯性制导的陀螺平台选用铍合金制造，就是因为其弹性模量高，不容易引起弹性变形。铍的弹性模量为铝的4倍、钢的15倍。如果考虑到相对密度，则铍的比刚度为铝或钢的6倍多。在空间允许的情况下，也可以采用增加截面积、降低应力水平的办法来减小弹性变形。如果热膨胀变形是主要问题，则可以根据实际需要采用热膨胀系数适合的材料。,2.1 过量弹性变形失效,2确定适当的匹配尺寸 弹性变形量是可以计算的，这种尺寸的变化应当在设计时加以考虑。低温度下工作的
5、机件，其间隙不仅应保证在常温下正常工作，而且还要确保在低温下尺寸变化后仍能正常工作。对于几何形状复杂、难于计算的零件可通过试验来解决。,2.1 过量弹性变形失效,3采用减少变形影响的转接件 在系统中采用软管等柔性构件，可显著减少弹 性变形的有害影响。,一、概述 塑性变形：零件受力后产生的不可恢复的变形。在零件正常工作时，塑性变形一般是不允许的，它的出现说明零件受力过大。但也不是出现任何程度的塑性变形都一定导致失效。屈服失效：当受载荷的构件产生不可恢复的塑性变形大到足以妨碍装备正常发挥预定功能时。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,例：由过量塑性变形引起的失效称为屈服失效，如某厂的洗涤塔为高20
6、.5m、直径3.5m、壁厚8mm的圆筒结构，用于精洗煤气。在输入煤气前，先用蒸汽冲洗洗涤塔约3min，塔内温度约为70。其后，错误地关闭了放散阀，又错误地向塔内喷冷水，致使塔内冷凝加快形成负压。在外部大气压力下，塔壁收缩内陷，导致从塔顶至底部发生整体歪扭，中部呈细颈状，产生屈服失效。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,二、特征及判断屈服失效的特征：失效件有明显的塑性变形。判断：塑性变形很容易鉴别，只要将失效件进行测量或与正常件进行比较即可确定。严重的塑性变形(如扭曲、弯曲、薄壁件的凹陷等变形特征)用肉眼即可判别。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,两个互相接触的曲面之间，存在有静压应力，可使匹
7、配的一方或双方产生局部屈服形成局部的凹陷，严重者会影响其正常工作，这称为过载压痕损伤，是屈服失效的一种特殊形式。例如：滚珠轴承在开始运转前，如果静载过大，钢球将压入滚道，使其型面受到破坏。这样的轴承在随后的工作中就会使振动加剧而导致早期失效。,过载压痕损伤：,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,三、防止和改进措施1降低实际应力(1)降低工作应力。降低工作应力可从增加零件的有效截面积和减少工作载荷两个方面考虑。准确地确定零件的工作载荷，正确地进行应力计算，合理地选取安全系数，并注意不要在使用中超载。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,(2)减少残余应力。残余应力的大小与工艺因素有关。应根据零件和材
8、料的具体特点和要求，合理地制定工艺流程，采取相应的措施，以便将残余应力控制在最低限度。(3)降低应力集中。应力集中对塑性变形和断裂失效都很重要，这将在后面的章节作较详细说明。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,2提高材料的屈服强度 零件的实际屈服强度与选用的材料、状态以及冶金质量有关，因此，必须依据具体情况合理选材，严格控制材质，正确制定和严格控制工艺过程。具体问题要具体分析，要依据失效分析的结果有针对性地采取相应的措施。,2.2 屈服失效（塑性变形失效）,一、概述 塑性断裂失效：构件在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为塑性断裂失效。当零件所受实际应力高于材料的屈服强度时，将产生塑性变形
