华中科技大学《材料力学》课件-第10章环境对金属力学性能的影响.pptVIP

悬臂梁弯曲试验装置，1-砝码，2-介质容器，3-试样 预裂纹双悬臂梁(DCB)试样采用螺钉加载示意图 预裂纹的楔形张开(WOL)试样采用螺钉和垫块加载示意图 SCC评定参数-临界应力: 以拉应力-断裂时间曲线为依据。 断裂时间tf是随着拉应力增加而降低。 外加应力低于某一定值时，tf趋于无限长，该应力为临界应力?c。 若tf是随着外加应力降低而缓慢增长，在给定时间基数下发生SCC的应力，称为条件临界应力。 奥氏体不锈钢在氯化镁溶液中的应力腐蚀断裂 采用预制裂纹试样，测定应力腐蚀裂纹扩展速率。 断裂时间tf随着KI的降低而增加。当KI值降低到某一临界值时，SCC不发生，对应的KI值称之为界限应力强度因子KI SCC。 SCC评定参数-界限应力强度因子 高强钢和钛合金都有一定的KISCC。 有些无明显的门槛值的材料，如某些铝合金，KISCC：规定试验时间内不发生SCC的上限KI值。 当裂纹尖端的应力强度因子KI高于KISCC时，裂纹扩展。 应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与K1的关系分3阶段。 第Ⅰ阶段，da/dt主要取决于应力强度因子，环境和温度也起作用。da/dt随KI增大而迅速增加。 第Ⅱ阶段，da/dt保持恒定，不随KI而改变，化学因素起决定性作用。 第Ⅲ阶段，da/dt随KI值的增加而迅速增大，KI=KIC时，断裂。 304L不锈钢在氯化镁和氯化钠溶液中的SCC裂纹扩展速率与应力强度因子的关系 7079铝合金在碘化钾溶液中的SCC裂纹扩展速率-应力强度因子关系 SCC评定参数-其它参数 应力腐蚀破断平均速率：通过断面上测得最长裂纹长度除以破断时间计算； 应力腐蚀破裂敏感性： 断裂时间； 断面收缩率或断后伸长率； 试验过程中的最大载荷； 断面上应力腐蚀破裂面积所占百分数。 第十章 环境对金属力学性能的影响(2) 10.4 应力腐蚀断裂的控制 材料与环境、载荷等三方面协同作用； 基本思想：根据环境及载荷情况合理选材； 环境因素：pH 值、溶液成分、电位和温度等； ?在触氨环境中应避免使用铜合金；在使用不锈钢时，为防止由点蚀引发应力腐蚀破裂，则应选用含钼的不锈钢。 ?增大应力、较低pH 值、较高浓度溶液和较高温度下，金属发生SCC 的倾向增加。 成分和微观组织因素 提高材料纯度，降低夹杂含量，消除缺陷。 间隙固溶元素降低材料抗SCC性能。不锈钢中的N元素夹杂可显著降低在含Cl-环境中的抗SCC能力。 细化晶粒能够提高材料的抗SCC性能。 通过热处理调整材料的显微组织，获得合适的屈服强度，有效提高SCC抗力。 Mo 含量对一种奥氏体不锈钢的K1SCC的影响，环境：22% NaCl，105 oC 不同Li/Cu比的Al–Li–Cu–Zr 合金的SCC性能 结构与加工工艺因素 构件设计不当或加工工艺不合理造成残余拉应力也是产生 SCC 的重要原因； 在设计上应尽量减少应力集中； 材料的加工过程中尽量避免构件各部分物理状态的不均匀； 必要时应采用退火处理消除加工内应力。 环境因素 消除或减少环境中促进SCC 的有害化学物质； 在环境中加入适当的缓蚀剂； 采用电化学和表面涂层保护。 10.5 氢脆 也称氢损伤，是氢和应力共同作用下导致金属材料塑性下降或开裂的现象。 氢脆是SCC的一种机制，但氢脆不是SCC。含意比SCC广泛。 H2压力对三种掺B的Ni3Al延伸率的影响 镀镉 AISI 8740 钢螺母的氢脆断裂 电镀中引入H 金属在液体中的腐蚀是H的来源之一 ?金属元素与水的反应形成氧化物和原子氢，后者扩散进入材料内部。 ? 在压水堆, 水用来热交换，成为氢的重要来源，可导致锆合金和压力容器自身的脆性断裂. 石化工业中，氢脆也是值得关注的问题 用于储存和反应的容器，在一定时间内会吸收氢。 天然气中包含的H2S也会导致天然气管道发生氢脆。 431不锈钢氢脆断裂表面的穿晶解理 431 不锈钢氢脆断裂的裂纹沿晶扩展区 氢脆分类 根据氢来源，分为内部氢脆和环境氢脆； 内部氢脆：在材料冶炼或加工中（如焊接、酸洗、电镀、热处理等）吸收了大量的氢而造成的； 环境氢脆：在含氢环境中使用时吸收了氢所造成的。 氢脆机理 目前还没有一个能够解释所有氢脆现象的模型。 所有对氢脆的解释均认为：氢原子在金属中的扩散速率很高。 室温下，氢在钢中的扩散速率约为 10μm/s 氢原子原子半径小，在金属内部的缺陷处聚集，造成很大的应力，引起开裂。 晶格缺陷和纯度对金属中氢的浓度影响很大。 夹杂物吸氢导致的开裂 第十章 环境对金属力学性能的影响(1) 华中科技大学《材料力学》 广义上，任何材料都在环境中工作。 本章中(狭义)，环境为腐蚀性环境 10.1 常识 氧化 还原 与电化学反