材料力学性能 第六章-1.ppt

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1、材料的力学性能材料的力学性能材料与化工学院材料与化工学院前言前言残余应力或外加载荷残余应力或外加载荷+化学介质或氢化学介质或氢 应力腐蚀断裂和氢脆断裂等，属于低应力脆断。应力腐蚀断裂和氢脆断裂等，属于低应力脆断。本章阐述金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征及断裂机理，本章阐述金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征及断裂机理，介绍金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标介绍金属材料抵抗应力腐蚀和氢脆断裂的力学性能指标 及防止其断裂的措施。及防止其断裂的措施。第六章第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂金属的应力腐蚀和氢脆断裂6.16.1 应应 力力 腐腐 蚀蚀6.26.2 氢氢 脆脆6.16.1 应应 力力 腐

2、腐 蚀蚀一、应力腐蚀现象及其产生条件一、应力腐蚀现象及其产生条件二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标四、防止应力腐蚀的措施四、防止应力腐蚀的措施一、应力腐蚀现象及其产生条件一、应力腐蚀现象及其产生条件1.应力腐蚀现象应力腐蚀现象金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，金属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。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。应力腐蚀断裂，是在应力和化学介质的联合作用下，应力腐蚀断裂，是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理产生的

3、断裂。按特有机理产生的断裂。绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。绝大多数金属材料在一定的化学介质条件下都有应力腐蚀倾向。2.产生条件产生条件（1）应力，主要是拉应力。）应力，主要是拉应力。（2）化学介质，特定的化学介质。）化学介质，特定的化学介质。（3）金属材料，主要是合金。）金属材料，主要是合金。一、应力腐蚀现象及其产生条件一、应力腐蚀现象及其产生条件二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征（一）应力腐蚀断裂机理（一）应力腐蚀断裂机理应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化膜破坏理论钝化膜破坏

4、理论）和氢脆）和氢脆理论。理论。金属表面形成钝化膜金属表面形成钝化膜 拉应力拉应力钝化膜破裂钝化膜破裂 露出新鲜表面露出新鲜表面 新鲜表面为阳极，钝化膜表面为阴极新鲜表面为阳极，钝化膜表面为阴极 腐蚀微电池腐蚀微电池 阳极溶解阳极溶解 形成烛坑。形成烛坑。（二）宏观腐蚀断口特征（二）宏观腐蚀断口特征宏观特征与疲劳断口相似，也有亚稳扩展区宏观特征与疲劳断口相似，也有亚稳扩展区和最后瞬断区。和最后瞬断区。在亚稳扩展区可见到腐蚀产生和氢化现象，在亚稳扩展区可见到腐蚀产生和氢化现象，可以呈黑色或灰黑色，具有脆性特征。可以呈黑色或灰黑色，具有脆性特征。最后瞬断区一般为快速撕裂破坏，显示出基最后瞬断区一般

5、为快速撕裂破坏，显示出基体材料的特性。体材料的特性。微观形貌：一般为沿晶断裂，也可为穿晶解微观形貌：一般为沿晶断裂，也可为穿晶解理断裂或准解理断裂，表面可看到理断裂或准解理断裂，表面可看到“泥状花泥状花样样”的腐蚀产物。的腐蚀产物。二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标通常用通常用光滑试样光滑试样在拉应力和化学介质共同作用下，在拉应力和化学介质共同作用下，依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。依据发生断裂的持续时间来评定金属材料的抗应力腐蚀性能。测试过程：采用一组相同试

6、样，测试过程：采用一组相同试样，在不同在不同应力应力水平作用下测定其断裂水平作用下测定其断裂时间时间tf，作出作出-tf曲线。曲线。求出该种材料不发生应力腐蚀的求出该种材料不发生应力腐蚀的临界应力临界应力scc，据此来研究合金元素、组织结构据此来研究合金元素、组织结构 及化学介质对材料应力腐蚀敏感性的影响。及化学介质对材料应力腐蚀敏感性的影响。断裂力学原理，带断裂力学原理，带裂纹的试样裂纹的试样，引入应力场强度因子，引入应力场强度因子K KI I，得到应力腐蚀临界应力场强度因子得到应力腐蚀临界应力场强度因子K KISCCISCC和应力腐蚀裂纹扩展速率和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dtda/dt，

7、这两个指标可用于机件的选材和设计。这两个指标可用于机件的选材和设计。（一）（一）应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力场强度因子K KISCCISCC在恒定载荷和特定化学介质作用下，在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹的金属试样，带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子初始应力场强度因子K KI I初初有关。有关。将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子（或称为应力腐蚀门槛值），称为应力腐蚀临界应力场强度因子（或称为应力

