《材料科学基础》10腐蚀与防护疲劳与断裂.docx

材料科学基础10腐蚀与防护，疲劳与断裂1 .名词解释及符号意义全面腐蚀 局部腐蚀 点腐蚀 晶间腐蚀 应力腐蚀 腐蚀疲劳 涡流腐蚀缝隙腐蚀 Kiscc da/dt2 .以不锈钢在充气的NaCl溶液中孔腐蚀为例，简述小孔腐蚀的机理。3 .为提高18Cr-9Ni不锈钢的抗点蚀性能，可在钢中加入哪些元素？4 .应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt与Ki值之间的关系如图11.2所示,试指出曲线上的两个 端点各代表材料的什么特征值？并根据此图说明裂纹扩展速率与Ki值的关系。5 .影响晶间腐蚀的因素有哪些？6 .简述应力腐蚀的机理及减少应力腐蚀的措施。7 .试述硅酸盐材料的腐蚀机理及影响腐蚀的因素。8 .玻璃的腐蚀有哪几种形式?简要说明之。9 .混凝土的腐蚀有哪几种形式?简要说明之。10 .以A12O3/SiC复合材料为例说明陶瓷基复合材料的氧化行为。11 .什么是高分子材料的腐蚀?有何主要表现？12 .何为高分子材料的物理老化?其特点是什么?物理老化对性能有何影响？1名词解释及符号意义全面腐蚀局部腐蚀点腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀腐蚀疲劳涡流腐蚀缝隙腐蚀 Kiscc da/dt全面腐蚀：是常见的一种腐蚀，是指整个金属表面均发生腐蚀，它可以是均匀的也可以 是不均匀的。全面腐蚀一般属于微观电池腐蚀。局部腐蚀：腐蚀作用集中在某一定的区域内，而金属的其余部分几乎没有发生腐蚀。 主要有点腐蚀（孔腐蚀）、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、选择腐蚀，应力腐蚀、腐蚀疲劳、湍流腐蚀 等。点腐蚀：金属的大部分表面不发生腐蚀或腐蚀很轻微，但在局部地方出现腐蚀小孔并 向深处发展的一种腐蚀破坏形式。晶间腐蚀：是金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。这 种腐蚀是在金属（合金）表面无任何变化的情况下，使晶粒间失去结合力,金属强度完全丧失, 导致设备突发性破坏。应力腐蚀：(英文缩写SCC,stress corrosion crack)是指金属材料在特定腐蚀介质和拉 应力共同作用下发生的脆性断裂。腐蚀疲劳：在腐蚀介质和交变应力共同作用下而引起的材料或构件的破坏。涡流腐蚀：腐蚀性流体与金属间相互运动引起的金属加速破坏。缝隙腐蚀：浸在腐蚀介质中的构筑物，由于金属与金属之间或金属与非金属之间形成 缝隙，而缝隙中又可进入并存留住腐蚀介质，从而使缝隙内部产生加速腐蚀的现象。Kiscc ： 一般认为当拉伸应力低于某一个临界值时，不再发生断裂破坏，这个临界应力 称应力腐蚀开裂门槛值，用Kiscc或临界应力6th表示。da/dt:表示单位时间内裂纹的扩展量叫应力腐蚀裂纹扩展速率。2以不锈钢在充气的NaCl溶液中孔腐蚀为例，简述小孔腐蚀的机理。表面带有氧化膜的金属与含有活性氯离子的介质接触时，活性氯离子首选吸附在金属 表面氧化膜的某些部位。当金属的电位达到孔蚀电位时，在氧化膜或钝化膜的薄弱点,如在晶 界、位错露头、外来原子在点阵中的夹杂和氧化膜的应力裂纹处，或者由于竞争吸附的结果 使金属表面的吸附氧被氯离子取代，或由于电场强度使氯离子获得足够能量，使其穿过氧化膜 的薄弱部分，从而使氧化膜受到局部破坏并使金属发生局部的阳极溶解,于是开始形成蚀孔。 