1、第六章第六章 環境介質作用下環境介質作用下的金屬力學性能的金屬力學性能延滯斷裂延滯斷裂( (低應力低應力脆斷脆斷) )特定特定外界條件下外界條件下: : 低于低于材料材料屈服強度屈服強度 服役服役一定時間一定時間后后 突然突然脆脆斷斷1 應力腐蝕斷裂應力腐蝕斷裂（靜疲勞）（靜疲勞）一一 . . 現象及其特征現象及其特征 拉應力（力（靜靜應力）應力） + + 腐蝕介質腐蝕介質 聯合聯合作用低應力脆斷材料的屈服強度屈服強度 脆斷脆斷，無無明顯塑變明顯塑變特定特定的合金成分的合金成分+ +特定特定的介質的介質一、特點一、特點腐蝕介質（很腐蝕介質（很弱弱）：材料）：材料腐蝕很慢（腐蝕很慢（無應力時無應

2、力時）uSCCSCC（ S Stress tress C Corrosion orrosion C Crackingracking）* *合金產生應力腐蝕，須：合金產生應力腐蝕，須：應力應力+ +特定特定腐蝕介質腐蝕介質二 、應力腐蝕斷口特征 陰極陰極陽極A A應力腐蝕斷裂機理應力腐蝕斷裂機理附加應力（保護膜增厚） +外加應力（）膜裂致陽極溶解 +塑性鈍化膜裂膜裂裂紋裂紋擴展擴展B應力腐蝕裂紋應力腐蝕裂紋應力腐蝕裂紋應力腐蝕裂紋2020鋼的應力腐蝕斷口鋼的應力腐蝕斷口2020鋼斷口腐蝕產物鋼斷口腐蝕產物發生應力腐蝕奧氏發生應力腐蝕奧氏體不銹鋼管道內壁體不銹鋼管道內壁應力腐蝕應力腐蝕斷口，則：斷

3、口，則：裂紋裂紋形成形成+裂紋裂紋擴展擴展 形成形成約約占占全部時間全部時間90%90% 擴展擴展僅占僅占10%10%左右左右A A、裂紋裂紋形成形成決定決定壽命壽命B B、可以是沿晶斷裂沿晶斷裂，也可以是穿晶斷裂穿晶斷裂。 C C、裂紋擴展：裂紋擴展：1010-9-9-10-10-6-6m/sm/s，似疲勞似疲勞：亞臨界擴展亞臨界擴展-臨界尺臨界尺寸寸-突然斷裂突然斷裂宏觀形貌宏觀形貌脆性斷裂脆性斷裂，時有少量塑性撕裂痕跡裂紋源可有幾個：u垂直主應力面裂紋源引起斷裂裂紋源裂紋源（多個多個）源源源源裂紋源、亞穩擴展區-u黑色或灰黑色源源亞臨界擴展亞臨界擴展失穩擴展區斷口失穩擴展區斷口- -u常

4、有常有放射花樣（放射花樣（羽毛羽毛狀）狀）或似或似“人人”字紋字紋, , u光亮色光亮色典型的應力腐蝕照片典型的應力腐蝕照片 失穩擴展失穩擴展失穩失穩擴展擴展應力腐蝕抗力指標及測試方法應力腐蝕抗力指標及測試方法 早期，特定介質中、于不同應力下，測定試樣滯后破壞時間。采用光滑光滑試樣u得到得到不足之處： 因數據分散，有時可能得出錯誤的結論 不能正確得出裂紋擴展速率的變化規律 費時，且不能用于工程設計 斷裂力學斷裂力學在應力腐蝕中的應用在應力腐蝕中的應用+ +斷裂力學K1應力腐蝕斷裂應力腐蝕斷裂是一種與時間有關的延滯斷裂延滯斷裂K1應力腐蝕臨界應力場強度因子應力腐蝕臨界應力場強度因子材料不因應力腐

