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材料力學(xué)性能及試驗簡述(五)
  發(fā)布時間:2019年10月16日 點擊數(shù):

 

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材料在環(huán)境條件下的力學(xué)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(xué)行為規(guī)律,實際工程結(jié)構(gòu)或零件,都是在一定環(huán)境或介質(zhì)下工作,材料在環(huán)境介質(zhì)中的力學(xué)行為是介質(zhì)和應(yīng)力共同作用的結(jié)果。本節(jié)主要介紹應(yīng)力腐蝕的試驗方法。

 

5.1 概述

應(yīng)力腐蝕是指材料、機械零件或構(gòu)件在靜應(yīng)力(主要是拉應(yīng)力)和腐蝕的共同作用下產(chǎn)生的失效現(xiàn)象。應(yīng)力腐蝕是危害最大的腐蝕形態(tài)之一。

 

應(yīng)力腐蝕斷裂(stress corrosion cracking, SCC 是一種災(zāi)難性的腐蝕,如橋梁坍塌,飛機失事,油罐爆炸,管道泄漏都造成了巨大的生命和財產(chǎn)損失。


 

5.2 應(yīng)力腐蝕條件和特征

應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生的條件:敏感的金屬材料、特定的腐蝕介質(zhì)、足夠大的應(yīng)力。

敏感材料:一般情況純金屬不會發(fā)生SCC,含雜質(zhì)的或者合金才能發(fā)生SCC;高強度合金鋼腐蝕開裂抗力受化學(xué)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)、濃度、溫度),特定材料對于特定的溶液介質(zhì),才能發(fā)生應(yīng)力腐蝕。 例如,奧氏體不銹鋼—Cl離子溶液、低合金高強度鋼潮濕大氣中。

應(yīng)力來源:機件所承受的應(yīng)力包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力。工作狀態(tài)下構(gòu)件所承受的外加載荷形成的抗力;加工,制造,熱處理引起的內(nèi)應(yīng)力;裝配,安裝形成的內(nèi)應(yīng)力;溫差引起的熱應(yīng)力;裂紋內(nèi)因腐蝕產(chǎn)物的體積效應(yīng)造成的楔入作用也能產(chǎn)生裂紋擴展所需要的應(yīng)力。

不同合金腐蝕介質(zhì)表


 

應(yīng)力腐蝕特征:典型的滯后破壞;裂紋分為晶間型、穿晶型和混合型;裂紋擴散速度比均勻腐蝕快約106倍;低應(yīng)力的脆性斷裂

滯后破壞

孕育期:裂紋萌生階段,即裂紋源成核所需時間,約占整個時間的90%左右;
 

裂紋擴展期:裂紋成核臨界尺寸;

快速斷裂期:裂紋達到臨界尺寸后,由純力學(xué)作用裂紋失穩(wěn)瞬間斷裂。

 

整個斷裂時間與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)(短則幾分鐘,長可達若干年,應(yīng)力降低,斷裂時間延長。

臨界應(yīng)力σth臨界應(yīng)力強度因子KISCC),在此臨界值以下,不發(fā)生SCC。

裂紋形態(tài)

SCC裂紋分為三種:晶間型、穿晶型、混合型。晶間型:裂紋沿晶界擴展,如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金;穿晶型:裂紋穿越晶粒擴展,如奧氏體不銹鋼、鎂合金;混合型:鈦合金。

 

裂紋的途徑取決于材料與介質(zhì)。同一材料因介質(zhì)變化,裂紋途徑也可能改變。

應(yīng)力腐蝕裂紋的主要特點是:裂紋起源于表面;裂紋的長寬不成比例,相差幾個數(shù)量級;裂紋擴展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向;裂紋一般呈樹枝狀。

裂紋擴展方向與應(yīng)力方向(垂直)

 

裂紋擴展速度

應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率的特點:擴展速度較快;10-6~10-3mm/min;比均勻腐蝕快約106倍;僅為純機械斷裂速度的10-10。

 

應(yīng)力腐蝕裂紋的da/dt-K1

當(dāng)裂紋尖端的KIKISCC時,裂紋就會不斷擴展。單位時間內(nèi)裂紋的擴展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴展速率,用da/dt表示。裂紋的擴展速率da/dt隨著應(yīng)力強度因子K1而變化。

I區(qū):當(dāng)K1稍大于K1SCC時,裂紋經(jīng)過一段孕育突然加速發(fā)展,即在I區(qū)內(nèi),裂紋生長速率對K1較敏感;

II區(qū):da/dtK1無關(guān),通常說的裂紋擴展速率就是指該區(qū)速率,因為它主要由電化學(xué)過程控制,較強烈地依賴于溶液的pH值,粘度和溫度;

區(qū):失穩(wěn)斷裂區(qū),裂紋深度已接近臨界尺寸acr 當(dāng)超過這個值時,應(yīng)力強度因子達到K1c時,裂紋生長率迅速增加直至發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

低應(yīng)力的脆性斷裂

應(yīng)力腐蝕破壞的斷口,斷口表面顏色暗淡,腐蝕坑和二次裂紋;應(yīng)力腐蝕引起的斷裂可以是穿晶斷裂,也可以是沿晶斷裂。如果是穿晶斷裂,其斷口是解理或準(zhǔn)解理的,其裂紋有似人字形或羽毛狀的標(biāo)記。

沿晶斷裂圖

穿晶斷裂圖

 

5.3 應(yīng)力腐蝕影響因素

應(yīng)力腐蝕影響因素——環(huán)境、電化學(xué)、力學(xué)、冶金。

 

應(yīng)力腐蝕影響因素示意圖

5.4 應(yīng)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,盡量避免使用對SCC敏感的材料;

消除應(yīng)力

改進結(jié)構(gòu)設(shè)計,減小應(yīng)力集中和避免腐蝕介質(zhì)的積存;

在部件的加工、制造和裝配過程中盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力;

可通過熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應(yīng)力;

涂層

使用有機涂層可將材料表面與環(huán)境分開;

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;

在腐蝕介質(zhì)中加入緩蝕劑;

通過改變電位、促進成膜、阻止氫或有害物質(zhì)的吸附等,影響電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)而起到緩蝕作用,改變環(huán)境的敏感;

性質(zhì);

電化學(xué)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,通過電化學(xué)保護使金屬離開SCC敏感區(qū),從而抑制SCC

來源:材易通