在蚀孔开始形成之前有一段很长的孕育期，有的可长达几个月甚至几年，而一旦蚀孔形成之后, 它的生长却是一个自催化过程，以不断增长的速度穿透金属。3为提高18Cr-9Ni不锈钢的抗点蚀性能，可在钢中加入哪些元素？增加铭和银含量，加入铝等。4应力腐蚀裂纹扩展速率4/dt与Ki值之间的关系如图11.2所示,试指出曲线上的两个 端点各代表材料的什么特征值？并根据此图说明裂纹扩展速率da/dt与Ki值的关系曲线与横坐标的交点代表到达临界点，既da/dt马上就要大于零，裂纹即将产生。曲线的最高点代表 裂纹深度已接近临界尺寸，马上就要断裂。(1)区域I当Ki稍大于Kiscc时,裂纹经过一段孕育后突然加速发展，即在I区内，裂纹 生长速率对Ki值较敏感。(2)区域nda/出与Ki无关，通常说的裂纹扩展速率就是指该区速率，因为它主要由电化 学过程控制，较强烈地依赖于溶液的p值,粘度和温度；(3)区域III失稳断裂区，裂纹深度已接近临界尺寸ac,当超过这个值时,应力强度因子 Ki达到Kic时，裂纹生长速率迅速增加直至发生失稳断裂。5影响晶间腐蚀的因素有哪些？影响晶间腐蚀的因素主要有：(1)加热温度与时间(2)合金成分不锈钢中除了主要成分Cr、NiC外,还含有Mo、Ti、Nb等合金元素。它们对晶间腐 蚀的作用如下： 碳：奥氏体不锈钢中碳量愈高,晶界腐蚀倾向愈严重，导致晶间腐蚀碳的临界浓 度为0.02%(质量分数)。铭：能提高不锈钢耐晶界腐蚀的稳定性。当倍含量较高时，允许增加钢中含碳 量。例如，当不锈钢中铭的质量分数从18%提高到22%时,碳的质量分数允许从0.02%增加到 0.06 %。银：增加不锈钢晶界腐蚀敏感性。可能与镇降低碳在奥氏体钢中的溶解度有 关。钛、银：都是强碳化物生成元素,高温时能形成稳定的碳化物TiC及NbC,减 少了碳在回火时的析出，从而防止了铭的贫化。6简述应力腐蚀的机理及减少应力腐蚀的措施。应力腐蚀机理的主要理论有：(1)阳极快速溶解理论何尔(Hoar)和希纳斯(Hines)首先提出阳极快速溶解理论。该理论认为裂纹一旦形成, 裂纹尖端的应力集中导致裂纹尖端前沿区发生迅速屈服，晶体内位错沿着滑移面连续地到达 裂纹尖端前沿表面，产生大量瞬间活性溶解质点,导致裂纹尖端(阳极)快速溶解。(2)闭塞电池理论该理论认为,在已存在的阳极溶解的活化通道上，腐蚀优先沿着这些通道进行。在应力 协同作用下，闭塞电池腐蚀所引发的腐蚀孔扩展为裂纹产生SCCo这种闭塞电池作用与孔腐 蚀相似，也是一个自催化的腐蚀过程，在拉应力作用下使裂纹不断扩展，直至断裂。(3)膜破裂理论(滑移-溶解理论)该理论认为，金属表面是由钝化膜覆盖，并不直接与介质接触。在应力或活性离子(CL) 的作用下易引起钝化膜破裂，露出活性的金属表面。介质沿着某一择优途径浸入并溶解活性 金属，最终导致应力腐蚀断裂。防止或减轻应力腐蚀的措施主要有： 合理选材 尽量避免金属或合金在易发生应力腐蚀的环境介质中使用。控制应力在制造和装配金属构件时，应尽量使结构具有最小的应力集中系数，并使 与介质接触的部分具有最小的残余应力。参余应力往往是引起SCC的主要原因，热处理退火 可消除残余应力。 改变环境通过除气、脱氧、除去矿物质等方法可除去环境中危害较大的介质组分。 还可通过控制温度、pH值,添加适量的缓蚀剂等，达到改变环境的目的。 