5、蝕而斷裂 （即材料有無限壽命無限壽命）的K1 K KISCCISCCK KISCCISCC的概念的概念開裂判據裂紋前端的應力場強度因子KI大大于于材料的K KISCCISCCIsccKK 1aYKIscc裂紋擴展速率裂紋擴展速率（ da/dt ）描述應力腐蝕裂紋的亞臨界亞臨界擴展擴展應力腐蝕裂紋擴展速率先決條件：當裂紋前端的KI KISCC時-應力腐蝕裂紋擴應力腐蝕裂紋擴展速率展速率da/dt，和KI有關1Kfdtdalg(da/dt)- K1da/dt)- K1 曲線段，段，K KI IKKIsccIscc，平平行縱坐標軸行縱坐標軸段段 ，裂尖，裂尖鈍鈍，主要受主要受電化學過程控電化學過程控

6、制制段，段，da/dt da/dt 隨隨K KI I而而。達達K K1c 1c，失穩擴失穩擴展斷裂展斷裂 ( ()時間越長，時間越長，材料抗材料抗SCCSCC性能越性能越好好 一種測定K1SCC的方法 載荷恒定，使K K1 1不斷增大不斷增大的方法， 最常用：恒載恒載荷荷的懸臂梁彎曲懸臂梁彎曲試驗裝置 裂紋裂紋另一種測定K1SCC的方法 位移恒定，K1不斷, 用緊湊拉伸試樣拉伸試樣和螺栓加載螺栓加載 影響應力腐蝕的因素影響應力腐蝕的因素 1.1.環境因素環境因素 尤其是尤其是溶液溶液PHPH值值 2. 2.力學因素力學因素 A,A,軋制軋制高強度高強度鋁合金鋁合金7075-T67075-T6板

7、材板材 軋制方向（軋制方向（縱向縱向） 長橫向長橫向 短橫向短橫向（沿厚度方向沿厚度方向）強度差別強度差別：，,縱向max，厚度minB,不同強度40CrNiMo(4340)3.3.冶金因素冶金因素 成份成份 組織組織 強度強度預防機件應力腐蝕斷裂的措施預防機件應力腐蝕斷裂的措施減少減少或或消除消除零件中的零件中的殘余應力殘余應力改善改善介質條件介質條件選用選用合適合適的合金材的合金材料料采用采用電化學保護電化學保護u視視具體具體的的材料材料- -介質介質而而定定 2 2 氫氫 脆脆（一）氫脆來源和特點 含氫氣氛的作用而引起的斷裂氫脆可分成兩大類：第一類為內部氫脆內部氫脆:在材料制造（如：熔煉

8、）和隨后加工過程吸收了過量的氫氣第二類為環境氫脆環境氫脆，在應力和含氫介質聯合作用引起脆性斷裂，如:貯氫的壓力容器中出現的高壓氫脆（二）氫脆斷口特征（二）氫脆斷口特征內部氫脆斷口往往出現“白點”氫在缺陷處以氫在缺陷處以分子分子態態析出，析出，產生高產生高內壓內壓，形成，形成微裂紋微裂紋，其其內壁內壁為為白色白色，稱，稱白白點或點或發發裂。裂。縱向發裂，橫斷面多呈圓形或橢圓形白點表面光亮呈銀白色是一種內部微細裂紋另一種“白點”,呈魚眼型以材料內部的宏觀缺陷如氣孔、夾渣等為核心的銀白色斑點環境氫脆的特征環境氫脆的特征環境氫脆環境氫脆KthK K1 1降低到某一臨界值降低到某一臨界值K Kthth

9、材料材料不產生不產生斷裂，斷裂，K Kthth門檻門檻值值 , , K KHECHEC發生環境氫脆兩個關鍵因素H H擴散（擴散（+ +臨界濃度）臨界濃度）與位錯的與位錯的關系關系氫裂紋擴展階段階段-熱熱激活激活過程，決定于H的擴散速率環境氫脆發生在環境氫脆發生在一定的溫度范圍一定的溫度范圍，和和慢的慢的形變速率：形變速率：最敏感的溫度最敏感的溫度室溫室溫附近附近 形變速率形變速率高高位錯運動位錯運動快快 H H擴散擴散位錯運動位錯運動不不顯示脆性顯示脆性減少氫脆減少氫脆： 內部氫脆，嚴格內部氫脆，嚴格執行工藝規定執行工藝規定 環境氫脆，環境氫脆，高強高強度材料度材料 強度越高，強度越高， 對氫

