8材料在环境介质中的力学行为.pdfVIP

第 8章 材料在环境介质中的力学性能 前面几章主要讨论机械外载荷作用下材料的力学行为，实际上材料或者构件总是在一定的 环境介质下服役的。 所说的环境介质是指包围在材料周围并能与材料发生某种界面反应的媒 介，包括气体、液体、固体介质。 如桥梁、钢轨所处潮湿的大气介质；采油平台、船舰壳体所处的海 水介质；地下输油、气管道及电缆等所处的土壤介质。 由于环境介质与应力的协同作用可以相互 促进，加速材料的损伤、促使裂纹的形成并加速扩展，因此在环境介质与应力共同作用下材料发 生的破坏，常比他们的单独作用或者两者简单的叠加更为严重。 把材料在应力与环境介质的共 同作用下引起材料力学性能下降、甚至出现提早断裂的现象，称为材料的环境诱发断裂或环境敏 感断裂（ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ，ＥＩＣ 或 ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ，ＥＡＣ）。 材料或 者结构的受力状态多种多样，不同状态的应力与介质的协同作用所造成的环境敏感断裂形式也 不同。 根据受力状态，将环境敏感断裂分为应力腐蚀断裂（ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ，ＳＣＣ）、腐蚀疲 劳断裂（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ，ＣＦＣ）、腐蚀磨损（ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ ｗｅａｒ，ＣＷ）和微动腐蚀（ｆｒｅｔｔｉｎｇ ｃｏｒｒｏ- ｓｉｏｎ，ＦＣ）等。 根据破坏机理，可分为裂纹尖端阳极溶解引起的应力腐蚀、阴极析氢引起的氢脆或 氢致断裂（ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ，ＨＥ 或 ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｃｒａｃｋｉｎｇ，ＨＩＣ）等。 此外还有因高速电 子、中子、离子流辐射时引起的辐照损伤（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｄａｍａｇｅ，ＲＤ）及在高温下与液态或固态金属接 触时引起的液态或固态金属脆性（ｌｉｑｕｉｄ ｏｒ ｓｏｌｉｄ ｍｅｔａｌ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ，ＬＭＥ ｏｒ ＳＭＥ）等。 随着航空、航天、海洋、原子能、石油、化工等工业的迅速发展，对材料力学性能的要求越来越 高，而构件所接触的环境介质的条件更加苛刻。 因此环境敏感断裂日益受到工程设计人员及材 料科学工作者的高度重视。 本章将主要介绍材料在应力与腐蚀介质共同作用下的环境敏感断 裂，包括应力腐蚀断裂、氢脆、腐蚀疲劳和腐蚀磨损；然后再简单的介绍辐照损伤、液（固）态金属 · 236 · 脆性等环境敏感断裂。 8畅1　应力腐蚀断裂 8畅1畅1　应力腐蚀断裂及其断裂特征 应力腐蚀断裂是指材料在特定腐蚀介质和静应力共同作用下发生的脆性断裂。 应力腐蚀断 裂并不是应力和腐蚀介质两个因素的简单叠加，而是在应力和腐蚀介质的联合作用下，按特有机 理产生的断裂。 通常发生应力腐蚀断裂所需要的应力是很小的。 假如不是处于特定的腐蚀介质 中，这样小的应力是不可能使材料发生断裂的。 反之，如果没有任何应力存在，则材料在这种环 境介质中所受的腐蚀也是轻微的。 应力腐蚀断裂的危险性就在于它常发生在相当缓和的介质中 和不大的应力状态下，而且往往事先没有明显的预兆，因此常造成灾难性的事故。 应力腐蚀断裂常具有以下特征： ① 造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力。 拉伸应 力越大，断裂所需的时间越短。 最近的研究结果发现［１～４］ ，在压应力作用下，在不锈钢、铝合金、 铜合金中也会发生应力腐蚀断裂，但裂纹形核的孕育期比拉应力腐蚀高 １～２个数量级，且端口 的形貌也与拉伸应力引起的断口形貌不同。 需要注意的是，应力可以是外加应力，也可以是残余 应力［５，６］ 。 ② 应力腐蚀造成的破坏是脆性断裂，没有明显的塑性变形。 ③ 对每一种重金属或合金，只有在特定的介质中才会发生应力腐蚀。 例如 α黄铜在氨溶液 中才会腐蚀破坏，而 β黄铜在水中就能破裂。 又如奥氏体不锈钢在氯化物中具有很高的应力腐 蚀开裂敏感性（通常称为氯脆），而铁素体不锈钢，对氯化物溶液却不敏感。 对应力腐蚀开裂敏 感的材料 －介质组合，见表８畅１［７～１０］ 。 表8畅1　常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质 合金材料 环境介质 低碳钢 　热硝酸盐溶液、碳酸盐溶液、过氧化氢 碳钢和低合金钢 　氢氧化钠、三氯化铁溶液、氢氰酸、沸