模具材料知识

材料在应力和腐蚀环境的共同作用下造成的损坏称为应力腐蚀。这里需要强调的是应力和腐蚀的共同作用。材料应力腐蚀具有明显的特点。应力腐蚀的破坏特性可以帮助我们识别破坏事故是否属于应力腐蚀，但我们必须综合考虑响应力腐蚀的因素主要包括环境因素、机械因素和冶金因素。

原理

应力腐蚀是指金属在拉应力作用下在腐蚀介质中造成的损伤。这种腐蚀通常通过晶粒，即所谓的晶体腐蚀。应力腐蚀是由残余或外部应力引起的应变和腐蚀联合作用引起的材料损伤过程。应力腐蚀引起的材料断裂称为应力腐蚀断裂。

应力腐蚀一般认为有两种：阳极溶解和氢开裂。常见的应力腐蚀机理是：在应力和腐蚀介质的作用下，表面的氧化膜被腐蚀和损坏，损坏的表面和未损坏的表面分别形成阳极和阴极，阳极处的金属成为离子并溶解，产生电流流向阴极。因为阳极面积比阴极小得多，阳极的电流密度非常高，进一步腐蚀损坏的表面。再加上拉应力，破坏处逐渐形成裂纹，裂纹随着时间的推移逐渐扩展到断裂。这种裂纹不仅可以沿着金属晶粒的边界发展，还可以通过晶粒发展。

影响

应力腐蚀过程试验研究表明，当金属加上阳极电流时，应力腐蚀可以加剧，阴极电流可以停止。一般认为压应力对应力腐蚀影响不大。一般有拉应力，但实验发现压应力有时会产生应力腐蚀。对于裂纹膨胀率，应力腐蚀是临界的KISCC，临界应力强度因子大于KISCC，裂纹才会扩展。一般应力腐蚀都属于脆性断裂。应力腐蚀的裂纹扩展速率一般为10- 6~10-3 mm/min，还有三个部分：妊娠期、扩展区和瞬时断区。

易发生应力腐蚀的设备主要有换热器、冷却器、蒸汽发生器、送风机、干燥机和锅炉。

特点

(1)静应力导致应力腐蚀损伤，远低于材料屈服强度，而且一般是拉伸应力(近年来也发现不锈钢中存在压力应力)。这种应力可以是外加应力，也可以是焊接、冷加工或热处理产生的残余拉应力。更早发现的冷加工黄铜子弹壳在含有潮湿氨的介质中的腐蚀损伤是冷加工造成的残余拉应力的结果。如果过去的应力退火，这种事故是可以避免的。

(2)应力腐蚀造成的损伤为脆性断裂，无明显塑性变形。

(3)应力腐蚀只能在特定合金成分与特定介质结合时引起。α只有在氨溶液中，黄铜才会破坏，β水中的黄铜会破裂。

(4)应力腐蚀的裂纹膨胀率一般在10-9-10-6m/s，有点像疲劳，逐渐缓慢，这种亚临界扩张已经达到了一定的临界尺寸，当剩余的部分无法承受外部载荷时，突然断裂。

(5)应力腐蚀裂纹多起源于表面腐蚀坑，裂纹的传播通常垂直于拉轴。

(6)应力腐蚀破坏的断口颜色灰暗，表面经常有腐蚀性产物，而疲劳断口的表面，如果是新鲜断口，往往是光滑有光泽的。

(7)应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但不要形成**化的概念，应力腐蚀裂纹并不总是分枝的。

(8)应力腐蚀引起的断裂可以是晶体穿透或晶间断裂。如果是晶体穿透断裂，断裂是解理或准确解理的，裂纹有人字形或羽毛状的标记。

测试方法

对应力腐蚀开裂的早期研究是在特定介质中不同应力下测量金属材料的滞后破坏时间。该方法积累了大量的数据，在了解应力腐蚀破坏方面发挥了一定的作用。但仍有许多缺点，主要包括：

(1)由于数据分散，有时可能会得出错误的结论。

(2)裂纹膨胀率的变化规律无法正确获得。

(3)费时，不能用于工程设计。

目前，对应力腐蚀的研究采用预制裂纹样品。将样品放置在一定的介质中，在恒定载荷下测量裂纹膨胀引起的应力强度因子K关系随时间变化(具体测试方法将在下面介绍)，从而得出材料的抗应力腐蚀特性。

例如图5-1所示Ti-8Al-1Mo-1V，其K1c=100MPa.m1/2。在3.5在%盐水中，开始K值仅为40MPa.m1/2时，样品在几分钟内就被破坏了。如果将值K稍微减少，破坏时间可以大大延迟。K当值降低到临界值时，应力腐蚀开裂实际上不会发生。K我们称之为应力腐蚀门槛值K1SCC表示(SCC是Stress Corrosion Cracking的缩写)。

