第七章應(yīng)力作用下的腐蝕

1、第七章 應(yīng)力作用下的腐蝕處在腐蝕性溶液或氣氛下的許多工程材料，常常在機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)共同作用下，在遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度或抗拉強(qiáng)度的條件下發(fā)生突然的、沒有預(yù)兆的腐蝕破壞。機(jī)械應(yīng)力狀態(tài)拉伸應(yīng)力交變應(yīng)力摩擦力振動(dòng)力不同狀態(tài)的力與介質(zhì)作用造成的腐蝕形態(tài)也各有特點(diǎn)。 金屬構(gòu)件的腐蝕-機(jī)械破壞可分為應(yīng)力腐蝕破裂、腐蝕疲勞、腐蝕磨損、氫致開裂等。在這些腐蝕破壞中，最主要的是應(yīng)力腐蝕破裂應(yīng)力腐蝕破裂。 第一節(jié)第一節(jié) 應(yīng)力腐蝕破裂應(yīng)力腐蝕破裂應(yīng)力腐蝕破裂是指材料在固定拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下產(chǎn)生的破裂。所謂固定，是指方向一定的拉應(yīng)力，但是大小可以變化。腐蝕和應(yīng)力是相互促進(jìn)，不是簡(jiǎn)單疊加 ，兩者缺

2、一不可 。應(yīng)力腐蝕破裂簡(jiǎn)稱應(yīng)力腐蝕，國(guó)外稱之為SCC (Stress Corrosion Cracking 的縮寫)。 一、應(yīng)力腐蝕破裂特征一、應(yīng)力腐蝕破裂特征（1）產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂必須同時(shí)具備下列三項(xiàng)條件：特定的合金成分結(jié)構(gòu)，足夠大的拉應(yīng)力以及特定的腐蝕介質(zhì)。即對(duì)于某一特定材料而言，不存在應(yīng)力時(shí)，單純的腐蝕作用不會(huì)產(chǎn)生這類腐蝕，單純的應(yīng)力作用也不會(huì)產(chǎn)生這類腐蝕。（2）特定金屬及合金只有在特定的環(huán)境中產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂，其中起主要作用的是陰離子、絡(luò)合離子。例：奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中，碳鋼和低合金鋼在wMgCl42%溶液中，銅合金在含氨的蒸汽中都可能產(chǎn)生破裂。（3）只有拉應(yīng)力能引起應(yīng)力腐蝕破裂

3、，拉應(yīng)力越大，斷裂時(shí)間越短。壓應(yīng)力不發(fā)生應(yīng)力腐蝕。宏觀上破裂方向與拉應(yīng)力垂直，拉應(yīng)力包括工作應(yīng)力、殘余應(yīng)力以及腐蝕產(chǎn)物的楔入應(yīng)力等。合 金環(huán) 境低 碳 鋼 NaOH水溶液，NaOH低 合 金 鋼NO3-水溶液，HCN水溶液，H2S水溶液，Na2PO4水溶液，醋酸水溶液，NH4CNS水溶液，氨（wH2O15%和wCr25%時(shí)，則加速應(yīng)力腐蝕破裂的進(jìn)行。MoMo元素元素Mo能提高不銹鋼的耐孔蝕性能，但在高濃度氯化物中對(duì)不銹鋼耐應(yīng)力腐蝕性能極有害。N N、P P、S S、MnMn元素元素一般認(rèn)為，N、P、S、Mn對(duì)Cr-Ni不銹鋼應(yīng)力腐蝕破裂有不良的作用。SiSi元素元素在MgCl2為42%溶液中，

