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材料在环境条件下的力学性能

前几节主要介绍材料在外力作用下所表现的力学行为规律，实际工程结构或零件，都是在一定环境或介质下工作，材料在环境介质中的力学行为是介质和应力共同作用的结果。本节主要介绍应力腐蚀的试验方法。

 

5.1 概述

应力腐蚀是指材料、机械零件或构件在静应力（主要是拉应力）和腐蚀的共同作用下产生的失效现象。应力腐蚀是危害最大的腐蚀形态之一。

 

应力腐蚀断裂（stress corrosion cracking, SCC） 是一种“灾难性的腐蚀”，如桥梁坍塌，飞机失事，油罐爆炸，管道泄漏都造成了巨大的生命和财产损失。

 

5.2 应力腐蚀条件和特征

应力腐蚀产生的条件：敏感的金属材料、特定的腐蚀介质、足够大的应力。

敏感材料：一般情况纯金属不会发生SCC，含杂质的或者合金才能发生SCC；高强度合金钢腐蚀开裂抗力受化学成分和显微组织控制；

特定介质：特定组织环境（包括腐蚀介质性质、浓度、温度），特定材料对于特定的溶液介质，才能发生应力腐蚀。 例如，奥氏体不锈钢—Cl离子溶液、低合金高强度钢—潮湿大气中。

应力来源：机件所承受的应力包括工作应力和残余应力。工作状态下构件所承受的外加载荷形成的抗力；加工，制造，热处理引起的内应力；装配，安装形成的内应力；温差引起的热应力；裂纹内因腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用也能产生裂纹扩展所需要的应力。

不同合金腐蚀介质表

 

应力腐蚀特征：典型的滞后破坏；裂纹分为晶间型、穿晶型和混合型；裂纹扩散速度比均匀腐蚀快约10⁶倍；低应力的脆性断裂。

滞后破坏

孕育期：裂纹萌生阶段，即裂纹源成核所需时间，约占整个时间的90％左右；
 

裂纹扩展期：裂纹成核→临界尺寸；

快速断裂期：裂纹达到临界尺寸后，由纯力学作用裂纹失稳瞬间断裂。

 

整个断裂时间与材料、介质、应力有关（短则几分钟，长可达若干年，应力降低，断裂时间延长。

临界应力σ_th（临界应力强度因子K_ISCC），在此临界值以下，不发生SCC。

裂纹形态

SCC裂纹分为三种：晶间型、穿晶型、混合型。晶间型：裂纹沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金；穿晶型：裂纹穿越晶粒扩展，如奥氏体不锈钢、镁合金；混合型：钛合金。

 

裂纹的途径取决于材料与介质。同一材料因介质变化，裂纹途径也可能改变。

应力腐蚀裂纹的主要特点是：裂纹起源于表面；裂纹的长宽不成比例，相差几个数量级；裂纹扩展方向一般垂直于主拉伸应力的方向；裂纹一般呈树枝状。

裂纹扩展方向与应力方向（垂直）

 

裂纹扩展速度

应力腐蚀裂纹扩展速率的特点：扩展速度较快；10^-6~10^-3mm/min；比均匀腐蚀快约10⁶倍；仅为纯机械断裂速度的10^-10。

 

应力腐蚀裂纹的da/dt-K₁

当裂纹尖端的K_I＞K_ISCC时，裂纹就会不断扩展。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。裂纹的扩展速率da/dt随着应力强度因子K₁而变化。

I区：当K₁稍大于K_1SCC时，裂纹经过一段孕育突然加速发展，即在I区内，裂纹生长速率对K₁较敏感；

II区：da/dt与K₁无关，通常说的裂纹扩展速率就是指该区速率，因为它主要由电化学过程控制，较强烈地依赖于溶液的pH值，粘度和温度；

Ⅲ区：失稳断裂区，裂纹深度已接近临界尺寸a_cr , 当超过这个值时，应力强度因子达到K_1c时，裂纹生长率迅速增加直至发生失稳断裂。

低应力的脆性断裂

应力腐蚀破坏的断口，断口表面颜色暗淡，腐蚀坑和二次裂纹；应力腐蚀引起的断裂可以是穿晶断裂，也可以是沿晶断裂。如果是穿晶断裂，其断口是解理或准解理的，其裂纹有似人字形或羽毛状的标记。

沿晶断裂图

穿晶断裂图

 

5.3 应力腐蚀影响因素

应力腐蚀影响因素——环境、电化学、力学、冶金。

 

应力腐蚀影响因素示意图

5.4 应力腐蚀防治措施

 

方面	措施
选材	根据材料的具体使用环境，尽量避免使用对SCC敏感的材料；
消除应力	改进结构设计，减小应力集中和避免腐蚀介质的积存； 在部件的加工、制造和装配过程中尽量避免产生较大的残余应力； 可通过热处理、表面喷丸等方法消除残余应力；
涂层	使用有机涂层可将材料表面与环境分开； 使用对环境不敏感的金属作为敏感材料的镀层；
改善介质环境	控制或降低有害的成分； 在腐蚀介质中加入缓蚀剂； 通过改变电位、促进成膜、阻止氢或有害物质的吸附等，影响电化学反应动力学而起到缓蚀作用，改变环境的敏感； 性质；
电化学保护	金属发生SCC与电位有关。有些体系存在一个临界断裂电位值，通过电化学保护使金属离开SCC敏感区，从而抑制SCC

来源：材易通