(1)K<K1SCC在应力作用下，材料或零件可在不损坏的情况下长期处于腐蚀环境中。

(2)K1SCC<K<K1C在腐蚀性环境和应力的共同作用下，裂纹呈亚临界扩展。随着裂纹的不断增长，裂纹的**K值不断增加，达到K1C即时断裂。

(3)K>K1C加上初始载荷后立即断裂。尽管初始载荷。K裂纹膨胀率和断裂时间不同，但材料的更终损坏是K=K1C时发生的。

应该指出，高强度钢和钛合金都有一定的门槛值K1SCC，然而，铝合金没有明显的门槛值，其门槛值只能根据指定的试验时间来确定。一般认为，使用这种试验至少需要1000小时K1SCC数据必须非常小心。特别是设计的工程构件在腐蚀性环境中的应用时间比K1SCC数据测试时间长，要多加小心。

除了用K1SCC来表示材料的应力腐蚀抗力外，也可测量裂纹扩展速率da/dt。以下是应力腐蚀破裂试验方法的简要介绍。

一是载荷恒定K1更常用的方法是恒载荷悬臂梁弯曲试验装置。另一种测量K1SCC位移恒定的方法是使位移恒定K1不断减少，用紧凑的拉伸样品和螺栓加载。

这两种方法各有优缺点。悬臂梁弯曲法可以完成K1初始-断裂时间曲线可以更准确地确定K1SCC，缺点是需要更多的样品。恒位移法不需要特殊的试验机，便于现场测试。原则上，可以用样品测量K1SCC值，缺点是裂纹扩展趋势停止时间长。停止试验时，扩展裂纹的前沿有时不规则，很难判断裂纹是扩展还是停止扩展。因此，在计算中K1SCC有一定的误差。

影响因素

环境因素

奥氏体不锈钢对卤化物元素是十分敏感的;同样，一些铜合金对含氨的环境也是很敏感的。奥氏体不锈钢固然对氯化物产生应力腐蚀很敏感，但氯或卤素离子并不是**的决定因素，产生SCC还必须有氧存在。18-8不锈钢研究发现，只要几百万的氧气与氯化物一起引起应力腐蚀。奥氏体不锈钢沸腾MgCl2在溶液中，只有氮浓度超过500X10-6才产生SCC，氮浓度小于500X10-6应力腐蚀不会发生。PH值对应力腐蚀的敏感性也有很大的影响。

力学因素

轧制高强度铝合金7075-T6拉伸试验沿轧制方向取样时，对应力腐蚀的抗性更高，门槛应力可达420MPa;沿板宽方向取样时，门槛应力为224MPa;如沿板厚方向取样拉伸试验，只有门槛应力49MPa，轧制方向几乎只有1/10。7075-T6铝合金显示的应力方向性。

不同强度的热处理40CrNiMo（4340）应力腐蚀裂纹膨胀率与应力强度因子之间的关系表明，当屈服强度较高时，裂纹膨胀率随应力强度因子的增加而增加，当应力强度因子增加到一定值时，裂纹膨胀率保持恒定，不再与应力强度因子有关。该实验结果具有一定的典型性，几乎所有的高强度钢，包括马氏体及时性钢和高强度铝合金。

冶金因素

(1)材料成分的影响；

(2)材料组织的影响；

(3)材料强度的影响。

机理

应力腐蚀机理是滑移-溶解理论。它可以简单地分为四个过程，即滑移-膜破-阳极溶解-然后钝化。这种机制提出的基本概念被大多数人接受。然而，滑移-溶解机理只能很好地解释沿晶断裂的应力腐蚀，然而，像奥氏体不锈钢这样的氯脆穿透晶体断裂遇到了很大的困难。由于的应力腐蚀，断裂表面不在滑动表面，断裂具有类似的解理特性。

防止应力腐蚀的方法取决于具体的材料-介质。例如，低碳钢容易产生碱性脆性和硝酸盐脆性。在锅炉的铆接和焊接部位，少量泄漏使溶解的盐形成局部高浓度的苛性钠，容易产生碱性脆性。应始终注意锅炉的水处理，减少碱脆性PH添加强氧化剂或钝化钢表面，添加硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等抑制剂可以减缓应力腐蚀，也可以采用阴极保护方法。对于硝酸盐脆性，相反，增加溶液PH值，或加入苛性钠等碱性物质延缓应力腐蚀，当然，从电化学防护来说也可用阴极保护。对奥氏体不锈钢的氯脆，首先从合金的成分加以改进，如从低镍的18-8型号(304、302型)改为高镍和钼的316型，然后采用A F双相钢。焊接后还应特别注意冷变形或去除应力。

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