10、脆越敏感對氫脆越敏感第七章磨損與接觸疲勞第七章磨損與接觸疲勞1 1前言前言機器運轉，相互接觸零件間因相對運動（或趨勢）而產生摩擦，而磨損正是由于摩擦產生的結果2 2 摩擦及磨損的概念摩擦及磨損的概念 摩擦摩擦 兩個相互接觸的物體或物體與介質之間在外力作用下，發生相對運動，或者具有相對運動的趨勢時，在接觸表面上所產生的阻礙作用稱為摩擦。 摩擦副：摩擦副：相互接觸的. 阻礙相對運動的阻力-摩擦力。 摩擦力的方向總是沿著接觸面的切線方向，跟物體相對運動方向相反，阻礙物體間的相對運動。l按照兩接觸面運動方式的不同，可以將摩擦分為：滑動摩擦：指的是一個物體在另一個物體上滑動時產生的摩擦。滾動摩擦：指的是

11、物體在力矩作用下，沿接觸表面滾動時的摩擦。 摩擦力與施加在摩擦面上的法向壓力之比稱為摩擦系數，以表示。NsmaxSFfFFNddFfF sf靜摩擦系數靜摩擦系數f動摩擦系數動摩擦系數摩擦力的方向與物體運動（或運動趨勢）的方向相反摩擦力的方向與物體運動（或運動趨勢）的方向相反 磨損，造成表層材料的損耗，零件尺寸變化，直接影響零件使用壽命 定義：p139 機件正常運行的磨損過程一般可分為三個階段： 跑合（磨合）階段 穩定磨損階段 劇烈磨損階段 磨損曲線P140 3 3磨損及磨損的類型磨損及磨損的類型 按按環境和介質環境和介質可分為：可分為： 流體磨損；流體磨損； 濕磨損；濕磨損； 干干 磨損磨損

12、按按表面接觸性質表面接觸性質可分為：可分為： 固體固體-流體磨損；流體磨損； 固體固體-固體固體磨損；磨損； 固體固體-磨料磨損磨料磨損 常用（磨損常用（磨損失效機制）失效機制）分類，六類：分類，六類：粘著磨損；粘著磨損；磨料磨損；磨料磨損；腐蝕磨損腐蝕磨損; ; 微動磨損；微動磨損；沖蝕磨損沖蝕磨損; ;表面疲勞磨損表面疲勞磨損( (接觸疲勞接觸疲勞) )四四磨損機制及影響因素磨損機制及影響因素 1 粘著磨損 又稱擦傷，咬合磨損。由于零件表面某些接觸點在高的局部壓力下發生粘合，在相互滑動時，粘著點又被剪切分開，接觸面上有金屬磨屑被拉拽出來，這種過程反復進行很多次，便導致了表面的損傷 2.磨料

13、磨損 指硬的磨粒或凸出物對零件表面的摩擦過程中，使材料表面發生磨耗的現象。 磨粒或凸出物-石英，砂土，礦石等非金屬磨料，也包括零件本身磨損產物隨潤滑油進入摩擦面而形成的磨粒。 3. 腐蝕磨損摩擦面和周圍介質發生化學或電化學反應，形成的腐蝕產物并在摩擦過程中被剝離出來而造成的磨損。實際上，可以認為，它是同時發生了兩個過程：腐蝕和機械磨損。4. 微動磨損兩接觸表面間小幅度的相對切向運動稱為微動（Fretting）。在壓緊的表面之間由于微動而發生的磨損稱為微動磨損。P151在一些機器的緊配合處，它們之間雖然沒有明顯的相對位移，但在外加循環載荷和振動的作用下，在配合面的某些局部地區將會發生微小的滑動

