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应力腐蚀影响因素:断裂 ——金属学因素

Doctor.C 2019-1-5 15:57:10 来自PC 复制链接
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本帖最后由 Doctor.C 于 2016-10-3 09:48 编辑

三、应力腐蚀影响因素:断裂 ——金属学因素
      前文中我们从应力及腐蚀两方面分析了金属应力腐蚀断裂问题,侧重讨论了外部因素的影响,本文将从金属学及金属物理角度讨论内部因素的作用,即应力腐蚀条件下的金属断裂问题。
图1示出Fontana于1970年总结的应力腐蚀系统的概貌,从图中可以看出金属化学、金属力学及金属物理工作者对于分析金属-水溶液系统作出的贡献。

图1 金属应力腐蚀系统概貌

图1 金属应力腐蚀系统概貌

图1 金属应力腐蚀系统概貌

      图中上部分示出水溶液中阳离子浓度(AZ-)、阴离子浓度(CY+)、复合离子浓度(MXX+)、溶解的气体浓度(G2)等,这些因素都会影响金属腐蚀的进行。在金属与水溶液的界面上有:膜的形成和破坏;金属中阳极相的溶解和阴极相的析氢反应;贵重元素(如钢中的铜、锡、镍等)的沉积和富集层。
图的右方示出金属内有关晶界的现象:
      (1)晶界吸附——从物理图像来看,溶质原子与溶剂原子的大小不一样,溶质原子置换溶剂晶格中的原子,导致应变能,使体系的内能升高,若溶质原子迁入晶界区,可以松弛这种应变能,这时晶界吸附(或叫晶界偏析)的推动力。考虑晶内的原子位置远多于晶界区的原子位置数,从组态熵考虑,则溶质原子又趋向于停留在晶内,这是晶界吸附的阻力。考虑内能(U)和熵(S)这两个因素,对于凝聚态,在恒温恒容条件下,可以采用自由能(F=U-TS)为平衡判据,导出晶界区浓度(Cg)、晶内浓度(C0)和绝对温度之间的简化表达式:
Cg=C0exp(ΔU/RT)

      式中,ΔU为原子位于晶内及晶界区的内能差,为正值。温度愈高,则富集系数β(=Cg/C0)愈小。
      (2)晶界沉淀——过饱和固溶体脱溶沉淀时,在晶界择优地不均匀形核和长大,形成晶界沉淀相。相对于晶内,这种沉淀相可以是阴极相,也可以是阳极相。例如,铝合金中的晶界Mg2Al3及Mg2Si,相对于晶内,在NaCl水溶液中是阳极,而晶界的CuAl2,则是阴极。临近晶界沉淀相的区域,可以是溶质贫乏或空位贫乏。这些化学成分及电化学行为的差异,使晶界区形成了活化区域,这对分析沿晶的应力腐蚀断裂是重要的。
      图1右方临近晶界的部分示出表面膜对位错运动的影响:当膜在化学介质中不稳定时,则位错沿滑移面逸出,可以形成滑移台阶,导致穿晶断裂;当膜足够稳定时,它可以阻止位错的逸出,堆塞在表面膜下的位错,会早吃足够大的应力集中,这有利于沿晶断裂。因此,穿晶或沿晶断裂是相互竞争的过程,是电化学及力学条件影响下的竞争过程。
      图1中部示出了裂纹尖端的金属内部情况:
      (1)裂纹尖端的应力场作用——形成了塑性区,在K的作用下,存在三向拉应力区,可以富集溶质原子。
      (2)位错-裂纹交互作用——从裂纹放出的位错可以松弛裂纹的应力,降低了有效K,起着屏蔽和钝化裂纹的作用。
      (3)吸附反应——溶液中表面活性杂质可以吸在裂纹尖端,降低了金属原子间的结合力。
      (4)氢的作用——由于闭塞电池的作用,阴极反应析出的氢原子扩散进入金属,可以发生一系列变化——形变、相变、化学变化等,从而影响断裂过程的进行。
      图1的下方示出位错与金属结构的交互作用。工程材料断裂之前先有形变,形变是金属中位错运动的宏观表现,因而位错与沉淀相、界面、其他位错的交互作用,以及位错运动引起的相变,都会影响断裂过程。若腐蚀产物例如氢,金属金属之后,氢与位错协同作用,进一步影响断裂行为。
      从表面来看,图1所示的各类现象较为复杂,但使人们对金属应力腐蚀断裂问题有一个较为系统而全面的图像。实际上,对于给定的具体问题,起主要作用的只是其中的某些因素。例如,对沿晶断裂,我们应侧重分析晶界区的问题;对于断裂机理,则侧重分析裂纹尖端区的组织和结构。


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泥巴520 发表于 2019-1-5 15:57:10 来自PC
虫子的粮食啊
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