电化学保护金属(合金)发生SCC与电位有关，可通过电化学保护使金属离开SCC 敏感区，从而抑制SCC o涂层好的镀层(涂层)可使金属表面和环境隔离开，从而避免产生SCCo7试述硅酸盐材料的腐蚀机理及影响腐蚀的因素。无机非金属材料除石墨以外，在与电解质溶液接触时不像金属那样形成原电池,故其腐 蚀不是由电化学过程引起的，而往往是由于化学作用或物理作用所引起。除熔融制品(如玻 璃、铸石)外，陶瓷材料结构中或多或少地含有一定的孔隙。孔隙会降低材料的耐腐蚀性，因 为孔隙的存在会使材料接触介质的面积增大，腐蚀不仅可发生在表面上而且也发生在材料内 部，使得侵蚀作用明显增强。当化学反应生成物出现结晶时还会造成物理性能的破坏，例如制 碱车间的水泥地面,当间歇地受到苛性钠溶液的浸润时，由于渗透到孔隙中的苛性钠吸收二氧 化碳后变成含水碳酸盐结晶，体积增大,在水泥内部膨胀，使材料产生内应力破坏。当孔隙为闭孔时,受腐蚀性介质的影响要比开口的孔隙小。而当孔隙为开口时,腐蚀性 液体容易透入材料内部。无机非金属材料的耐蚀性还与其结构有关。晶体结构的耐腐蚀性较无定型结构高。例 如二氧化硅处于结晶状态时，虽属耐酸材料但也有一定的耐碱性。而无定形的二氧化硅就易 溶于碱溶液中。具有晶体结构的熔铸辉绿岩也是如此，它比同一组成的无定形化合物具有更 高的化学稳定性。8玻璃的腐蚀有哪几种形式？简要说明之。玻璃材料的腐蚀主要由含水介质的作用而引起的。大气条件下,被称为风化的玻璃腐 蚀基本上是由水蒸气所造成的。风化的机理有两种，一种是蒸发，一种是携带与其反应的任何 产物从表面流聚到一点。9混凝土的腐蚀有哪几种形式？简要说明之。10以A12O3/SiC复合材料为例说明陶瓷基复合材料的氧化行为。11什么是高分子材料的腐蚀?有何主要表现？高分子材料在加工、储存和使用过程中，由于内外因素的综合作用，其物理化学性能和 机械性能逐渐变坏，以至最后丧失使用价值，这种现象称为高分子材料的腐蚀，亦称为老化。老 化主要表现在：（1）外观的变化：出现污渍、斑点、银纹、裂缝、喷霜、粉化及光泽、颜色 的变化；（2）物理性能的变化：包括溶解性、溶胀性、流变性能，以及耐寒、耐热、透水、透 气等性能的变化；（3）力学性能的变化：如抗张强度、弯曲强度、抗冲击强度等的变化；（4） 电性能的变化：如绝缘电阻、电击穿强度、介电常数等的变化。12何为高分子材料的物理老化，其特点是什么？物理老化对性能有何影响？高聚物的物理老化仅指由于物理作用而发生的可逆性的变化,不涉及分子结构的改 变。由于玻璃态高聚物多数处于非平衡态,其凝聚态结构是不稳定的。这种不稳定结构在玻 璃化转变温度Tg以下存放过程中会逐渐趋向稳定的平衡态，从而引起高聚物材料的物理力 学性能随存放或使用时间而变化，这种现象被称为物理老化或“存放效应”。物理老化是玻璃 态高聚物通过小区域链段的微布朗运动使其凝聚态结构从非平衡态向平衡态过渡的弛豫过 程，因此与存放的温度有关。在可观察的时标内，它发生在高聚物玻璃化转变温度Tg和次级 转变温度Tb之间，所以又称为Tg以下的退火效应。TOP 返回试题1解释下列概念疲劳 低温疲劳 热疲劳 韧-脆转化温度 氢致断裂 疲劳强度 蠕变强度2试述疲劳失效的特点。3分析材料高温下的失效方式。4简述氢脆的类型。5试述氢致开裂机理。1解释系列概念：疲劳、低温疲劳、热疲劳、韧一脆转化温度、氢致断裂、疲劳强度、蠕 变强度解：疲劳是指材料或构件在交变应力(应变)作用下发生的破坏。低温疲劳是指在室温以下工作的材料或构件所发生的疲劳破坏现象。目前还没有关于低 温疲劳的确切定义。