14、5 沖蝕磨損： 流體或固體顆粒以一定的速率和角度對材料表面進行沖擊所造成的磨損lD 1000 m，v 550m/s,其余稱外來損傷6.接觸疲勞也稱表面疲勞磨損，是指滾動軸承、齒輪等類零件，在表面接觸壓應力長期反復作用下所引起的一種表面疲勞現象。 接觸疲勞是工件(如齒輪、滾動軸承，鋼軌和輪箍，鑿巖機活塞和釬尾的打擊端部等)表面在接觸壓應力的長期不斷反復作用下引起的一種表面疲勞破壞現象接觸應力概念接觸應力概念 兩物體相互接觸，表面上產生兩物體相互接觸，表面上產生局部局部壓力壓力- -接觸應力接觸應力一般出現如下兩種情況：一般出現如下兩種情況： (1)兩接觸物體在加載前為線接觸(如圓柱與圓柱、圓柱與

15、平面接觸) (2)兩接觸物體在加載前為點接觸(如滾珠軸承)接觸疲勞類型和損傷過程接觸疲勞類型和損傷過程接觸疲勞破壞分為三種主要類型 ： 點蝕、 淺層剝落、 深層剝落 (1)點蝕 ：深度在0.1-0.2mm以下的小塊剝落。裂紋一般起源于表面。剝落坑呈針狀或痘狀。 （2)2)淺層剝落：淺層剝落： 其剝落深度一般為其剝落深度一般為0.2-0.2-0.4 mm0.4 mm (3)(3)深層剝落深層剝落 ：剝落坑較深：剝落坑較深( (0.4mm)0.4mm)、塊、塊大大。一般發生在表面強化的材料中，如滲。一般發生在表面強化的材料中，如滲碳鋼中。碳鋼中。影響接觸疲勞抗力的因素影響接觸疲勞抗力的因素(1)(

16、1)材料的冶金質量材料的冶金質量 夾雜大、分布不均，危害大夾雜大、分布不均，危害大馬氏體含碳量馬氏體含碳量 ：0.5%C0.5%C、隱針、隱針（晶）（晶）M M未溶碳化物的影響未溶碳化物的影響 ：細小：細小(2) 熱處理和組織狀態硬度硬度 ： HRC58-64 HRC58-64，硬度接近，硬度接近， 或者，滾動元件高出滾道或者，滾動元件高出滾道10%10%，最好，最好 在一定表層深度范圍內存在壓應力，可在一定表層深度范圍內存在壓應力，可提高提高 殘余殘余A A含量含量馬氏體針越粗大馬氏體針越粗大，則，則磨損類型磨損類型并非并非固定不變，固定不變，在不同的在不同的外部條件外部條件和和材料具有不同

17、特材料具有不同特性性情況下，損傷機制會發生轉化，由情況下，損傷機制會發生轉化，由一種損傷機制變成另一種損傷機制。一種損傷機制變成另一種損傷機制。五五耐磨性評價耐磨性評價 表示磨損量的方法，表示磨損量的方法，可用可用摩擦表面摩擦表面法向尺寸減少量法向尺寸減少量來表來表示示，稱為線，稱為線磨損量、磨損量、也可用也可用體積和重量法體積和重量法來表示，稱為來表示，稱為體積磨損量體積磨損量/ /重重量磨損量磨損量量由于由于磨損量磨損量是是摩擦行程摩擦行程或或時間時間的的函數函數，也用也用耐磨強度耐磨強度或或耐磨率耐磨率表示其磨損特性，表示其磨損特性，前者前者- -單位行程磨損量，單位為單位行程磨損量，單

18、位為m/mm/m或或mg/m;mg/m;后者后者- -單位時間的磨損量單位時間的磨損量, ,單位為單位為m/hrm/hr或或mg/hrmg/hr 還經常用還經常用磨損量的磨損量的倒數倒數和和相對耐磨性相對耐磨性（）表材料的耐磨性。表材料的耐磨性。=標準試樣磨損量標準試樣磨損量/ /被測試被測試樣磨損量樣磨損量六磨損試驗方法六磨損試驗方法p152p152 1) MMG-10型型高溫高速摩擦磨損試驗機磨損試驗機。 2)洛氏硬度計1臺。 3)分析天平(感量為110000)1臺 4)裝夾工具。 測定在相同磨損時間(30min)，不同壓力下的m-F關系曲線。 磨損試驗條件 壓力：50N、100N、200