4、Si能顯著地提高Cr-Fe不銹鋼的耐應(yīng)力腐蝕破裂性能。對(duì)鈦合金，降低它的含氧量和含Al、Sn，同時(shí)加入適量的Nb 、Ta、V有利于提高其抗應(yīng)力腐蝕性能。在二元或三元鋁合金中加入少量的Cr、Mn、Zr、Ti、V、Ni和Li能減低應(yīng)力腐蝕敏感性。對(duì)黃銅，加入少量的Fe、Sn、Mn、Si、Al、Cd、Pd促進(jìn)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。而對(duì)鋁青銅加入Ni2%和Si0.5%0.75%具有良好的耐應(yīng)力腐蝕性能；添加Sn和Ag均為0.35%時(shí)可防止晶間破裂。對(duì)鎂合金，當(dāng)Al為3%10%，Al與Zn之比大于或等于2時(shí)，提高應(yīng)力腐蝕敏感性；增加Fe和Cu加速腐蝕破裂；不含Al的合金在水中很少發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。3介質(zhì)因素 介

5、質(zhì)對(duì)應(yīng)力腐蝕的影響相當(dāng)復(fù)雜，如介質(zhì)中特殊陰離子濃度、pH值、溫度、界面電位狀況等顯著影響合金的腐蝕破裂。特殊陰離子濃度從右圖可以看出，奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中，隨著氯化物濃度的增加而加速合金斷裂。不銹鋼在高濃氯化物中，在一定應(yīng)力作用下，有一個(gè)對(duì)應(yīng)于腐蝕最敏感的濃度范圍。如圖示出，在245Mpa的應(yīng)力作用下，304型不銹鋼和316型不銹鋼在沸騰氯化鎂的溶液中最敏感的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為42%和45%。溫度不同金屬在同一介質(zhì)中，引起應(yīng)力腐蝕破裂的溫度并不相同。如軟鋼一般要在沸騰溫度下才能破裂，鎂合金通常在室溫下便產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕。一般，溫度升高，應(yīng)力腐蝕破裂容易發(fā)生，但溫度過(guò)高，由于全面腐蝕，從而抑制了應(yīng)

6、力腐蝕。 pH值對(duì)不同體系，pH值的影響有所不同。對(duì)不銹鋼而言，pH值升高，減緩了應(yīng)力腐蝕，但低pH值時(shí)僅產(chǎn)生一般腐蝕。而當(dāng)pH值在67時(shí)，18-8不銹鋼對(duì)應(yīng)力腐蝕最為敏感。四、應(yīng)力腐蝕破裂的控制措施1降低和消除應(yīng)力 改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免或減少局部應(yīng)力集中 。因而，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要降低設(shè)計(jì)應(yīng)力，增加結(jié)構(gòu)承受能力。如果將有效應(yīng)力或應(yīng)力強(qiáng)度降低到存在臨界應(yīng)力值以下，可避免應(yīng)力腐蝕破裂。退火熱處理方法消除加工或裝配過(guò)程中的殘余應(yīng)力。如對(duì)奧氏體不銹鋼可在900附近進(jìn)行消除應(yīng)力退火處理或10501150固溶熱處理。消除應(yīng)力的方法：消除應(yīng)力的方法：機(jī)械方法消除內(nèi)應(yīng)力。如對(duì)受力材料進(jìn)行噴砂、噴丸、過(guò)變形法熱處理

7、，使表面應(yīng)力降低或松弛，可提高應(yīng)力腐蝕性能。 3正確選擇材料 應(yīng)選擇在給定環(huán)境中不發(fā)生應(yīng)力腐蝕的材料，采用冶煉新工藝減少材料中的雜質(zhì)，提高純度；通過(guò)熱處理改變組織、消除有害物質(zhì)的偏析、細(xì)化晶粒等，均可減少材料應(yīng)力腐蝕敏感性。2控制環(huán)境 改善使用條件，減少和控制有害介質(zhì) ，如除去介質(zhì)中的氧和氯化物，并降低環(huán)境溫度，控制pH值，避免反復(fù)加熱、冷卻；使用緩蝕劑、涂覆保護(hù)層；進(jìn)行適當(dāng)?shù)仉娀瘜W(xué)保護(hù)方法避免進(jìn)入三個(gè)應(yīng)力腐蝕破裂敏感的電位區(qū)間，可減少和防止應(yīng)力腐蝕的發(fā)生。 第二節(jié)第二節(jié) 腐蝕疲勞腐蝕疲勞 腐蝕疲勞很普遍, 如螺旋漿、牽引鋼絲、簧、汽輪機(jī) 。一：腐蝕疲勞定義一：腐蝕疲勞定義 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力與