9、。如果应力进一步增加，并且该零件与其他零部件的匹配关系又允许时，塑性变形将继续进行，就可能发生断裂(破裂)。这种形式的失效称为塑性断裂失效。特点：是在零件断裂之前有一定程度的塑性变形。,2.3 塑性断裂失效,2.3 塑性断裂失效,二、特征及判断1主要特征(1)在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在塑性变形(截面收缩)处有用肉眼或探伤仪能检测出的裂纹。(2)用扫描电镜观察，断口上存在大面积的韧窝。(3)用高倍金相显微镜观察，裂纹或断口附近的组织有明显的塑性变形层。,2.3 塑性断裂失效,2判断依据当零件断裂或出现裂纹，同时又具有下列特征之一者，可判定为塑性断裂。(1)有肉眼可见的塑性变形特征，如
10、扭角、挠曲、变粗，颈缩和鼓包等形状变化。(2)零件表面覆盖的脆性膜开裂。(3)断口两侧不能拼合。(4)裂纹源区断口粗糙，呈纤维状，色泽灰暗。,2.3 塑性断裂失效,三、改进措施塑性断裂的改进措施与屈服失效相同，但因断裂是更为严重的失效，应尽可能使塑性变形不继续发展成为断裂，可以在设计上采用变形限位装置或者增加变形保护报警系统等。,2.3 塑性断裂失效,一、概述 脆性断裂失效：构件在断裂前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂形式。断裂应力低于材料屈服强度，因此称为低应力脆断。工作条件:高速、高压、高温和低温导致材料的服役条件越来越苛刻。一些大型结构、设施往往在符合设计要求、满足规定性能指标
11、的条件下，发生突发性的断裂，这种断裂属脆性断裂失效，因事先无预兆，往往造成严重的损失。,2.4 脆性断裂失效,几种主要形式：1低温脆性断裂低温脆性断裂主要发生于体心立方和密排六方金属材料中，这些材料称为低温脆性材料，低碳钢是其典型代表。图2.1表明温度对光滑试样屈服强度s和脆性断裂强度f，的影响，可见随温度降低，s明显升高，而f则无明显变化。,2.4 脆性断裂失效,2.4 脆性断裂失效,s和f对温度变化敏感性的差异造成了材料在低温条件下的脆性表现。脆性转变温度：s和f的交点对应的温度Tk。Tf，材料表现为脆性断裂；TTk时，sf 则表现为塑性断裂。,2.4 脆性断裂失效,和 的交点对应的温度为
12、,为缺口试样的脆性转变温度。时，可见缺口导致材料脆性倾向增加，使脆性转变温度向高温推移。在 之间，光滑试样表现为塑性断裂，而缺口试样则表现为脆性断裂。试样上存在其他对变形有约束作用的因素时，或者试验时加载速率升高，都可以导致屈服应力升高，增加材料脆性倾向，其效果与缺口的影响相当。,2.4 脆性断裂失效,脆性转变温度是低温脆性材料的一个非常重要的性能指标，实践也证明，所有零件的低温脆性断裂都是在低于其脆性转变温度的条件下发生的。防止低温脆性断裂，要保证零件的最低工作温度高于其脆性转变温度，即(22),2.4 脆性断裂失效,2含裂纹试样或零件的低应力脆断近代发生的大型金属结构脆性断裂的分析表明，断
13、裂起始于结构中的既存裂纹，断裂以既存裂纹为源。即断裂力学问题。断裂力学认为结构发生脆性断裂时，结构中的裂纹尺寸a与其断裂应力f存在如下关系(23),2.4 脆性断裂失效,此式表明结构发生脆性断裂的临界条件。结构所受应力水平越高，发生脆性断裂时的裂纹尺寸越小；结构中含有的既存裂纹尺寸越大，则脆性断裂时的应力水平越低。,2.4 脆性断裂失效,2.4 脆性断裂失效,曲线将坐标平面分为两个区，区为安全区，区为断裂区。将材料的屈服强度也表示在图中，如图中水平虚线，二者交点所对应的裂纹尺寸ac则是裂纹体的重要参数。当aac时，s f，则表现为脆性断裂。可见ac是一定应力环境中裂纹体失稳的临界裂纹尺寸，裂纹
14、体的低应力脆断都是在既存裂纹尺寸大于ac，使断裂应力低于材料的屈服强度的情况下发生的。,2.4 脆性断裂失效,3冶金缺陷引起的低应力脆断金属材料在热加工过程中，有时因工艺偏差造成组织缺陷，这些含有冶金缺陷的材料在一定条件下也表现为低应力脆断。例如，过热引起晶粒异常长大，非金属夹杂物颗粒沿晶界析出；过烧不但引起晶粒粗大而且有晶界熔化、氧化或在晶界形成低熔点共晶；回火脆性引起有害杂质元素沿晶界偏聚，减弱了晶界结合力等。,2.4 脆性断裂失效,事例（晶粒增大）如某水电站的一台水轮机组，蜗壳外径4.5m，采用30mm厚的16Mn钢板，切割后加热到1200热弯成型。弯曲变形时各部变形量约 810。在工地