19、N、400N 時間：均為30min 轉速：200rmin 介質，干摩擦第八章 金屬高溫機械性能溫度對應力溫度對應力- -應變曲線的影響應變曲線的影響-196-1962525400400古典力學古典力學：彈性、塑性與彈性、塑性與時間時間沒沒有關系有關系瞬時行為瞬時行為（instantaneouslyinstantaneously）2020# #鋼鋼抗拉強度為抗拉強度為353500MPa屈服強度為屈服強度為275MPa延伸率為延伸率為25%2020# #鋼，工作溫度鋼，工作溫度450450短時短時，b b：320320MPaMPa225MPa225MPa下，持續下，持續300h300h斷裂斷裂，穿

20、晶穿晶115MPa115MPa下，持續下，持續10000h10000h斷斷裂裂，沿晶，沿晶高溫高溫新新特性特性不斷不斷變形（應力恒定）變形（應力恒定）強度與時間有關強度與時間有關只要涉及只要涉及高溫高溫，就應注意：，就應注意：不能簡單采用室溫短時不能簡單采用室溫短時的應力的應力- -應變曲線應變曲線必須考慮必須考慮溫度溫度和和時間時間（也即（也即應變速率應變速率）的影）的影響響高溫力學性能：高溫力學性能：與時間（與時間（t t）相關性）相關性Time DependentTime Dependent 高壓蒸汽鍋爐高壓蒸汽鍋爐 汽（燃氣）輪機汽（燃氣）輪機 柴油機柴油機 化工煉油設備化工煉油設備

21、航空發動機航空發動機長期長期在在高溫高溫下運轉下運轉高溫下，材料通常：高溫下，材料通常：蠕變蠕變 Creep Creep應力松弛應力松弛 Stress RelaxationStress Relaxation？蠕變？蠕變CreepCreep：應力應力恒定恒定，材料在應力的材料在應力的持續持續作用下，作用下，不斷變形不斷變形的的現象現象 蠕變蠕變Creep：長時間長時間的恒溫恒溫、恒應力恒應力，小于屈服強度，緩慢緩慢產生塑性變形塑性變形蠕變。導致的斷裂蠕變斷裂CreepCreep造成造成強度：強度： 隨載荷隨載荷作用時間作用時間的的 、 產生產生一定變形速率一定變形速率( (或或變形量變形量) )

22、形變（及斷裂）抗力形變（及斷裂）抗力 TaWMoFeNi塑性：塑性：v應變速率應變速率v載荷作用時間載荷作用時間v塑性下降塑性下降而而 NiTaFeMoW高溫應力松馳：高溫應力松馳： 高溫高溫長時間長時間下緊固螺栓下緊固螺栓使用使用一段時間一段時間后后松弛松弛了：了： 預緊力逐漸預緊力逐漸？應力隨時間增加不斷下？應力隨時間增加不斷下降的現象叫做降的現象叫做應力松弛應力松弛。疲勞疲勞損傷損傷 高溫疲勞強度高溫疲勞強度蠕變時組織變化873K873K160MPa160MPa，971h971h100MPa100MPa，34141h34141h120M120MPaPa，12858h12858hT T對材

23、料性能影響對材料性能影響很大很大T T和和t t影響材料的斷影響材料的斷裂裂形式形式比較比較不同溫度下不同溫度下材料的力學行為的方法材料的力學行為的方法？約比溫度？約比溫度T/TT/Tm mT Tmm材料的熔點材料的熔點0.50.5，視為高溫，視為高溫，此時必須考慮此時必須考慮蠕變蠕變和和應力松弛應力松弛但，一般工程上但，一般工程上0.30.3就必須考慮就必須考慮蠕變蠕變金屬：金屬：T0.3-T0.3-0.4Tm ;0.4Tm ;陶瓷：陶瓷： T0.4- T0.4-0.5Tm0.5Tm； u高分子材料高分子材料TTTTg g？等強溫度？等強溫度T TE E晶界晶界晶粒晶粒TE變形速率對變形速率

