材料与环境精选文档.ppt
材料与环境本讲稿第一页，共三十八页 工业上有些零构件是在腐蚀介质中承受交变载荷作用的，如船舶的推进器、压缩机和燃气轮机叶片等。这些零构件的破坏是在疲劳和腐蚀联合作用下发生的，这种失效形式称为腐蚀疲劳。从失效意义上考虑，腐蚀疲劳过程也包括裂纹的萌生和扩展两个阶段，不过在交变应力和腐蚀介质共同作用下裂纹萌生要比在惰性介质中容易得多，所以裂纹扩展特性在整个腐蚀疲劳过程中占有更重要的地位。2本讲稿第二页，共三十八页 在腐蚀介质中发生的腐蚀疲劳比在单纯空气中发生的机械疲劳要严重得多。通常采用损伤比来表示腐蚀对疲劳强度的影响：不同的材料或同一种材料在不同的腐蚀介质中其损伤比是不同的。3本讲稿第三页，共三十八页材料状态抗拉强度(MPa)空气中的疲劳强度(MPa)淡水中的疲劳强度(MPa)损伤比碳钢(0.11C)退火3201931100.64碳钢(0.36C)退火5463241730.74铬钒钢(0.46C,0.88Cr,0.14V)退火4052891520.52不锈钢(0.16C,17.3Cr,8.2Ni)热轧863344344(淡水)176(盐水)1.00/0.50部分材料在淡水和海水中的疲劳强度4本讲稿第四页，共三十八页(1)腐蚀环境不是特定的。只要环境介质对金属有腐蚀作用，再加上交变应力的作用都可产生腐蚀疲劳。这一点与应力腐蚀开裂极为不同，腐蚀疲劳不需要金属环境介质的特定配合，因此，腐蚀疲劳更具有普遍性。在交变应力作用下，金属在腐蚀介质中可以处于钝态、也可以处于活化态。2.3.1 腐蚀疲劳的特点5本讲稿第五页，共三十八页(2)腐蚀疲劳曲线无水平线段，即不存在无限寿命的疲劳极限。因此，通常采用“条件疲劳极限”，即以规定循环周次(一般为107次)下的应力值作为腐蚀疲劳极限，来表征材料对腐蚀疲劳的抗力。6本讲稿第六页，共三十八页(3)腐蚀疲劳极限与静强度之间不存在比例关系。由下图可见，不同抗拉强度的钢在海水介质中的疲劳极限几乎没有什么变化。这表明，提高材料的静强度对在腐蚀介质中的疲劳抗力没有什么贡献。7本讲稿第七页，共三十八页(4)断口一般较为平整、光滑。常见腐蚀疲劳裂纹的宏观形貌多呈直线状，无明显塑性变形。在普通光学显微镜下，设备和部件所产生的腐蚀疲劳裂纹一般较为平直，很少有分枝或分枝不明显，似呈锯齿状，且多为穿晶裂纹。在电子显微镜下，在疲劳断口的裂纹扩展区可观察到明显的疲劳辉纹。这是腐蚀疲劳断口的一个重要特征，也是区别于应力腐蚀开裂的一个重要依据。空气中3%NaCl8本讲稿第八页，共三十八页图 腐蚀疲劳的扫描电镜照片电镜下可观察到腐蚀疲劳辉纹和二次裂纹9本讲稿第九页，共三十八页2.3.2 腐蚀疲劳的机理(1)点腐蚀形成裂纹模型。(a)在半圆点蚀坑处由于应力集中，受力后易产生滑移；(b)滑移形成台阶BC、DE；(c)台阶在腐蚀介质作用下溶解，形成新表面BCC；(d)在反向加载时，沿滑移线生成BCB裂纹。10本讲稿第十页，共三十八页(2)保护膜破裂形成裂纹模型 金属表面暴露在腐蚀介质中时，表面将形成保护膜。由于保护膜与金属基体比容不一，因而在膜形成过程中金属表面存在附加应力，此应力与外加应力迭加，使表面产生滑移。在滑移处保护膜破裂露出新鲜表面，从而产生电化学腐蚀。破裂处是阳极，由于阳极溶解反应，在交变应力作用下形成裂纹。11本讲稿第十一页，共三十八页2.3.3 腐蚀疲劳的影响因素(1)应力因素 应力交变频率(f)及应力不对称系数对腐蚀疲劳影响显著。当交变频率很大时，腐蚀来不及发生，只产生机械疲劳破坏；当交变频率小时，则与静拉力作用相似，产生应力腐蚀开裂；应力交变频率在某一范围内最容易产生腐蚀疲劳。而且在腐蚀疲劳的应力范围内，频率愈低，裂纹扩展速度愈高。12本讲稿第十二页，共三十八页(2)环境因素温 度：腐蚀疲劳中温度升高，腐蚀疲劳强度下降。腐蚀性：介质的腐蚀越强，腐蚀疲劳强度越低，但过强的腐蚀性，由于全面腐蚀加速，其敏感性反而降低。