15、上拼焊时严重开裂。据分析，变形后，钢板温度仍在1100，由于形变再结晶，引起晶粒急剧长大，使脆性转变温度在室温以上，焊接时仅在焊接应力作用下足以引起脆断。,2.4 脆性断裂失效,特征：(1)断裂部位在宏观上几乎看不出或者完全没有塑性变形，碎块断口可以拼合复原。(2)起裂部位常在变截面处即应力集中部位，或者存在表面缺陷或内部缺陷处。(3)形成平断口，断口平面与主应力方向垂直。(4)断口呈细瓷状，较光亮，对着光线转动，可看到闪光刻面，无剪切唇。(5)断裂常发生于低温条件下，或受冲击载荷作用时。(6)断裂过程瞬间完成，无预兆。,二、特征及判断,2.4 脆性断裂失效,(1)设计上应保证工作温度高于材料
16、的脆性转变温度，对在低温下工作的零件应选用脆性转变温度比工作温度更低的材料；避免三向应力的工作条件，减缓应力集中。(2)工艺上应正确执行工艺规程，避免诸如过热、过烧、回火脆性、焊接裂纹及淬火裂纹等。(3)操作上应遵守设计规定的使用条件，操作平稳，尽量避免冲击载荷。,三、防止和改进措施,2.4 脆性断裂失效,一、概述 腐蚀：是材料表面与服役环境发生物理或化学反应，使材料发生损坏或变质的现象。腐蚀失效：构件发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能 称为腐蚀失效。危害：直接损失：世界上生产的钢铁约有20-40因腐 蚀失效而报废。间接损失：诱发重大事故，导致经济损失甚至人身 伤亡。,2.5 腐蚀失效,二、分类
17、1.按金属与介质的作用性质分化学腐蚀和电化学腐蚀。(1)化学腐蚀 化学腐蚀是金属表面与介质发生化学作用引起的，其特点是，在腐蚀过程中无电流产生。化学腐蚀又可分为两大类：气体腐蚀 金属在干燥气体中发生的腐蚀，称为气体腐蚀。高温时，表现为氧化。在非电解质溶液中的腐蚀 金属在不导电的液体中发生的腐蚀，例如金属在有机液体中的腐蚀。,2.5 腐蚀失效,(2)电化学腐蚀 在腐蚀过程中有电流产生的腐蚀叫电化学腐蚀。按照所接触的环境不同，电化学腐蚀可以分成为四种：大气腐蚀：在潮湿气体(如空气)中进行的腐蚀。土壤腐蚀：埋设在地下的金属制品(如管道，电缆等)的腐蚀。电解质溶液中的腐蚀：天然水和大部分水溶液(如海水
18、、酸、碱、盐的水溶液)对金属的腐蚀，这是非常普遍的一种腐蚀形式。熔融盐中的腐蚀：金属在熔融的盐中发生的腐蚀，如热处理用盐浴炉中金属电极的腐蚀。,2.5 腐蚀失效,2.按腐蚀破坏形式分为均匀腐蚀和局部腐蚀。(1)均匀腐蚀：腐蚀均匀地发生在整个表面上。(2)局部腐蚀：腐蚀仅局限于一定区域内，局部腐蚀比均匀腐蚀危害性大得多。斑点腐蚀：腐蚀像斑点一样分布在金属表 面，占面积较大，但不很深。脓疮腐蚀：腐蚀部分较深较大的腐蚀形式。,2.5 腐蚀失效,点腐蚀：金属某些地方被腐蚀，成为一些小而深的孔，严重时会发生穿孔。晶间腐蚀：腐蚀沿金属晶界进行，会导致机械性能的严重损失。缝隙腐蚀：在金属与金属、金属与非金属
19、间的缝隙处发生的腐蚀。穿晶腐蚀：腐蚀破坏沿最大张应力发生的一种腐蚀形式，其特点是腐蚀可以贯穿晶粒本体。选择腐蚀：多元合金中某一组分，溶解到腐蚀介质中去，如黄铜的脱锌现象。,2.5 腐蚀失效,3.腐蚀程度的表示方法(1)均匀腐蚀的腐蚀程度表征 用平均腐蚀速度来表示：由重量的变化来评定 用重量的减少或增加来表示(即单位表面积上，单位时间内的重量变化量，克米2小时)。由腐蚀深度来表示 用单位时间的腐蚀深度来表示腐蚀速度，其单位常用毫米年。,2.5 腐蚀失效,(2)局部腐蚀程度表征 由于此类腐蚀是局部的，所以它不能用上述方法来表示，而应根据情况用裂纹扩展速率或材料性能降低程度来表示。,2.5 腐蚀失效
20、,1主要的局部腐蚀(1)点腐蚀(点蚀)金属大部分表面不发生腐蚀或只发生轻微的腐蚀，但局部地方出现腐蚀小孔，并向深处发展的现象称为点腐蚀，亦称孔蚀。,三、主要腐蚀失效类型的现象及特征,2.5 腐蚀失效,点腐蚀易发生环境：金属浸在溶液中或与潮湿环境(如输送油、水、气的钢管埋在地下，一些化工机械设备特别是不锈钢设备在氯离子的介质中)接触时，常发生点蚀；金属暴露在大气中，若金属表面凝结有水滴或水膜，也可能发生点蚀。,2.5 腐蚀失效,点腐蚀原理：点蚀是从表面氧化膜开始的，介质中的活性阴离子首先吸附在金属表面氧化膜的某些点上，并对膜产生破坏作用。被破坏的地方(阳极)和未被破坏的地方(阴极)形成钝化-活化