8、腐蚀门槛值），以以K KISCCISCC表示。表示。它表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下的断裂韧度。它表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下的断裂韧度。金属材料在应力腐蚀条件下的断裂判据：金属材料在应力腐蚀条件下的断裂判据：K KI I初初K KISCCISCC三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标断裂力学原理，带断裂力学原理，带裂纹的试样裂纹的试样，引入应力场强度因子，引入应力场强度因子K KI I，得到应力腐蚀临界应力场强度因子得到应力腐蚀临界应力场强度因子K KISCCISCC和应力腐蚀裂纹扩展速率和应力腐蚀裂纹扩展速率da/dtda/d

9、t，这两个指标可用于机件的选材和设计。这两个指标可用于机件的选材和设计。（一）（一）应力腐蚀临界应力场强度因子应力腐蚀临界应力场强度因子K KISCCISCC在恒定载荷和特定化学介质作用下，在恒定载荷和特定化学介质作用下，带有预制裂纹的金属试样，带有预制裂纹的金属试样，产生应力腐蚀断裂的时间与产生应力腐蚀断裂的时间与初始应力场强度因子初始应力场强度因子K KI I初初有关。有关。将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，将试样在特定化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子（或称为应力腐蚀门槛值），称为应力腐蚀临界应力场强度因子（或称为

10、应力腐蚀门槛值），以以K KISCCISCC表示。表示。测定金属材料的测定金属材料的K KISCCISCC值可用恒载荷法或恒位移法。值可用恒载荷法或恒位移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用。三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标测定金属材料的测定金属材料的K KISCCISCC值可用恒载荷法或恒位移法。值可用恒载荷法或恒位移法。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用。以恒载荷法的悬臂梁弯曲试验法最常用。试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相连，力臂端并没有通过砝码进行加载，试试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相连，

11、力臂端并没有通过砝码进行加载，试样穿在溶液槽中，使预制裂纹沉浸在化学介质中。样穿在溶液槽中，使预制裂纹沉浸在化学介质中。整个试验过程中载荷恒定，所以随着裂纹扩展，裂纹尖端的整个试验过程中载荷恒定，所以随着裂纹扩展，裂纹尖端的KI增大。增大。试样实验时必须制备一组尺寸相同的试样，试样实验时必须制备一组尺寸相同的试样，每个试样承受不同的恒定载荷每个试样承受不同的恒定载荷F，使裂纹尖端产生不同大小的使裂纹尖端产生不同大小的KI初初，记录试样在各种记录试样在各种KI初初作用下的断裂时间作用下的断裂时间tf，曲线水平部分对应的曲线水平部分对应的KI初初就是材料的就是材料的KISCC。三、应力腐蚀抗力指标

12、三、应力腐蚀抗力指标（二）应力腐蚀裂纹扩展速率（二）应力腐蚀裂纹扩展速率da/dt当应力腐蚀裂纹尖端的当应力腐蚀裂纹尖端的KIKISCC时，时，裂纹就会不断扩展。裂纹就会不断扩展。单位时间内裂纹的扩展量，单位时间内裂纹的扩展量，就称为应力腐蚀裂纹扩展速率，就称为应力腐蚀裂纹扩展速率，da/dt。第第阶段主要受电化学过程控制。阶段主要受电化学过程控制。三、应力腐蚀抗力指标三、应力腐蚀抗力指标四四四四 防止应力腐蚀的措施防止应力腐蚀的措施防止应力腐蚀的措施防止应力腐蚀的措施(1)合理选择金属材料合理选择金属材料针对机件所受应力和接触的化学介质，选用针对机件所受应力和接触的化学介质，选用 耐应力腐蚀

13、的金属材料，这是一耐应力腐蚀的金属材料，这是一个基本原则。个基本原则。(2)减少或消除机件中的残余拉应力减少或消除机件中的残余拉应力残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，主要是由于金属机件的设计和加工残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，主要是由于金属机件的设计和加工工艺不合理产生。工艺不合理产生。因此，应尽量减少机件上的应力集中效应，加热和冷却均匀。必要时采用退因此，应尽量减少机件上的应力集中效应，加热和冷却均匀。必要时采用退火工艺消除应力。如果能采用喷丸或其它表面处理方法，使机件表层中产生火工艺消除应力。如果能采用喷丸或其它表面处理方法，使机件表层中产生一定的残余压应力，则更为有效。一定的残余

14、压应力，则更为有效。(3)改善化学介质改善化学介质一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净化处一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体不锈钢十分有效。理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防奥氏体不锈钢十分有效。另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入加入一定量的磷酸另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入加入一定量的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大提高。(4)采用电化学保护采用电化学保护由于金属在化学介质中只有在一定的电极电位范围内才会产生应力腐蚀现象，由于金属在化学介质中只有在一定的电极电位范围内才会产生应力腐蚀现象，因此，采用外加电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感因此，采用外加电位的方法，使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的一种措施。电位区域，也是防止应力腐蚀的一种措施。