8、腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而開裂。循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力金屬材料損傷比表征其耐腐蝕疲勞性能，定義：損傷比損傷比腐蝕疲勞強(qiáng)度正常疲勞強(qiáng)度。如在3NaCl中, 碳鋼損傷比0.2, 不銹鋼0.5, Al合金0.4, 銅合金1.0。二：腐蝕疲勞的特點(diǎn)二：腐蝕疲勞的特點(diǎn)(1)在空氣中的疲勞存在著疲勞極限，而在腐蝕疲勞的情況下已不存在疲勞極限。(2)腐蝕疲勞與應(yīng)力腐蝕不同，不需要材料環(huán)境的特殊組合，只要存在腐蝕介質(zhì)時(shí)就會(huì)發(fā)生。(3)金屬的腐蝕疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之間無(wú)明顯的比例關(guān)系。(4)腐蝕疲勞裂紋多起源于表面腐蝕坑或表面缺陷，往往成群出現(xiàn)，主要呈穿晶型，無(wú)分枝現(xiàn)象，也有沿晶型或混合型。(5)斷口既有腐蝕特征，又

9、有疲勞輝紋特征。三：腐蝕疲勞機(jī)理三：腐蝕疲勞機(jī)理 在循環(huán)應(yīng)力作用下，表面鈍化膜不斷破壞，裸金屬不斷暴露，腐蝕迅速發(fā)生。主要步驟 (1) 腐蝕介質(zhì)中發(fā)生點(diǎn)蝕坑(疲勞源); (2) 應(yīng)力作用下, 點(diǎn)蝕坑發(fā)生滑移, 形成滑移臺(tái)階; (3) 滑移臺(tái)階上發(fā)生陽(yáng)極溶解; (4) 反方向應(yīng)力作用下, 形成初始裂紋。疲勞裂紋生成示意圖疲勞裂紋生成示意圖四：影響腐蝕疲勞的因素四：影響腐蝕疲勞的因素 力學(xué)因素的影響：應(yīng)力交變速度越大，則裂紋的擴(kuò)展速度越慢，金屬可以經(jīng)受更長(zhǎng)的應(yīng)力循環(huán)。當(dāng)應(yīng)力交變速度降低時(shí)，一般使裂紋擴(kuò)展速度加快。 材料因素的影響：耐蝕性較高的金屬對(duì)腐蝕疲勞的敏感性較小，耐蝕性較差的金屬對(duì)腐蝕疲勞的

10、敏感性較大。 環(huán)境因素的影響：一般來(lái)說(shuō)，介質(zhì)的腐蝕性越強(qiáng)，腐蝕疲勞強(qiáng)度越低。pH越低，疲勞壽命越低。 外加極化因素的影響： 陰極極化可使裂紋擴(kuò)展速度明顯降低，甚至接近空氣中的疲勞強(qiáng)度。五腐蝕疲勞的控制方法五腐蝕疲勞的控制方法（一）選用耐腐蝕疲勞材料，提高表面光潔度，避免形成裂縫。（二）通過(guò)表面涂層和鍍層改善材料的耐腐蝕性。（三）電化學(xué)保護(hù)。（四）通過(guò)氮化、噴丸和表面淬火等表面硬化處理，使壓應(yīng)力作用于材料表面，對(duì)提高材料抗腐蝕疲勞性能有益。（五）使用緩蝕劑進(jìn)行保護(hù)。 第三節(jié)第三節(jié) 磨損腐蝕磨損腐蝕一一. . 磨蝕磨蝕( (或沖刷腐蝕或沖刷腐蝕) ) 由于腐蝕介質(zhì)和金屬表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起金屬的加速

