材料在環(huán)境介質(zhì)作用下的斷裂(編輯修改稿)
2025-08-18 15:31 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 收縮率則影響較大。關(guān)于HE和SCC的異同列于表92中 表92 氫脆與應(yīng)力腐蝕的相互比較氫脆應(yīng)力腐蝕1．裂紋從內(nèi)部開(kāi)始，斷口較平整裂紋從表面開(kāi)始，斷口不平整2．裂紋幾乎不分叉，有二次裂紋裂紋分叉，有較多二次裂紋3．萌生裂紋處無(wú)腐蝕產(chǎn)物萌生處有腐蝕產(chǎn)物4．裂紋源可能是一個(gè)或多個(gè)。多在三向應(yīng)力區(qū)萌生裂紋源裂紋源可能是一個(gè)或多個(gè)。不一定在應(yīng)力集中處萌生裂紋源5．對(duì)軋向敏感，沿軋向開(kāi)裂與軋向無(wú)關(guān)6．?dāng)嗫诙酁檠鼐?，也可出現(xiàn)穿晶解理或準(zhǔn)解理斷裂一般為沿晶，也有穿晶解理斷裂7．裂紋走向與正應(yīng)力垂直裂紋走向與正應(yīng)力垂直8．內(nèi)部氫脆不一定要有拉應(yīng)力作用必定要有拉伸應(yīng)力作用9．合金和純金屬均可發(fā)生氫脆只有合金才易發(fā)生，純金屬不敏感10．只要有含氫的或能產(chǎn)生氫的環(huán)境或介質(zhì)一種合金只對(duì)幾種特定介質(zhì)敏感，而濃度與數(shù)量不一定很大11．只要含氫，無(wú)應(yīng)力也發(fā)生無(wú)應(yīng)力時(shí)，合金對(duì)腐蝕環(huán)境可能是惰性的12．對(duì)組織敏感，高強(qiáng)度鋼愈愈易發(fā)生氫脆對(duì)組織敏感，高強(qiáng)度鋼斷裂抗力下降明顯13．由陰極吸氫造成晶格弱化由陽(yáng)極反應(yīng)造成腐蝕14．陰極保護(hù)反促進(jìn)吸氫采用陰極保護(hù)可減輕腐蝕2． 氫脆斷裂機(jī)理目前存在的氫脆斷裂機(jī)理很多，下面簡(jiǎn)要予以回顧。（1） 氫的擴(kuò)散機(jī)理該理論認(rèn)為，如果裂紋尖端處于陽(yáng)極區(qū)，則由于陽(yáng)極反應(yīng)的結(jié)果，使介質(zhì)中的氫離子獲得電子還原成氫原子，氫原子一部分合成氫分子逸出，一部分原子氫要向金屬基體的內(nèi)部擴(kuò)散，氫一旦在基體內(nèi)產(chǎn)生高濃度的聚集現(xiàn)象，便使得該區(qū)域的金屬脆化。（2） 內(nèi)壓理論氫脆的內(nèi)壓理論首先是由C．扎普夫（C C．Zapffe）在1947年提出來(lái)的。他認(rèn)為在裂紋或缺口尖端的三向應(yīng)力區(qū)內(nèi)，形成了很多微孔核心，氫原子在應(yīng)力作用下向這些核心擴(kuò)散，并且結(jié)合成氫分子，由于微孔核心很小，只要有很少的氫氣就可產(chǎn)生相當(dāng)大的壓力。這種內(nèi)壓力大到足以通過(guò)塑性變形或解理斷裂使裂紋長(zhǎng)大或使微孔長(zhǎng)大，連接，最后引起材料過(guò)早斷裂。該理論能較好的解釋魚(yú)眼型白點(diǎn)的形成機(jī)理。（3） 吸附理論氫的吸附理論是1952年N．T．佩奇（N．T．Petch）和P ．斯特布爾斯（P ．Stabls）提出的。該理論認(rèn)為活性氫原子吸附在裂紋尖端降低了表面能，減少了形成裂紋所需做的功，因此激發(fā)了裂紋的形成和擴(kuò)展。（4） 位錯(cuò)輸送理論該理論最早是由T．R．巴斯辛（T．R．Bastion）和F．C．阿澤（F．C．Azou）在1951年提出的。該理論認(rèn)為氫脆是氫原子和位錯(cuò)交互作用的結(jié)果。