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Mechanical Property of Materials

材料力学性能. Mechanical Property of Materials. Prof ： Li Min Tel ： 86057927 ( 2#333 ) 13863933539 E-Mail ： kd_limin@126.com. Department of Material Science and Engineering. Mechanical Property of Materials. Chapter Ⅵ. Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement.

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  1. 材料力学性能 Mechanical Property of Materials Prof： Li Min Tel： 86057927 ( 2#333 ) 13863933539 E-Mail：kd_limin@126.com Department of Material Science and Engineering Mechanical Property of Materials

  2. Chapter Ⅵ Stress Corrosion Cracking and Hydrogen Embrittlement 应力腐蚀 ( SCC ) 氢脆 ( HE ) Chapter Ⅵ

  3. 1967年，美国连接西弗吉尼亚州和俄亥俄州的俄亥俄桥倒塌，造成过桥的31辆车落入河中，46人死亡。1967年，美国连接西弗吉尼亚州和俄亥俄州的俄亥俄桥倒塌，造成过桥的31辆车落入河中，46人死亡。 • 1985年，日本一架波音747客机由于发生应力腐蚀破裂而坠毁，一次死亡500多人。 • 英国内普罗石油化工公司环己烷氧化装置的旁通管发生硝酸盐应力腐蚀破裂，引起环己烷蒸汽管爆炸，死28人，损失达1亿美元。 Chapter Ⅵ

  4. 应力腐蚀 一、应力腐蚀及其产生条件1、定义与特点（1）定义 金属在拉应力和特定的介质共同作用下，经过一段时间后，所产生的低应力脆断现象。 （2）特点拉应力，特定介质，时间，脆断。 低碳钢、低合金钢——碱脆、硝脆； 不锈钢——氯脆； 铜合金——氨脆。 Chapter Ⅵ

  5. 金属或合金 腐 蚀 介 质 软钢 碳钢和低合金钢 奥氏体不锈钢 铜和铜合金 镍和镍合金 蒙乃尔合金 铝合金 铅 镁 NaOH,硝酸盐溶液,(硅酸纳+硝酸钙)溶液 42%Mgcl2溶液,HCN 氯化物溶液,高温高压蒸馏水 氨蒸气,汞盐溶液,含SO2大气 NaOH水溶液 HF酸,氟硅酸溶液 熔融Nacl,Nacl水溶液,海水,水蒸气,含SO2大气 Pb(AC)2溶液 海洋大气,蒸馏水,Kcl-K2CrO4溶液 2、产生条件应力：外应力、残余应力化学介质：一定材料对应一定的化学介质 金属材料：化学成分 Chapter Ⅵ

  6. 二、应力腐蚀开裂机理及断口形貌特征 1、机理 滑移——溶解理论（钝化膜破坏理论） a）应力作用下，滑移台阶露头 且钝化膜破裂（在表面或裂纹面） b）电化学腐蚀（有钝化膜的金 属为阴极，新鲜金属为阳极）； c）应力集中，使阳极电极电位 降低，加大腐蚀； d）若应力集中始终存在，则微 电池反应不断进行，钝化膜不能恢 复。则裂纹逐步向纵深扩展。 Chapter Ⅵ

  7. 静态金属阳极区（稳定阳极） 阴极C • 应力腐蚀破裂可以看成是电化学腐蚀和应力的机械破坏互相促进的结果。 A A* 溶液 迅速 屈服 屈服金属阳极区 （动力阳极） A 阴极C 1/2O2+H2O+2e 2OH- A区（裂纹两侧）: 电流密度 ~ 10-5A/cm2 A*区（裂纹尖端）: 电流密度 ~ 0.5A/cm2 奥氏体不锈钢应力腐蚀破裂模型图

  8. 2、断口特征 宏观：有亚稳扩展 区，最后瞬断区（与疲 劳裂纹相似）；断口呈 黑色或灰色。 微观：显微裂纹呈枯 树枝状；腐蚀坑；沿晶 断裂和穿晶断裂。 Chapter Ⅵ

  9. Chapter Ⅵ

  10. 三、力学性能指标 通常用光滑试样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。 用常规方法测定的 σ～tf曲线，得到的σSCC不能客观地反映材料的应力腐蚀抗力。 Chapter Ⅵ