11、破壞或腐蝕。大多數(shù)金屬可發(fā)生磨蝕, 軟金屬更易發(fā)生磨蝕, 自鈍化金屬(如Al)在鈍化膜磨損后腐蝕急劇發(fā)生。工業(yè)中螺旋漿推進(jìn)器，泵葉輪，熱交器彎管等磨蝕很常見。磨蝕與金屬材料，表面膜，介質(zhì)流速，湍流，沖擊等有關(guān)。二二. . 磨蝕的幾種情況磨蝕的幾種情況 （1）湍流腐蝕湍流腐蝕湍流比層流攪動(dòng)劇烈, 加速腐蝕劑供應(yīng)和腐蝕產(chǎn)物移動(dòng), 液體切應(yīng)力, 使金屬材料磨損腐蝕加劇。湍流腐蝕示意圖湍流腐蝕示意圖（2 2）空泡磨損）空泡磨損空泡腐蝕是由于金屬表面附近的液體中有氣泡的產(chǎn)生和潰滅，造成材料表面粗化，而導(dǎo)致材料破壞的現(xiàn)象?？张莓a(chǎn)生的原因：空泡產(chǎn)生的原因：在流動(dòng)的液體中，當(dāng)局部區(qū)域的壓力因某種原因而突然下降

12、至與該區(qū)域液體溫度相應(yīng)的氣化壓力以下時(shí)，部分液體氣化，溶于液體中的氣體逸出，形成液流中的氣泡（或稱空泡）。沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系沸點(diǎn)與壓強(qiáng)的關(guān)系壓強(qiáng)與流速的關(guān)系壓強(qiáng)與流速的關(guān)系空泡腐蝕示意圖空泡腐蝕示意圖（3 3）磨振腐蝕）磨振腐蝕金屬/液體界面在負(fù)荷條件下發(fā)生微小振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致腐蝕破壞，表面呈麻點(diǎn)或溝紋。摩振腐蝕又稱震動(dòng)腐蝕、微動(dòng)腐蝕、摩擦氧化。在機(jī)械裝置、螺栓組合件以及滾柱軸承中容易出現(xiàn)這種腐蝕。三三. . 影響因素影響因素 （1）金屬或合金性質(zhì)。耐蝕性高 抗磨損腐蝕好。硬度，硬度高的耐磨性能高于硬度低的。 （2）流速，流速對(duì)不同金屬的腐蝕起不同的作用，在達(dá)到臨界速度之前可能沒有影響或上升

13、很慢，當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)發(fā)生破壞性的腐蝕。四四. . 磨蝕控制磨蝕控制 （1）選材/研制抗磨蝕材料； （2）合理設(shè)計(jì)，減小流速，保證層流; (3) 增大直徑，使彎管頭流線型化； （4）陰極保護(hù)； （5）表面處理光潔度、耐蝕鈍化層。第四節(jié)第四節(jié) 氫脆和氫損傷氫脆和氫損傷由于氫的存在或氫與材料的相互作用，引起金屬設(shè)備破壞，稱為氫損傷。一、氫損傷的分類氫鼓泡氫腐蝕氫脆氫進(jìn)入金屬內(nèi)部而引起韌性和抗拉強(qiáng)度的下降由于氫進(jìn)入金屬內(nèi)部而使金屬局部變形高溫下合金中的組分與氫反應(yīng)二、金屬中氫的進(jìn)入與存在形式內(nèi)氫內(nèi)氫是指由冶煉、鑄造、熱處理、酸洗、電鍍、焊接、陰極充氫等過(guò)程中引入的氫。外氫外氫是材料在使用過(guò)程中，由