固溶體中的氫存在于晶格間隙位置，氫原子傾向于聚集在刃位錯(cuò)下方，形成cottrell氣團(tuán)。顯然，在位錯(cuò)密度較高的區(qū)域，其氫的濃度也較高。當(dāng)裂紋體受力后，裂紋尖端既有三向拉應(yīng)力存在，又有很高的位錯(cuò)密度，這都促使氫原子在裂紋尖端富集。由于氫原子釘扎住位錯(cuò)，使位錯(cuò)不易運(yùn)動(dòng)，塑性變形困難，引起材料的局部硬化。此位錯(cuò)理論成功的解釋了氫脆只發(fā)生在一定的溫度范圍和慢的形變速率情況以及高強(qiáng)度鋼產(chǎn)生的氫脆裂紋的擴(kuò)展是跳躍式前進(jìn)的。（5） 晶格弱化理論此理論是1960年A．R．特羅亞諾（A．R．Troiano）提出的。其要點(diǎn)是認(rèn)為高濃度的固溶氫原子，可以降低晶界上或相界上金屬晶體的原子間結(jié)合力，而局部地區(qū)的拉應(yīng)力又促使氫原子偏聚，因此當(dāng)局部拉應(yīng)力等于已被氫弱化了的原子間結(jié)合力時(shí)，原子間的鍵合就發(fā)生破壞，材料便產(chǎn)生脆性斷裂。該理論解釋高強(qiáng)度鋼脆性較為合理。（6） 氫化物或富氫相析出理論D．G．韋斯特來(lái)爾（D．G．Westlake）等在1969年提出了此理論，即氫原子和某些合金元素容易形成脆性相的氫化物，與塑性較好的基體在形變過(guò)程中不相容，氫化物與基體的界面上易產(chǎn)生裂紋。（7） 氫促進(jìn)塑變理論這個(gè)理論是C．D．比奇姆（C．D．Beachem）在1972年提出的。他認(rèn)為，偏聚的氫幫助了鐵的塑變，局部化的塑變完成了斷裂前所需的變形準(zhǔn)備，使斷裂在較低的宏觀塑變下發(fā)生。綜述各種氫脆斷裂機(jī)理，一般認(rèn)為，溶解在鋼中的氫通常以原子狀態(tài)存在，但為了降低能量，總愿意與雜質(zhì)原子、位錯(cuò)、空位、晶界及滑移帶等相互作用，并力圖結(jié)合成氫分子。氫的這一行為，對(duì)鋼的氫脆破壞有重要的影響。3． 氫脆類型及氫脆斷口特征由于氫在金屬中所處狀態(tài)不同及由此導(dǎo)致的脆化機(jī)理不同，氫脆的類型也很多，下面我們主要介紹幾種常見(jiàn)的氫脆類型及其斷口特征。（1） 白點(diǎn)（發(fā)裂）或氫鼓泡當(dāng)鋼中含有過(guò)量的氫時(shí)，氫在鋼中的溶解度隨溫度的降低而減小。若過(guò)飽和的氫未能擴(kuò)散逸出，便聚集在某些缺陷處而形成氫分子，并產(chǎn)生高壓使金屬局部撕裂，而形成微裂紋。內(nèi)部氫脆斷口往往出現(xiàn)“白點(diǎn)”（圖77），白點(diǎn)有兩種類型：一種是在鋼件中觀察到縱向發(fā)裂，在其斷口上出現(xiàn)白點(diǎn)。這類白點(diǎn)呈圓形或橢圓形，而且輪廓分明，表面光亮呈銀白色，故又叫“雪斑”或發(fā)裂白點(diǎn)，如果發(fā)裂前低溫長(zhǎng)時(shí)間保溫，則可消除這類白點(diǎn)。另一類白點(diǎn)呈魚(yú)眼型，它往往是某些以材料內(nèi)部的宏觀缺陷如氣孔，夾渣等為核心的銀白色斑點(diǎn)，其形狀也為圓形或橢圓形。圓白點(diǎn)的大小往往同核心的大小有關(guān)，核心愈大，白點(diǎn)也愈大，白點(diǎn)區(qū)齊平而略為下凹（圖b）。產(chǎn)生魚(yú)眼白點(diǎn)，除與氫或缺陷因素有關(guān)外，還需具有一定條件，即一定的塑變量和變形速度。若經(jīng)去氫處理或消除魚(yú)眼核心（缺陷），則白點(diǎn)不出現(xiàn)
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