PDF《材料性能学》

材料性能学 胡建文 材料科学与工程学院

第七章 材料在环境条件下的力学性能 7.

1 7.1 引引言言7.2 7.2 应力腐蚀断裂 应力腐蚀断裂 7.3 7.3 氢脆 氢脆 7.1 引言?实际工程结构和零件总是在外加载荷和环 境介质的联合条件下工作的. ? 环境条件: 1) 温度(低温脆性、高温蠕变等);

2) 射线(辐照损伤);

3) 介质(水、水蒸汽、潮湿空气、腐蚀性 溶液、有机溶剂、高温液(固)态金属等). ? 将环境因素对材料力学性能的影响,称为 环境效应;

把由环境效应造成的破坏称为环 境断裂. ? 环境敏感断裂 ? 1)定义:材料在应力和环境条件(化学介 质、辐照等)的共同作用下引起材料力学性能 下降、发生的过早脆性断裂现象称为材料的环 境诱发断裂(EIC)或环境敏感断裂(EAC) . 环境与应力共同作用下材料发生的破坏, 常比它们的单独作用或二者的叠加更为严重, 因为环境与应力的协同作用可以相互促进,加 速材料的破坏. ? 2)分类: a) 按构件受力的状态:应力腐蚀开裂(SCC,拉应 力)、腐蚀疲劳断裂(CFC,循环应力)、腐蚀磨损 (CW)和微动腐蚀(FC,剪切应力)等. b) 按破坏机理,可分为裂纹尖端阳极溶解引起的应 力腐蚀断裂、阴极析氢引起的氢脆或氢致断裂(HE 或HIC)等. 此外,还有因高速电子、中子、离子流辐射下引起 的辐照损伤(Radiation Damage)、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(LME or SME)等. c) 按材料种类,金属材料的环境敏感断裂, 玻璃、陶瓷和聚合物的环境敏感断裂等. d) 按环境介质,可以是气态(如潮湿空 气)、液态(水溶液、有机溶剂和高温液态 金属等),也可以是固态(如低熔点的涂层 等)等. 7.2 应力腐蚀断裂

一、应力腐蚀断裂

1、 定义: 材料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象,称 为应力腐蚀断裂(Stress Corrosion Cracking, 缩写为SCC). ? 应力腐蚀开裂的发现:黄铜弹壳在铵离子中的 季裂 (Season Cracking);

蒸汽机锅炉在高温 碱性溶液中的 碱脆 ;

低碳钢在硝酸盐溶液中 的 硝脆 ,在苛性碱溶液中的 碱脆 等. 应力腐蚀的危险性正在于它常发生在相当缓和的介质 和不大的应力状态下,而且往往事先没有明显的预 兆,故常造成灾难性的事故.

2、 条件: 应力、环境(介质)和材料三者共存是产生应 力腐蚀的必要条件. 典型材料的应力腐蚀 1)低碳钢在热碱溶液中的应力腐蚀(碱脆) ? 当NaOH的浓度为4%~75%时,能产生应力腐蚀 裂纹,但中等浓度(如35%)时最为敏感;

NaOH 的浓度愈低时,产生应力腐蚀裂纹所需的温度就 愈高. ? 当碳含量为0.2%时碱脆敏感性最高,随碳含量降 低(C0.2%)均使碱脆敏感性降 低. 2)不锈钢在氯化物溶液中的应力腐蚀(氯脆) ? 海水和工业用水中的Cl-浓度虽然低得多,但 局部沸腾或局部高温会导致Cl-浓缩而引发应 力腐蚀破裂. ? 介质中氧浓度越高,引发应力腐蚀开裂所需 的Cl-浓度越低. ? 当Ni的质量分数为8%(18-8奥氏体不锈钢) 时,应力腐蚀断裂的时间最短,敏感性最 高.

3、 应力腐蚀开裂的特征: (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 (外加的或残余拉应力);

(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) 对每一种金属或合金,只有在特定的介 质中才会发生应力腐蚀.对应力腐蚀开 裂敏感的材料/环境组合. 表7-1 对应力腐蚀开裂敏感的材料-介质组合 材料介质碳钢、低合金 钢NaOH,液体氨,硝酸盐,碳酸盐,H2S水溶液等 高强度钢 水介质,海水,H2S水溶液,HCN溶液等 奥氏体不锈钢 氯化物水溶液,高温水,海水,H2S,NaOH溶液等 马氏体不锈钢 海水, NaCl, NaOH溶液, NH3溶液, H2SO4, H2S溶液等 铝合金 湿空气, 海水, NaCl水溶液, 高纯水等 钛和钛合金 海水,甲醇,液态N2O4,发烟硝酸,有机酸,NaCl水溶液、 熔盐等 镁和镁合金 湿空气, 高纯水, KCl+K2CrO4水溶液等 铜和铜合金 含氨或铵离子的溶液,NaNO2,醋酸钠,酒石酸, 甲酸钠溶液等 镍和镍合金 高温水,热盐溶液,NaOH溶液等 锆和锆合金 热盐溶液,含I-、Br-、Cl-的甲酸,CCl4, CHCl3, 卤素 蒸气等 (4) 应力腐蚀的裂纹扩展速率一般在10-9~10-6m/s,是渐进 缓慢的;