14、外界環(huán)境引入的氫。外氫是通過(guò)下列途徑，在金屬材料表面產(chǎn)生活性氫原子，然后進(jìn)入金屬內(nèi)部。（1） 、 等與金屬接觸時(shí)，氫分子通過(guò)物理和化學(xué)吸附在金屬表面上，發(fā)生分解產(chǎn)生活化氫原子H。 2H2H S1 1氫的進(jìn)入氫的進(jìn)入 氫損傷是氫與材料交互作用導(dǎo)致材料塑性及韌性下降的一種現(xiàn)象，氫的來(lái)源可分為內(nèi)氫和外氫兩種。（2）水溶液腐蝕時(shí)陰極析出氫，水化質(zhì)子（ ）在金屬表面上分解成原子氫。 3H O（3）含氫的物質(zhì)與金屬表面反應(yīng)放出氫。2 2氫的存在形式氫的存在形式 氫在金屬中存在的形式較多，它可以形成化合物和固溶體?；衔铮簹湓诮饘僦械暮砍^(guò)固溶度即形成化合物。 固溶體：氫以 、H 的形態(tài)固溶于金屬中。 H

15、三、氫損傷的機(jī)理氫脆理論氫脆理論：氫脆是指由于氫擴(kuò)散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導(dǎo)致材料斷裂的現(xiàn)象。第一種理論：原子氫與位錯(cuò)交互作用機(jī)理。第一種理論：原子氫與位錯(cuò)交互作用機(jī)理。該理論認(rèn)為，因各種原因進(jìn)入金屬內(nèi)部的氫原子存在于點(diǎn)陣的空隙處，在應(yīng)力作用下，氫原子會(huì)向缺陷或裂紋前線的應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)散，阻礙了該地區(qū)的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，從而造成局部加工硬化，提高了金屬抵抗塑性變形的能力。 第二種理論：氫壓理論。第二種理論：氫壓理論。該理論認(rèn)為，當(dāng)點(diǎn)陣中氫超過(guò)固溶度時(shí)，金屬中過(guò)飽和的一部分氫就會(huì)在晶界孔洞或其他缺陷處析出，再結(jié)合氫分子，結(jié)果在這些地方形成很高的氫氣壓，當(dāng)壓力超過(guò)材料的破壞應(yīng)力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)

16、致脆性開裂。第三是氫化物形成理論。第三是氫化物形成理論。該理論認(rèn)為，金屬或合金中某些元素與氫或氫化物發(fā)生反應(yīng)，生成新的氫化物，從而造成延展性和韌性的降低，以致造成脆性斷裂。 四、氫損傷的控制措施防止氫損傷的主要控制方法是降低內(nèi)氫和限制外氫的進(jìn)入，提高金屬及合金的耐氫損傷能力。對(duì)含氫鋼可進(jìn)行必要的脫氫處理，以消除氫脆。可選用耐氫脆合金，通常較易產(chǎn)生氫脆的材料是高強(qiáng)鋼，在鋼中若加入Cr、Al、Ni、Mo等元素可在鋼表面形成致密的保護(hù)膜，阻止氫向鋼內(nèi)部擴(kuò)散，可減少氫脆敏感性；加入低氫過(guò)電位金屬Pt、Pd、Cu等，使吸附氫原子形成氫分子析出；加入Ti、B、V、Nb等碳化物穩(wěn)定元素，促進(jìn)鋼中形成穩(wěn)定的碳化物，減少鋼中CH4的生成。（2 2）限制外氫措施）限制外氫措施減少內(nèi)氫可通過(guò)改善熱處理、焊接、電鍍、酸洗等工藝條件，以減少氫進(jìn)入鋼內(nèi)部。（1 1）降低內(nèi)氫措施）降低內(nèi)氫措施加入某些合金元素，可延緩腐蝕反應(yīng)，或生成的腐蝕產(chǎn)