21、电池(即局部电池)。由于阳极面积比阴极面积小得多，故阳极电流密度很大，很快就会腐蚀成小孔。同时当腐蚀电流流向小孔周围的阴极时，又使这一部分受到阴极保护，继续维持钝态。溶液中阴离子随电流流通，向小孔里迁移，在小孔内与金属正离子组成盐溶液，使小孔底表面保持活化状态，由于盐溶液的水解，使小孔内溶液的酸度增加，所以小孔进一步腐蚀加深（自催化酸化）。,2.5 腐蚀失效,2.5 腐蚀失效,金属在介质中必须达到某一临界电位，即点蚀电位或击穿电位，才能发生点蚀。点蚀电位可通过测定阳极极化曲线来找到，如图所示：VC即为点蚀电位(或击穿电位)。当氯离子浓度减少，pH值和温度降低，在NaCl溶液中加入别种盐类如Na
22、2S04、Na2S03、NaClO4等，点蚀电位提高。,2.5 腐蚀失效,2.5 腐蚀失效,防止点蚀的方法 使金属电位低于临界点蚀电位的阴极保护法。加缓蚀剂在含有氯化物的介质中加入别的阴离子(如OH-或N03-)作为缓蚀剂。尽可能使腐蚀体系维持在较低的温度。保证均匀的氧或氧化剂浓度，避免缝隙存在，将溶液加以搅拌、通气或循环。合适的合金化，提高金属的抗点蚀能力，如奥氏体不锈钢中添加一定的氮及钼，即可提高合金的耐蚀能力。,2.5 腐蚀失效,(2)缝隙腐蚀 零部件的金属与金属或金属与非金属之间形成缝隙，且电解质可进入缝隙而在其中处于停滞状态，使缝隙内部腐蚀加剧的现象，称为缝隙腐蚀。（法兰连接面、螺母
23、压紧面、锈层、垢层等）原理：认为缝隙内外的氧浓度差引起的；闭塞电池作用+自催化酸化过程（点蚀）,2.5 腐蚀失效,防止缝隙腐蚀的措施：设计时尽可能避免或减少缝隙。在缝隙处加填料，塞进具有一定弹性、耐久性的填料，防止介质进入缝隙。采用抗缝隙腐蚀性能好的合金，如高Ni、Cr、Mo的特殊合金及钛合金。阴极保护。,2.5 腐蚀失效,缝隙腐蚀与点腐蚀的联系与区别：联系：二者的腐蚀机理基本相同。（闭塞电池作用+自催化酸化过程）区别：（条件、过程、形貌）点蚀首先要萌生点蚀核，缝隙腐蚀起源于狭小缝隙。点蚀要由点蚀核成长为点蚀孔，逐渐形成闭塞电池，然后才加速；缝隙则开始就可很快形成闭塞电池而加速腐蚀。点蚀的蚀孔
24、窄而深，缝隙腐蚀的相对宽而浅。,2.5 腐蚀失效,(3)晶间腐蚀 定义：沿晶界或其附近发生的腐蚀称为晶间腐蚀。金属发生晶间腐蚀后，机械性能显著下降，往往造成灾难事故，危害极大。不锈钢、镍基合金、铝合金、镁合金等都存在晶间腐蚀倾向。原理：主要是由于化学不均匀性引起的，因为晶界是原子排列较为疏松而紊乱的区域，在这个区域容易产生晶界吸附，富集杂质原子，也容易发生沉淀。这都造成了晶界区的化学不均匀性，如不锈钢的晶界腐蚀，就是由于碳化铬在晶界析出，使晶界贫铬而成为阳极(小阳极)，而晶粒本身成为阴极(大阴极)，组成局部电池，最后造成晶界腐蚀(晶间腐蚀)。,2.5 腐蚀失效,防止措施：减少夹杂及有害元素，如
25、目前发展的超低碳不锈钢，就是尽量降低含碳量，消除其有害作用。加入适当合金元素，以降低杂质和碳等有害元素的作用如18-8不锈钢中加Ti和Nb等，以形成稳定的TiC、NbC，从而降低了碳的不利影响。固溶处理。将奥氏体不锈钢在l0501100加热，淬火，把已析出的碳化物重新溶入固溶体，可降低晶间腐蚀倾向。采用复相不锈钢。钢中含有10w-20w铁素体，铁素体主要沿奥氏体晶界形成，铁素体中含铬较高，同时复相钢的晶粒小，这些都降低钢的晶间腐蚀倾向。,2.5 腐蚀失效,(4)接触腐蚀 定义：一对相接触的异类金属(电位不等)浸人电解液中就成为一个原电池，电位较负的金属(阳极)就会受到电化学腐蚀，此称接触腐蚀，
26、这种情况在实际机械设备，尤其是飞机、轮船等复杂的设备中是很普遍的。,2.5 腐蚀失效,防止措施：在设计时不使具有不同电位的金属接触，即在满足使用性能要求的前提下，使电位相近的金属接触。采用表面处理(例如钢零件镀锌，镀镉后可与进行过氧化的铝合金零件相接触)以增加腐蚀电路电阻，降低腐蚀速率。在两个必须接触的金属间加绝缘衬垫(如纤维纸板、硬橡胶、夹布胶木、胶粘绝缘带等，但不能用毛毡等吸湿性强的材料)，使之不能产生腐蚀电流，电化学腐蚀即不能进行。,2.5 腐蚀失效,2金属在大气中的腐蚀 金属材料和设备由于大气中氧和水等的化学作用或电化学作用而引起的腐蚀，叫大气腐蚀。据统计，大气腐蚀的损耗占整个金属腐蚀