  11. 1、临界应力场强度因子KISCC 恒定载荷，特定介质，测KI-tf曲线。 将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。 当裂纹前端的应力场强度因子KI大于材料的KISCC时，材料就可能产生应力腐蚀开裂而导致破坏，其开裂判据为： Chapter Ⅵ

  12. Chapter Ⅵ

  13. 2、裂纹扩展速度da/dt 当裂纹尖端的KI> KISCC时，裂纹就会随时间而长大。单位时间内裂纹的扩展量叫做应力腐蚀裂纹扩展速率，用da/dt表示，实验证明，da/dt和裂纹前端的应力场强度因子有关。即 Chapter Ⅵ

  14. lg（da/dt）~ KI曲线上的三个阶段 （初始、稳定、失稳），可以估 算机件的剩余寿命。 第Ⅰ阶段，当: KI>KIscc时，裂纹经过一段孕育期后突然加速扩展， da/dt与KI的关系曲线几乎与纵坐标轴平行。 第Ⅱ阶段，曲线出现水平段， da/dt与KI几乎无关，因为这一阶段裂纹尖端变钝，裂纹扩展主要受电化学过程控制。 第Ⅲ阶段，裂纹长度已接近临界尺寸， da/dt又明显地依赖KI， da/dt随KI而增加而增大，这是材料走向快速扩展的过渡区，当KI达到K1c时，便发生失稳扩展，材料断裂。 Chapter Ⅵ

  15. 四、防止应力腐蚀的措施 1、合理选材:避免构成应力腐蚀体系，减轻应力腐蚀的 敏感性。 2、减少拉应力:合理设计、改进制造工艺，尽量减小应力集中效应。 3、改善化学介质:消除或减少介质中促进应力腐蚀的有害物质，加入适当的缓蚀剂。 4、采用电化学保护:外加电流极化，使金属的电位远离应力腐蚀敏感区。 Chapter Ⅵ

  16. 列 管 列 管 [原结构] [环形结构] [U型结构] 通蒸汽温度升高后，列 管受热膨胀，使列管与 塔壁焊接处，管与法兰 焊接处发生腐蚀裂纹。 列管改为环形，受热后可以膨胀，减少了腐蚀破裂，但加工困难。 列管增加U型膨胀节，受热后可以膨胀。 消除热膨胀产生的应力 （触媒干燥塔结构改进） 尖角 圆角 避免应力集中 Chapter Ⅵ

  17.  氢脆 由于氢和应力的共同作用，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）。 一、氢在金属中存在的形式内含的（冶炼和加工中带入的氢）； 外来的（工作中，吸H）。 间隙原子状 固溶在金属中； 分子状 气泡中； 化合物（氢化物）。 Chapter Ⅵ

  18. 二、氢脆类型及其特征 1、氢蚀（或称气蚀） 高压气泡（H2，CH4） 宏观断口：呈氧化色，颗粒状（沿晶）； 微观断口：晶界明显加宽，沿晶断裂。 2、白点（发裂） 氢的溶解度↓，形成气泡体积↑，将金属的局部胀裂。 宏观：断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色。甚至有白线。 Chapter Ⅵ

  19. 3、氢化物 形成氢化物（凝固、热加工时形成；或应力作用下，元素扩散而形成）。 氢化物很硬、脆，与基体结合不牢。 裂纹沿界面扩展。 4、氢致延滞断裂 由于氢的作用而产生的延滞断裂现象。 条件：一定温度范围；慢速加载（恒载） Chapter Ⅵ

  20. 三、钢的氢致延滞断裂机理 三个阶段：孕育，亚稳扩展，失稳扩展。1）孕育期 氢原子数量↑；扩散，偏聚。 氢固溶，在位错线周围偏聚，形成气团；位错运动受 阻，产生应力集中，萌生裂纹。2）温度的影响t<tH氢扩散率很慢，不形成氢脆；t=tH最敏感； t>tH氢气团扩散，无氢脆。3）应力状况 应变速率高，不会出现氢脆。拉应力促进H溶解。 高强钢的氢致延滞裂还具有可逆性。 Chapter Ⅵ

  21. 四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系“相互促进”； 阳极溶解、金属开裂； 阴极吸氢，延滞断裂。 五、防止氢脆的措施1）材料 降低含碳量，细化组织；2）环境 减少吸氢的可能性；3）力学因素 减小残余应力。 Chapter Ⅵ

  22. Thank you ! Chapter Ⅵ

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