热疲劳是指由于温度的变化形成的变动热应力引起的疲劳。韧一脆转化温度是指材料由韧性断裂转变为脆性断裂的温度TK,也称为冷脆转化温 度。氢致断裂是指材料由于受到含氢气氛的作用而引起的断裂，也称为氢脆断裂，简称氢脆。疲劳强度一般称为疲劳极限，它是疲劳曲线水平部分所对应的应力,表示材料经受无限多 次应力循环而不断裂的最大应力。蠕变强度一般称为蠕变极限，它是高温长时期载荷下材料对变形的抗力指标，有两种表征 方法：一种是在给定温度下，规定时间内产生一定蠕变总量的应力值，以bK/R(MPa)表示； 另一种是在一定温度下,产生规定的稳态蠕变速率的应力值，以仃:4(MPa)表示。2试述疲劳失效的特点。解：疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，有其本身的特点：(1)疲劳断裂表现为低应力下的破坏断裂。(2)疲劳破坏宏观上无塑性变形，具有更大的危险性。(3)疲劳是与时间有关的一种失效方式，具有多阶段性。(4)与单向静载断裂相比，疲劳失效对材料的微观组织和缺陷更加敏感。(5)疲劳失效受载荷历程的影响。3分析材料高温下的失效方式。解：材料高温下的失效方式主要有三种：(1)在载荷持续作用下的蠕变和蠕变损伤。(2)温度反复急剧变化引起的热疲劳。(3)高温氧化、腐蚀以及与时间有关的高周和低周疲劳损伤。4简述氢脆的类型。解：氢脆主要有以下几类：(1)氢压裂纹。氢压裂纹包括钢中白点、H2s浸泡裂纹、焊接冷裂纹以及高逸度充氢 时产生的微裂纹。(2)氢致化学变化导致的氢脆氢腐蚀。(3)氢致相变导致的氢脆。包括氢化物析出导致氢脆和氢致马氏体相变导致氢脆两种 情况。(4)可逆氢脆。指固溶的氢在拉伸过程中通过扩散和富集导致材料塑性下降的现象。(5)氢致滞后断裂。指在恒载荷(或恒位移)条件下，原子氢通过应力诱导扩散、富集, 到临界值后就引起氢致裂纹形核、扩展，从而导致低应力断裂的现象。5试述氢致开裂机理。解：长期以来，人们对氢脆机理进行了大量研究，并提出了多种理论。但是，由于氢对钢的 性能影响十分复杂，而且氢脆过程的一些重要参数缺乏精确的测试手段,所以对氢脆机理的看 法仍然存在分歧。目前比较看好以下几种理论：(1)氢压理论。在H2气环境中H2分解为H原子进入金属中,其浓度Ch和J巨成正比。 反过来，如果溶解在金属中的H进入某些特殊区域(如夹杂或第二相界面、空位团)就会复合 成H2,即2H7H2,这时该处的H2气压力P就和口？成正比。当局部区城Ch很高，则压力很 大,若该压力超过了原子键合力。由,就会使局部地区的原于键断裂而形成微裂纹。(2)氢降低原子键合力理论。认为，当局部应力集中Oyy等于原子键合力Oth时，原于键就 破裂，从而微裂纹形核；而固溶的原于氢能使原于键合力从。山降为。th(H)。这就是说,使氢致 微裂纹形核所需的局部应力集中将从Oyy = Oth降低为Oyy(H) =(Jth(H)o这样一*来就会使造成 局部应力集中所需的临界外加应力从Oc降为bc(H),或使临界应力强度因子从Kic降为Kiho 因此，裂纹更容易形成。(3)氢降低表面能理论。认为，氢吸附在表面就会使表面能由y降为y(H)。根据 Griffith理论，断裂应力。$或断裂韧性Kic和后成正比，因而当氢使了下降,必然使。降为"H), 或使Kic为Kih,从而增大裂纹形成倾向。(4)氢致开裂新机理。同时考虑了氢促进局部塑性变形，氢降低原子键合力以及氢压的 作用，因此能够解释各种氢脆现象。