27、损耗的一半左右。(如：化工厂、石化厂70%金属工作在大气中）大气腐蚀可以分成湿大气腐蚀(或潮大气腐蚀)和干大气腐蚀(只有几个分子层的水吸附膜，没有形成连续电解质溶液膜)。,2.5 腐蚀失效,(1)金属大气腐蚀的过程 当金属与比其温度高的空气接触时，空气中的水气就可能在金属表面凝结成水膜。大气中的CO2、SO2和NO2或盐类溶解到金属表面的水膜中去，进而形成电解质溶液，因此就发生电化学腐蚀。,2.5 腐蚀失效,(2)影响大气腐蚀的因素 湿度的影响将大气湿度降低到临界湿度以下，就可以基本上防止大气腐蚀。临界湿度：当温度一定时，在一定的相对湿度以下，金属就不发生大气腐蚀或腐蚀很轻微，当超过某一湿度时
28、腐蚀速度大大提高，这种相对湿度叫临界湿度。对铁、钢、铜、镍和锌来说，临界湿度一般在50-70。,2.5 腐蚀失效,灰尘的影响灰尘具有毛细管的凝聚作用，金属表面上有灰尘的地方容易结露，形成电化学腐蚀条件，使金属易受腐蚀。有害气体的影响大气中的CO2、SO2、H2S、NH3、Cl2等气体进入水膜成为电解质，同时本身具有腐蚀性。铁、锌、镉的构件表面，因不耐稀硫酸，所以腐蚀更为严重。,2.5 腐蚀失效,(3)防止大气腐蚀的措施 可采用有机的、无机的或金属的覆盖层进行隔离。（油漆、塑料、沥青、电镀等）改变大气性质，以降低大气的有害作用。一是采用降低大气的相对湿度到50以下，其次是应用气相缓蚀剂（如亚硝酸
29、二环乙胺）。适当合金化，制成耐大气腐蚀的钢材如加入少量Cu、P、Ni和Cr等元素，可有效减轻大气腐蚀。（含Cu钢，CuP、CuPCr和CuPCrNi系）。,2.5 腐蚀失效,3金属在土壤中的腐蚀 地下管道由于长期受土壤的腐蚀，可造成很大损失。粘土的腐蚀更严重，并且受腐蚀发生穿孔的部位，大部分是在管道的下部，腐蚀速度可达6mm年，金属的土壤腐蚀是一种情况复杂的电化学腐蚀。影响因素：孔隙度(即透气性)、导电性、溶解的盐类、水分、酸碱性和细菌等。,2.5 腐蚀失效,(1)土壤电阻率的影响电阻率越高，腐蚀性越弱。影响因素：粒径及分布、含水量、溶解盐类。粗颗粒(如砂土)电阻大，而细颗粒(如粘土)电阻小，
30、粘土腐蚀性强。一般说来，土壤电阻率在数千欧厘米以上，对钢铁的腐蚀比较轻微。但在海水渗透的洼地和盐碱地，电阻率很小，为100-300cm，其腐蚀性则很强。,2.5 腐蚀失效,(2)土壤中氧含量的影响 金属在土壤中的腐蚀受阴极反应的支配，氧在金属的土壤腐蚀中起重要作用：氧主要来源于从地表渗透进来的空气(地下水中溶解的氧很有限)，所以粗颗粒的干燥砂土中氧多，而细颗粒的潮湿的粘土中含氧则少。含氧较多的土壤接触的管段(阴极)与含氧较少的土壤接触的管段(阳极)间组成宏观电池，在电化学作用下发生了严重的腐蚀。,2.5 腐蚀失效,2.5 腐蚀失效,(3)土壤的pH值的影响土壤的pH值越低，腐蚀性越大。(pH=
31、6-7.5中性，7.5-9.5盐碱性，3-6酸性).当pH=4时，可发生氢的去极化过程即有氢在阴极上产生：2H+2eH2。当土壤中含有大量有机酸时，其pH值接近中性，但腐蚀性很强，因此用土壤的总酸度(酸性物质总含量)来反映土壤的腐蚀性。,2.5 腐蚀失效,(4)土壤内细菌的影响土壤内的细菌使腐蚀在缺氧条件下得以进行。如：硫酸还原菌能将硫酸还有为硫化物。SO42+8H+8eS2+4H2O金属腐蚀过程中，阴极反应中产生氢原子，如果吸附在金属表面，不继续生成气泡逸出，就造成阴极极化，使腐蚀缓慢，甚至停止下来。由于硫酸还原菌的作用，使阴极去极化。加速了金属的腐蚀，最后S2离子和Fe2+离子化合成FeS
32、(黑色)。中性土壤最适宜这种细菌的繁殖，但当土壤中的pH9时就不容易繁殖了。,2.5 腐蚀失效,(5)土壤杂散电流的作用 地下的导电体因绝缘不良而漏失出来的电流叫杂散电流。杂散电流从土壤流进地下管道处(阴极)和杂散电流从地下管道流人土壤处(阳极)构成一宏观电池，加之阳极和阴极各居一方，其产物不能结合成不溶性物质覆盖在阳极区金属表面上，故阳极腐蚀情况更为严重。,2.5 腐蚀失效,上图为电车轨道，由于和地绝缘不良而产生的杂散电流对地下管道及金属构筑物的影响。,2.5 腐蚀失效,4金属在海水中的腐蚀 海水是一种天然的电解质，常用的大多数金属和合金均受其腐蚀。因海水中含有盐类，生物，泥砂，气体和腐败的