介质的pH：pH12，与纯疲劳寿命相同。13本讲稿第十三页，共三十八页(3)材料因素 提高材料的抗点蚀能力有利于提高合金在海水中的抗腐蚀疲劳能力。14本讲稿第十四页，共三十八页右图所示为晶粒度对Inconel 718合金在海水中腐蚀疲劳强度的影响。该图表明，晶粒对合金在海水中腐蚀疲劳强度的影响是显著的。Inconel 铬镍铁合金,因康镍合金 15本讲稿第十五页，共三十八页敏化处理无论对奥氏体不锈钢还是对马氏体不锈钢的腐蚀疲劳强度都是有害的。16本讲稿第十六页，共三十八页2.3.3 防止腐蚀疲劳的措施(1)采用耐腐蚀疲劳的材料 通常，抗小孔腐蚀和缝隙腐蚀的材料，其腐蚀疲劳极限较高，而对应力腐蚀开裂敏感的材料，则腐蚀疲劳极限较低。(2)表面强化处理 由于金属表面是疲劳裂纹始发的地方，因此采用表面强化处理就成为提高腐蚀疲劳强度的有效途径。设计时应减小应力集中；采用热处理消除内应力；对材料进行表面处理，如表面渗氮、渗碳、碳氮共渗、渗金属或合金、表面涂层和镀层。(3)电化学保护 在一定的条件下，利用阴极极化可显著提高钢的耐腐蚀疲劳性能，在弱酸性、中性和碱性介质中，阴极保护对耐腐蚀疲劳是比较有效的。如低碳钢在3%NaCl溶液中，当外加电位控制在0.49V以下时，钢的疲劳寿命稳定。17本讲稿第十七页，共三十八页对氧化性介质中使用的碳钢和不锈钢，可采用阳极保护来防止疲劳。18本讲稿第十八页，共三十八页球墨铸铁的生产：Mg 密度：1.738，熔点：651，沸点：1107我国应用最广的球化剂成分：(4050)%Si，(3.09.0)%Mg，(0.358.0)%RE，(0.55.0)%Ca，(0.751.9)%A1，(3.05.0)%Ba,余Fe。国外常用球化剂成分Mg5%,RE2%,Si45%,余Fe.2.3.4 水环境下奥贝球铁的腐蚀疲劳19本讲稿第十九页，共三十八页球化处理现场20本讲稿第二十页，共三十八页灰铸铁组织球墨铸铁组织21本讲稿第二十一页，共三十八页 二十世纪四十年代Morrogh研制成功球墨铸铁，使铸铁进入一个新的发展时期；而七十年代出现的奥贝球铁(英文名称：Austempered Ductile Iron，简称ADI)又成为球墨铸铁冶金研究的重大突破。奥贝球铁是目前综合性能最好的球墨铸铁,具有良好的强度、韧性、疲劳特性及耐磨性，正日益广泛应用于汽车、农机、矿山机械及建筑机械等行业。22本讲稿第二十二页，共三十八页 奥贝球铁是将铸态球墨铸铁进行等温淬火，即在11201250K温度范围内保温12h，淬入533673K的盐浴(或油池)中保温足够的时间(0.54h)后空冷，从而获得以贝氏体型铁素体和高碳奥氏体混合的基体组织，这种组织与贝氏体钢组织的区别在于铸铁含硅量高，贝氏体转变时无碳化物析出，且奥氏体含碳量高(最大可达2%)，非常稳定。ADI的这种铁素体和高碳奥氏体的混合基体使ADI兼有良好的强度、塑性和韧性。ADI的基体组织23本讲稿第二十三页，共三十八页Table1 Chemical composition of specimen(wt%)CSiMnPSCuMgTi3.762.540.320.0310.0110.0760.0310.017(1)试验方法及内容试验球铁的铸态组织24本讲稿第二十四页，共三十八页Nodularity(%)95Nodule count(count/mm2)201Average graphite diameter(m)24.1Table2 Characteristic value of graphite nodule平面弯曲疲劳试验用试样25本讲稿第二十五页，共三十八页26本讲稿第二十六页，共三十八页Fig.2 Microstructures of the specimens(a)Microstructure of ADI,(b)Microstructure of ferritic nodular