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材料在環(huán)境條件下的力學性能
前幾節(jié)主要介紹材料在外力作用下所表現(xiàn)的力學行為規(guī)律,實際工程結(jié)構(gòu)或零件压语,都是在一定環(huán)境或介質(zhì)下工作烟零,材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學行為是介質(zhì)和應力共同作用的結(jié)果是己。本節(jié)主要介紹應力腐蝕的試驗方法捺檬。
5.1 概述
應力腐蝕是指材料叼架、機械零件或構(gòu)件在靜應力(主要是拉應力)和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象柠逞。應力腐蝕是危害最大的腐蝕形態(tài)之一青瀑。
應力腐蝕斷裂(stress corrosion cracking, SCC) 是一種“災難性的腐蝕”璧亮,如橋梁坍塌,飛機失事斥难,油罐爆炸枝嘶,管道泄漏都造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。
5.2 應力腐蝕條件和特征
應力腐蝕產(chǎn)生的條件:敏感的金屬材料哑诊、特定的腐蝕介質(zhì)群扶、足夠大的應力。
敏感材料:一般情況純金屬不會發(fā)生SCC镀裤,含雜質(zhì)的或者合金才能發(fā)生SCC竞阐;高強度合金鋼腐蝕開裂抗力受化學成分和顯微組織控制;
特定介質(zhì):特定組織環(huán)境(包括腐蝕介質(zhì)性質(zhì)暑劝、濃度馁菜、溫度),特定材料對于特定的溶液介質(zhì)铃岔,才能發(fā)生應力腐蝕汪疮。 例如,奧氏體不銹鋼—Cl離子溶液毁习、低合金高強度鋼—潮濕大氣中智嚷。
應力來源:機件所承受的應力包括工作應力和殘余應力。工作狀態(tài)下構(gòu)件所承受的外加載荷形成的抗力纺且;加工盏道,制造,熱處理引起的內(nèi)應力载碌;裝配猜嘱,安裝形成的內(nèi)應力;溫差引起的熱應力嫁艇;裂紋內(nèi)因腐蝕產(chǎn)物的體積效應造成的楔入作用也能產(chǎn)生裂紋擴展所需要的應力朗伶。
不同合金腐蝕介質(zhì)表
應力腐蝕特征:典型的滯后破壞;裂紋分為晶間型步咪、穿晶型和混合型论皆;裂紋擴散速度比均勻腐蝕快約106倍;低應力的脆性斷裂。
滯后破壞
孕育期:裂紋萌生階段点晴,即裂紋源成核所需時間感凤,約占整個時間的90%左右;
裂紋擴展期:裂紋成核→臨界尺寸粒督;
快速斷裂期:裂紋達到臨界尺寸后陪竿,由純力學作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂。
整個斷裂時間與材料屠橄、介質(zhì)萨惑、應力有關(guān)(短則幾分鐘,長可達若干年仇矾,應力降低庸蔼,斷裂時間延長。
臨界應力σth(臨界應力強度因子KISCC)贮匕,在此臨界值以下姐仅,不發(fā)生SCC。
裂紋形態(tài)
SCC裂紋分為三種:晶間型刻盐、穿晶型掏膏、混合型。晶間型:裂紋沿晶界擴展敦锌,如軟鋼馒疹、鋁合金、銅合金乙墙、鎳合金颖变;穿晶型:裂紋穿越晶粒擴展,如奧氏體不銹鋼听想、鎂合金腥刹;混合型:鈦合金。
裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì)汉买。同一材料因介質(zhì)變化衔峰,裂紋途徑也可能改變。
應力腐蝕裂紋的主要特點是:裂紋起源于表面蛙粘;裂紋的長寬不成比例垫卤,相差幾個數(shù)量級;裂紋擴展方向一般垂直于主拉伸應力的方向出牧;裂紋一般呈樹枝狀穴肘。
裂紋擴展方向與應力方向(垂直)
裂紋擴展速度
應力腐蝕裂紋擴展速率的特點:擴展速度較快;10-6~10-3mm/min崔列;比均勻腐蝕快約106倍梢褐;僅為純機械斷裂速度的10-10旺遮。
應力腐蝕裂紋的da/dt-K1
當裂紋尖端的KI>KISCC時赵讯,裂紋就會不斷擴展盈咳。單位時間內(nèi)裂紋的擴展量叫做應力腐蝕裂紋擴展速率,用da/dt表示边翼。裂紋的擴展速率da/dt隨著應力強度因子K1而變化鱼响。
I區(qū):當K1稍大于K1SCC時,裂紋經(jīng)過一段孕育突然加速發(fā)展组底,即在I區(qū)內(nèi)丈积,裂紋生長速率對K1較敏感;
II區(qū):da/dt與K1無關(guān)债鸡,通常說的裂紋擴展速率就是指該區(qū)速率江滨,因為它主要由電化學過程控制,較強烈地依賴于溶液的pH值厌均,粘度和溫度唬滑;
Ⅲ區(qū):失穩(wěn)斷裂區(qū),裂紋深度已接近臨界尺寸acr , 當超過這個值時棺弊,應力強度因子達到K1c時晶密,裂紋生長率迅速增加直至發(fā)生失穩(wěn)斷裂。
低應力的脆性斷裂
應力腐蝕破壞的斷口模她,斷口表面顏色暗淡稻艰,腐蝕坑和二次裂紋;應力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂侈净,也可以是沿晶斷裂尊勿。如果是穿晶斷裂,其斷口是解理或準解理的畜侦,其裂紋有似人字形或羽毛狀的標記运怖。
沿晶斷裂圖
穿晶斷裂圖
5.3 應力腐蝕影響因素
應力腐蝕影響因素——環(huán)境、電化學夏伊、力學摇展、冶金。
應力腐蝕影響因素示意圖
5.4 應力腐蝕防治措施
方面 |
措施 |
選材 |
根據(jù)材料的具體使用環(huán)境溺忧,盡量避免使用對SCC敏感的材料咏连; |
消除應力 |
改進結(jié)構(gòu)設(shè)計,減小應力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積存鲁森; 在部件的加工祟滴、制造和裝配過程中盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應力; 可通過熱處理歌溉、表面噴丸等方法消除殘余應力垄懂; |
涂層 |
使用有機涂層可將材料表面與環(huán)境分開骑晶; 使用對環(huán)境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層; |
改善介質(zhì)環(huán)境 |
控制或降低有害的成分草慧; 在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑桶蛔; 通過改變電位、促進成膜漫谷、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等仔雷,影響電化學反應動力學而起到緩蝕作用,改變環(huán)境的敏感舔示; 性質(zhì)碟婆; |
電化學保護 |
金屬發(fā)生SCC與電位有關(guān)。有些體系存在一個臨界斷裂電位值惕稻,通過電化學保護使金屬離開SCC敏感區(qū)竖共,從而抑制SCC |
來源:材易通