24、對T TE E的影響的影響TE1TE2晶界晶界晶粒低速低速高速蠕變蠕變用用蠕變曲線蠕變曲線描述描述00 abcda dtd第第階段階段abab是是減速蠕變減速蠕變階段。開始階段。開始* *很很大，隨大，隨t t， * *，到，到b b點點* *minmin 第第階段階段bcbc是是恒速蠕變恒速蠕變階段。階段。* *保持不保持不變，變，穩態蠕變穩態蠕變階段。一般以這一階段的變階段。一般以這一階段的變形速度形速度表示表示 第第階段階段cdcd是是加速蠕變加速蠕變階段，隨著階段，隨著t t ， * * ，至，至d d點蠕變點蠕變斷裂斷裂第第階段階段: :減速蠕變減速蠕變位錯位錯剛剛運動，障礙少，運動

25、，障礙少， * *大大隨后隨后位錯塞積位錯塞積、位錯密度位錯密度，晶格畸變晶格畸變形變強化，形變強化，到到b b點點* *minmin位錯源開動阻力+位移運動阻力，降低 * 第第階段，階段， 晶晶內內變形以變形以位錯位錯滑移滑移和和方式方式交替交替進行，進行， 晶晶界界變形以變形以滑動滑動和和方式交替方式交替進行進行加工（應變）硬化：加工（應變）硬化：形變強化形變強化積蓄積蓄能量促使回復（軟化）的進行能量促使回復（軟化）的進行 晶內晶內滑滑移移和和晶界晶界滑滑動動使使金屬強化金屬強化， 但但位錯攀移位錯攀移和和晶界遷移晶界遷移則使則使金屬軟金屬軟化化。 由于強化和軟化的交替作用，當達由于強化和

26、軟化的交替作用，當達到平衡時，蠕變速度保持恒定到平衡時，蠕變速度保持恒定蠕變發展到第蠕變發展到第階段，階段，由于裂紋由于裂紋迅速迅速擴展，蠕變擴展，蠕變速度加快，速度加快，當裂紋達到當裂紋達到臨界尺寸臨界尺寸便產便產生蠕變斷裂。生蠕變斷裂。蠕變斷裂機理 蠕變斷裂主要是沿晶斷裂 在裂紋成核和擴展過程中，晶晶界滑動界滑動引起的應力集中與空位的擴散起著重要作用 應力和溫度不同，裂紋成核有兩種類型 1裂紋成核于三晶粒交會處，在高應力和較低溫度下，在晶粒交會處由于晶界滑動造成應力集中而產生裂紋。 2裂紋成核分散于晶界上， 在較低應力和較高溫度下， 蠕變裂紋常分散在晶界各處，特別易產生在垂直于拉應力垂直于

27、拉應力方向的晶界上。首先：首先：晶界滑動晶界滑動在在晶界的臺階晶界的臺階（如（如第二相第二相質點質點或或滑移帶的交截滑移帶的交截）處）處受阻受阻而形而形成成空洞空洞然后： 由于位錯運動產生的大量空位， 為了減少其表面能而向垂直拉伸應力作用的晶界上遷移， 當晶界上有空洞時，空洞便吸收空位而長大，形成裂紋 以上兩種方式形成形成裂紋后，依靠晶界滑動、空位擴散和空洞連接進行擴展擴展，最終導致沿晶斷裂的發生 蠕變斷裂主要在晶界晶界發生，因此晶界的形態、晶界上的析出物和雜質偏聚、晶粒大小晶粒大小和尺寸的均勻性對蠕變和蠕變斷裂有很大影響宏觀形貌特征 斷口附近有塑性變形痕跡，變形區附近多有裂紋、表面多龜裂 斷口短時因高溫氧化覆蓋氧化膜斷口微觀形貌特征 冰糖花樣的沿晶斷裂形貌斷口形貌斷口形貌1 12 23 3斷口處的塑性變形斷口處的塑性變形斷口斷口 為保證在高溫長期載荷作用下的機件不致產生過量變形，要金屬材料具有一定的蠕變極限。 蠕變極限蠕變極限是高溫長期載荷作用下材料對塑性變形抗力的指標。和常溫下的屈服強度0.2相似。一、一、 蠕變極限蠕變極限高溫力學性能指標高溫力學性能指標 蠕變極限與持久強度蠕變極限與持久強度蠕變極限一般有兩種表示方法：蠕變極限一般有兩種表示方法： A.