33、有机物，所以影响腐蚀因素的有化学、物理和生物因素。,2.5 腐蚀失效,(1)海水中盐的类型及浓度影响海水中的盐类主要是氯化物(88.7w)，其次是硫酸盐(10.8w)。盐度：1000克海水中溶解固体物质的总克数。（3.2w-3.75w）盐度直接影响电导率。电导率是决定金属腐蚀速度的重要因素，再加上氯离子破坏金属的钝化，所以金属与海水接触容易受到严重腐蚀。,2.5 腐蚀失效,(2)海水中含氧量的影响。表层海水中含氧量达12MLL，但随盐度增加和温度升高含氧量会降低，含氧低，腐蚀速度减小。(3)海水温度的影响。海水温度越高，腐蚀速度越大，如温度上升10，金属腐蚀速度增加一倍。(4)海水流速的影响。
34、随海水运动速度的增加，腐蚀速度增加。因运动促使了氧的扩散。“磨蚀”和“气蚀”则和海水运动速度的关系更直接、重大。,2.5 腐蚀失效,(5)海洋生物的影响。海洋生物附着在金属表面，在其缝隙处形成氧浓差电池，而成为阳极腐蚀。目前，抗海水腐蚀的材料有含30w40wNi、20w30wCr的合金钢，铜基合金也有较好的抗海水腐蚀性，钛合金是最理想的海洋结构材料。,2.5 腐蚀失效,四、防止金属腐蚀的措施 金属腐蚀主要是由于电化学腐蚀所致。电化学腐蚀又主要是由于金属表面的电化学不均性，在介质环境条件下形成的原电池作用所引起的。为防止金属腐蚀而采取的各种措施都是围绕着不发生原电池作用而进行的。,2.5 腐蚀失
35、效,1正确选用金属材料和合理设计金属结构(1)选材上，根据使用的具体情况和要求来选择合适的耐腐蚀材料，要求它既耐腐蚀，又便于加工制造，价格便宜。(2)设计上，应尽可能降低热应力、流体停滞和聚集、局部过热等，这样可降低腐蚀速度；避免不同金属直接接触，以防止产生接触腐蚀。,2.5 腐蚀失效,2.5 腐蚀失效,2添加缓蚀剂和去除介质中有害成分对腐蚀介质进行处理，以降低和消除介质对金属的腐蚀作用，主要从两方面着手：(1)去掉介质中的有害成分。如锅炉用水的去氧处理，除氧可用热法除氧或化学除氧法。前者是在减压下加热至沸腾，后者是往水中加NaSO3、N2H4(联胺)等，通过化学反应去除氧。(2)加入缓蚀剂。
36、缓蚀剂的加人可使腐蚀电流减少，起到缓蚀或止蚀的作用。缓蚀剂又分为阳极缓蚀剂、阴极缓蚀剂和混合型缓蚀剂三种。,2.5 腐蚀失效,3隔离有害介质 把金属和有害介质隔离开。办法有两类：(1)结构设计上采取措施使关键部位和有害环境隔绝开来。(2)采用各种表面防护技术表面覆盖层。要使覆盖层能真正起到保护作用就要求覆盖层：致密，不能透过介质；和金属结合强；耐蚀性好；在整个表层上分布均匀。,2.5 腐蚀失效,2.5 腐蚀失效,4电化学保护 通以电流进行极化，以改变金属介质的电极电位来达到保护金属免受腐蚀的办法。,2.5 腐蚀失效,阳极保护：把金属接到电池正极上通以电流，使其进行极化，只对在氧化性介质中能发生
37、钝化的金属有好的效果。阴极保护：把金属接到电池的负极上，通以电流进行极化。,(1)阳极保护 用于某些强腐蚀介质（如硫酸、磷酸等），耗电量小。但当氯离子含量较大时，一般不用阳极保护，因为它能局部破坏钝化膜，并造成严重点蚀。阳极保护不能保护设备的气相部分，对液面急剧波动的容器不能用阳极保护。,2.5 腐蚀失效,(2)阴极保护常用于地下管道及其他地下金属设备、水中设备、冷凝器、冷却器、热交换器。阴极保护通过两种途径来实现：利用外加电流，使整个表面部分变成阴极，这叫外加电流的阴极保护。在要保护的金属设备上连接一个电位更负的金属或合金，这叫做牺牲阳极的阴极保护。,2.5 腐蚀失效,2.5 腐蚀失效,一、
38、概述 应力腐蚀:金属材料在特定的介质条件下，受拉应力作用，经过一定时间后发生的裂纹及断裂现象。应力腐蚀开裂是普遍存在的一种失效形式，现已查明，在几乎所有的金属材料中都发生过应力腐蚀开裂问题。与疲劳断裂和脆性断裂失效一起并称为当今工程断裂事故的三种主要失效形式。,2.6 应力腐蚀失效,二、应力腐蚀断裂的特点(1)即使是延性材料，其应力腐蚀也表现为脆性形式的断裂。(2)应力腐蚀是一种局部腐蚀，形成的裂缝常被腐蚀产物所覆盖；断裂时无预兆，危害较大。(3)应力腐蚀断裂属于延迟断裂，断裂的时间决定于介质条件和应力大小。裂纹扩展速率介于均匀腐蚀速度和快速机械断裂速度之间。(4)引起金属构件应力腐蚀断裂的应
