05

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(shí)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(yàn)方法。

 

5.1 概述

應(yīng)力腐蝕是指材料、機(jī)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(jī)失事，油罐爆炸，管道泄漏都造成了巨大的生命和財(cái)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(huì)發(fā)生SCC，含雜質(zhì)的或者合金才能發(fā)生SCC；高強(qiáng)度合金鋼腐蝕開(kāi)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(duì)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(qiáng)度鋼—潮濕大氣中。

應(yīng)力來(lái)源：機(jī)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(kuò)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(kuò)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(shí)間，約占整個(gè)時(shí)間的90％左右；
 

裂紋擴(kuò)展期：裂紋成核→臨界尺寸；

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

 

整個(gè)斷裂時(shí)間與材料、介質(zhì)、應(yīng)力有關(guān)（短則幾分鐘，長(zhǎng)可達(dá)若干年，應(yīng)力降低，斷裂時(shí)間延長(zhǎng)。

臨界應(yīng)力σ_th（臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K_ISCC），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(kuò)展，如軟鋼、鋁合金、銅合金、鎳合金；穿晶型：裂紋穿越晶粒擴(kuò)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(diǎn)是：裂紋起源于表面；裂紋的長(zhǎng)寬不成比例，相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)；裂紋擴(kuò)展方向一般垂直于主拉伸應(yīng)力的方向；裂紋一般呈樹(shù)枝狀。

裂紋擴(kuò)展方向與應(yīng)力方向（垂直）

 

裂紋擴(kuò)展速度

應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率的特點(diǎn)：擴(kuò)展速度較快；10^-6~10^-3mm/min；比均勻腐蝕快約10⁶倍；僅為純機(jī)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K_I＞K_ISCC時(shí)，裂紋就會(huì)不斷擴(kuò)展。單位時(shí)間內(nèi)裂紋的擴(kuò)展量叫做應(yīng)力腐蝕裂紋擴(kuò)展速率，用da/dt表示。裂紋的擴(kuò)展速率da/dt隨著應(yīng)力強(qiáng)度因子K₁而變化。

I區(qū)：當(dāng)K₁稍大于K_1SCC時(shí)，裂紋經(jīng)過(guò)一段孕育突然加速發(fā)展，即在I區(qū)內(nèi)，裂紋生長(zhǎng)速率對(duì)K₁較敏感；

II區(qū)：da/dt與K₁無(wú)關(guān)，通常說(shuō)的裂紋擴(kuò)展速率就是指該區(qū)速率，因?yàn)樗饕呻娀瘜W(xué)過(guò)程控制，較強(qiáng)烈地依賴于溶液的pH值，粘度和溫度；

Ⅲ區(qū)：失穩(wěn)斷裂區(qū)，裂紋深度已接近臨界尺寸a_cr , 當(dāng)超過(guò)這個(gè)值時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到K_1c時(shí)，裂紋生長(zhǎng)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(duì)SCC敏感的材料；
消除應(yīng)力	改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(guò)程中盡量避免產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力； 可通過(guò)熱處理、表面噴丸等方法消除殘余應(yīng)力；
涂層	使用有機(jī)涂層可將材料表面與環(huán)境分開(kāi)； 使用對(duì)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(guò)改變電位、促進(jìn)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(dòng)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(hù)	金屬發(fā)生SCC與電位有關(guān)。有些體系存在一個(gè)臨界斷裂電位值，通過(guò)電化學(xué)保護(hù)使金屬離開(kāi)SCC敏感區(qū)，從而抑制SCC

來(lái)源：材易通