iron27本讲稿第二十七页，共三十八页进行了三种条件下的疲劳试验1.Dry(干燥)2.Wet(水附着)3.Dipping/Dry(水浸泡后干燥)28本讲稿第二十八页，共三十八页Fig.3 Shape,dimension and portion of water adhesion of fatigue specimen Fig.4 Fatigue test method under wet condition 29本讲稿第二十九页，共三十八页30本讲稿第三十页，共三十八页(2)试验结果及分析大气中，ADI的疲劳极限为310MPa，与锻钢相当；水附着条件下ADI的S-N曲 线 没 有 水 平 部，N=107对应的疲劳强度为150MPa水浸泡后干燥ADI有明 显 的 疲 劳 极 限(210MPa)，但显著低于大气中的疲劳极限。31本讲稿第三十一页，共三十八页大气中，铁素体球铁 的 疲 劳 极 限 为210MPa；水附着条件下铁素体的S-N曲线没有水平部，N=107对应的疲劳强度与干燥时的疲劳极限相差较小；水浸泡后干燥ADI有明 显 的 疲 劳 极 限(155MPa)。32本讲稿第三十二页，共三十八页ADI,Wet,=180MPa,N=4.0106 Ferritic nodular iron,Wet,=190MPa,N=2.23107 ADI,Dipping/Dry,=220MPa,N=5.26105 Fig.8 Surface appearance of specimens after fatigue test33本讲稿第三十三页，共三十八页surfaceADI,Wet,=120MPa,N=3.31107,Ferritic nodular iron,Wet,=190MPa,N=2.23107,cross-sectionsurfacecross-sectionFig.9 Corrosion pits and cracks on surface and cross-section of specimens tested in wet condition.34本讲稿第三十四页，共三十八页ADI,Dipping/Dry,=230MPa,N=3.5105surfacesurfaceFerritic nodular iron,Dipping/Dry,=165MPa,N=1.52105 cross-sectioncross-sectionFig.10 Corrosion pits and cracks on surface and cross-section of specimens tested in dipping/dry condition.35本讲稿第三十五页，共三十八页Fig.11 SEM observation of ADI fatigue fracture in wet conditionsurfaceinside of cross-section36本讲稿第三十六页，共三十八页Fig.12 Crack generated from the tip of corroded acicular ferrite37本讲稿第三十七页，共三十八页(3)结论在ADI和铁素体球铁的水附着疲劳试验中，当应力大于干燥试样的疲劳极限时，其疲劳寿命和干燥试样一致，但当应力低于干燥试样的疲劳极限时，试样的疲劳极限消失，随着应力的降低，试样仍发生疲劳破坏。水附着条件下，ADI的107循环次数对应的疲劳强度相对于干燥试样降低了50%，而铁素体球铁的疲劳强度只降低了10%。水附着条件下ADI试样的疲劳强度的降低是由于集体组织中的针状铁素 体的优先腐蚀溶解，促进了疲劳裂纹的萌生，加速了疲劳裂纹的扩展。自来水中浸泡480h后干燥的ADI和铁素体球铁均有明显的疲劳极限，与未浸泡干燥试样相比，ADI的疲劳极限降低了32%，铁素体球铁的疲劳极限下降了25%。试样的疲劳极限的降低是由于浸泡中形成的腐蚀凹坑产生的应力集中促进了疲劳裂纹的萌生。38本讲稿第三十八页，共三十八页