39、力一定是拉应力。（应力腐蚀断裂临界应力）(5)一定的金属只在特定的活性介质中才发生应力腐蚀断裂。,2.6 应力腐蚀失效,三、应力腐蚀评定方法 由于在不同材料-介质系统中，应力腐蚀表现的复杂情况，至今尚无用于评价各种应力腐蚀的通用方法，工程上的通常做法是模拟工况条件的加速试验方法。常用的应力腐蚀评价参量为恒定应力条件下的断裂时间tf，或者在指定时间内发生应力腐蚀断裂的最低应力scc，及应力腐蚀的门槛应力。评价应力腐蚀的断裂力学参量为在指定时间内发生应力腐蚀的界限应力强度因子KISCC。,2.6 应力腐蚀失效,由砝码通过杠杆系统加载，测定在确定载荷(起始应力)下的断裂时间tf，用以比较不同材料料的
40、应力腐蚀敏感性。,2.6 应力腐蚀失效,1光滑试样恒应力试验,一般认为起始应力O.75s，在较长时间内不断裂的材料为应力腐蚀不敏感材料。,tf曲线用tf曲线的渐近线所对应的应力水平作为门槛应力scc，它表示在一定条件下不发生应力腐蚀断裂的最高应力值或发生应力腐蚀断裂的最低应力值。,2.6 应力腐蚀失效,光滑试样恒载试验数据特点：直观，在研究不同材料的应力腐蚀敏感性或研究不同介质中材料抗应力腐蚀性能或其他因素(如温度)对应力腐蚀的影响，以及在筛选材料方面很有价值。不能作为工程设计的计算依据。光滑试样测得的tf值中包括裂纹萌生和扩展的时间。实际工程构件中，裂纹往往起始于既存缺陷，应力腐蚀断裂过程主
41、要表现为裂纹扩展过程。因此20世纪60年代以后，引入了断裂力学试验方法，采用预裂纹试样，测定应力腐蚀的断裂力学参量和裂纹扩展动力学参量。,2.6 应力腐蚀失效,2.预裂纹试样应力腐蚀试验 研究应力腐蚀的断裂力学试验方法，最早采用的是悬臂梁试验装置。,2.6 应力腐蚀失效,试样起始应力强度因子可按下式计算：式中：M力矩，M=Pl，P为悬重(N)，l为臂长度(m)；B试样厚度(m)；W试样宽度(m)；为裂纹长度(m)。,2.6 应力腐蚀失效,界限应力强度因子：指定时间内发生应力腐蚀的 强度因子,用多试样法测得的 如 下图 所示。对钢 随 下降而趋于平缓，一般以100h(或l000h等)不发生断裂(
42、裂纹扩展)的 值作为应力腐蚀的应力强度因子门槛值，记作,2.6 应力腐蚀失效,2.6 应力腐蚀失效,四、防止应力腐蚀开裂的措施,2.6 应力腐蚀失效,合理选择材料 针对所受应力和使用条件选用耐应力腐蚀的材料；尽可能选用界限应力强度因子较高的合金，以提高零件抗应力腐蚀开裂的能力。,2.减少或消除零件中的残余拉应力 残余拉应力是产生应力腐蚀的重要条件。为此，设计上应尽量减小零件上的应力集中。,3.改善介质条件 减少或消除腐蚀开裂的有害化学离子（氯）；在腐蚀介质中添加缓蚀剂。,2.6 应力腐蚀失效,4.采用电化学保护 采用外加电位的方法，使金属在介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，（阴极保护法、牺
43、牲阳极法）,一、概述 氢脆：在应力和过量氢的共同作用下使金属材料塑性、韧性下降的一种现象。金属中的氢是一种有害元素，只要极少量的氢如0.0001w(重量)即可导致金属变脆。引起氢脆的应力可以是外加应力，也可以是残余应力，金属中的氢则可能是本来就存在于其内部的，也可能是由表面吸附而进入其中的。,2.7 氢脆失效,金属，尤其是高强钢的氢脆断裂一般表现为延迟断裂。也存在发生氢脆的门槛应力th，当应力th时，不再发生氢脆断裂。氢脆断裂发生在一定的温度范围，对于高强钢，通常在-100-100之间，其间室温附近氢脆敏感性最大。应变率越低，氢脆敏感性越大。材料中氢含量越高，氢脆现象越严重。,2.7 氢脆失效
44、,二、氢脆失效的类型及特征,2.7 氢脆失效,1.白点：又称发裂，是由于钢中存在的过量的氢造成的。锻件中的氢在锻后冷却较快时，因溶解度的减小而过饱和，并从固溶体中析出。如来不及逸出，便在钢中的缺陷处聚集并结合成氢分子，气体氢在局部形成的压力逐渐增高，将钢撕裂，形成微裂纹。冲断后在断口上可见银白色的椭圆形斑点，即所谓白点。,在钢的纵向剖面上，白点呈发纹状。这种白点在CrNi结构钢的大锻件中最为严重。历史上曾因此造成许多重大事故.防止措施：因此上世纪初以来对它的成因及防止方法进行了大量而详尽的研究，并已找出了精炼除气，锻后缓冷或等温退火等工艺方法，以及在钢中加人稀土或其他微量元素使之减弱或消除。,
