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第六章

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第六章. 环境介质中的力学性能. §1 应力腐蚀. 一、应力腐蚀断裂 SCC 的定义. 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 ( Stress Corrosion Cracking). 应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的,而是在应力和化学介质的联合作用下,按特有机理产生的断裂。. 二、应力腐蚀断裂的特点. 1 、具有选择性. 2 、产生应力腐蚀断裂的必须是拉应力. 3 、纯金属不会产生应力腐蚀断裂.

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Presentation Transcript
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第六章

环境介质中的力学性能

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§1 应力腐蚀

一、应力腐蚀断裂SCC的定义

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(Stress Corrosion Cracking)

应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破坏与在化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加所造成的,而是在应力和化学介质的联合作用下,按特有机理产生的断裂。

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2、产生应力腐蚀断裂的必须是拉应力

3、纯金属不会产生应力腐蚀断裂

Al-Mg合金:Mg>4%,SCC敏感,Mg<4%,无SCC

钢:C含量在0.12%时,发生SCC的可能性最大

4、应力腐蚀断裂断口

应力腐蚀断裂也有裂纹腐蚀源,裂纹亚稳扩展阶段,裂纹失稳扩展阶段。

一般是沿晶断裂机制,断口面上有腐蚀性产物和氧化特征,一般呈黑色或灰黑色。断面则可见到“泥状花样”的腐蚀产物及腐蚀坑。

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三、应力腐蚀的抗力指标

1、SCC门槛值KISCC

M-裂纹截面上的弯矩,M=FL

B-试样厚度

W-试样宽度

a-裂纹长度,α=1-a/W

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2、da/dt(SCC裂纹扩展速率)

da/dt=f(KI)

第Ⅰ阶段:当K1刚超过KISCC时,裂纹突然加速扩展

第Ⅱ阶段:曲线出现水平阶段,da/dt几乎与KI无关。此阶段与材料和环境密切相关,此段时间越长,抗应力腐蚀性能越好

第Ⅲ阶段:da/dt随KI的增大急剧增大。材料进入失稳扩展的过渡区,当KI达到KIC时便失稳扩展而断裂

3、慢拉伸试验

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§2 氢脆(Hydrogen Embrittlement)

一、氢脆的定义

由于氢和应力的共同作用下而导致金属材料产生脆性断裂的现象,称为氢脆断裂,简称氢脆。

二、分类

内含的:金属在熔炼过程中及随后的加工制造过程中吸收的氢

氢的来源

外来的:金属机件在服役时从含氢环境介质中吸收的氢

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第一类氢脆:随应变速率的增大,HE敏感性增大第一类氢脆:随应变速率的增大,HE敏感性增大

氢脆敏感性

第二类氢脆:随应变速率的增大,HE敏感性降低

三、第一类氢脆

1、白点(发裂)

当钢中含有过量的氢时,随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。如果过饱和的氢未能扩散逸出,便聚集在某些缺陷处形成氢分子。此时,氢的体积发生急剧膨胀,内压力很大,将金属局部撕裂而形成微裂纹。

微裂纹断面呈圆形或椭圆形,颜色为银白色,故称为白点。

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2、氢蚀

由于氢与金属中的第二相作用生成高压气体,使基体金属晶界结合力减弱而导致金属脆化。

碳钢在300-500℃的高压氢气氛中工作时,由于氢与钢中的碳化物作用而生成高压的CH4气泡,当气泡在晶界上达到一定密度后,金属的塑性将大幅度降低。温度低于220℃的碳钢不会发生氢蚀。

氢蚀断裂的宏观断口形貌呈氧化色,颗粒状。微光断口上晶界明显加宽,呈沿晶断裂。

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石油化工企业易发生氢蚀,防治措施有:

  • 降低钢中的含碳量
  • 球化处理,使片状珠光体→球状珠光体
  • 采取V、Ti、Nb等微合金化的方法
  • 在冶炼时不宜采用Al来脱氧,因Al与N结合形成AlN,在晶界上偏析,增加了形核质点

3、氢化物致脆

对于ⅣB或ⅤB族金属,由于它们与氢有较大的亲和力,极易生成脆性氢化物,使金属脆化。

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四、第二类氢脆

1、不可逆氢脆

已形成过饱和的氢的固溶体,若降低应变速率,诱导氢化物析出,这个过程需要时间,应变速率降低为氢化物的析出提供了充分的时间,这个过程是不可逆的。

若卸载后重新加载,则就属于第一类氢脆中的氢化物致脆。

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2、可逆氢脆

金属中的含氢量<氢的饱和溶解度,此时是个平衡固溶体,氢的含量未饱和,不析出氢化物。若降低应变速率,把原来不动的氢变动起来,向裂纹尖端、缺口等应力集中地方或三向应力状态定向扩散,所以,这些氢在裂纹尖端处发生聚集,导致氢的敏感性降低。若卸载后重新加载,则应力集中地方和三向应力状态已不存在,氢又扩散到别的地方,因此是可逆氢脆。