45、2.7 氢脆失效,2.氢蚀：如果氢与钢中的碳发生反应，生成CH4气体，也可以在钢中形成高压，并导致钢材塑性降低，这种现象称为氢蚀。石油工业中的加氢裂化装置就有可能发生氢蚀。CH4气泡的形成必须依附于钢中夹杂物或第二相质点。这些第二相质点往往存在于晶界上，因此，氢蚀脆化裂纹往往沿晶界发展，形成晶粒状断口。,2.7 氢脆失效,CH4的形成和聚集需要一定的时间，因此氢蚀存在孕育期，并且温度越高，孕育期越短。钢发生氢蚀的温度为300-500。低于200时不发生氢蚀。防止措施：为了减缓氢蚀，可降低钢中的含碳量，减少形成CH4的C供应，或者加入碳化物形成元素，如Ti、V等，它们形成的稳定的碳化物不易分解，
46、可以延长氢蚀的孕育期。,2.7 氢脆失效,3.氢化物致脆：在纯钛、钛合金、钒、锆、铌及其合金中，氢易形成氢化物，使塑性、韧性降低，产生脆化。氢化物分为两类：熔融金属冷凝后，氢的溶解度降低而从过饱和固溶体中析出形成的，称为自发形成氢化物；在氢含量较低的情况下，受外拉应力作用，使原来基本上是均匀分布的氢逐渐聚集到裂纹前沿或微孔附近等应力集中处，当其达到足够浓度后析出而形成氢化物，称为应力感生氢化物。,2.7 氢脆失效,特点：金属材料的氢脆敏感性随温度降低及试样缺口的尖锐程度增加而增加。裂纹常沿氢化物与基体的界面扩展，因此，在断口上常看到氢化物。氢化物的形状和分布对金属的脆性有明显影响。若晶粒粗大，
47、氢化物在晶界上成薄片状，易产生较大的应力集中，危害较大。若晶粒较细小，氢化物多呈块状不连续分布，对氢脆就不太敏感。,2.7 氢脆失效,4.氢致延滞断裂由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂。这类氢脆是目前工程上所说的大多数氢脆。原理：高强度钢或钛合金中含有适量的处于固溶状态的氢，在低于屈服强度的应力持续作用下，经过一段孕育期后，在内部特别是在三向拉应力区形成裂纹，并且裂纹逐步扩展，最后会突然发生脆性断裂。,2.7 氢脆失效,特点：只一定温度范围内出现，如高强度钢多出现在-100-150之间，而以室温下最敏感。提高形变速率，材料对氢脆的敏感性降低。只有在慢速加载试验中才能显示这类氢脆。
48、此类氢脆显著降低金属材料的延伸率，但含氢量超过一定数值后，延伸率不再变化，而断面收缩率则随含氢量增加不断下降，且材料强度越高，面缩率下降得越剧烈。,2.7 氢脆失效,此类氢脆的裂纹路径与应力大小有关。40CrNiMo钢的试验表明，当应力强度因子KI较高时，断裂为穿晶韧窝型；KI为中等大小时，断裂为准解理与微孔混合型；KI较低时，断裂呈沿晶型。,2.7 氢脆失效,三、防止氢脆的措施 1环境因素设法切断氢进入金属内的途径，或者通过控制这条途径上的某个关键环节，延缓在这个环节的反应速度使氢不进入或少进入金属中。例如：采用表面涂层，使机件表面与环境介质隔离。还可用在介质中加入抑制剂的方法，如在l00w
49、干燥H2中加入0.6wO2，由于氧原子优先吸附于裂纹顶端阻止氢原子向金属内部扩散，可以有效地抑制裂纹的扩展。,2.7 氢脆失效,2力学因素在机件设计和加工过程中应避免各种产生残余拉应力的因素。采用表面处理，使表面获得残余压应力层，对防止氢脆有良好作用。采用氢脆临界应力场强度因子门槛值KIHth值高的材料，并力求使零件服役时的KI值小于KIHth。,2.7 氢脆失效,3材料因素含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。因此，对在含氢介质中服役的高强度钢的强度应有所限制。钢的显微组织对氢脆敏感性也有较大影响，一般按下列顺序递增：下贝氏体，回火马氏体或贝氏体，球化
50、或正火组织。细化晶粒可提高抗氢脆能力，冷变形可使氢脆敏感性增大。因此，正确制定钢的冷热加工工艺，可以提高机件抗氢脆性能。,2.7 氢脆失效,一、概述 腐蚀疲劳：是材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下产生的一种失效形式。腐蚀疲劳没有确定的疲劳极限，即使在很低的拉应力作用下，也会发生腐蚀疲劳破坏。与机械疲劳过程相比，裂纹形成期短，裂纹扩展速率高，所以腐蚀疲劳的疲劳曲线在机械疲劳曲线的下方。,2.8 腐蚀疲劳失效,影响因素：温度、频率、介质浓度温度升高，因腐蚀作用加剧而促进裂纹扩展。加载频率降低，因在峰值应力时停留时间加长，促进介质较充分地发挥腐蚀作用而加快裂纹扩展。存在一个“临界介质浓度”，当介质
