腐蝕 第5章 局部腐蝕2

1、5.5 應(yīng)力作用下的腐蝕應(yīng)力作用下的腐蝕5.5.1 應(yīng)力腐蝕斷裂應(yīng)力腐蝕斷裂 Stress Corrosion Cracking 產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂必須同時(shí)具備三個(gè)基本條件，即敏產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂必須同時(shí)具備三個(gè)基本條件，即敏感的金屬材料，足夠大的拉伸應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)。感的金屬材料，足夠大的拉伸應(yīng)力和特定的腐蝕介質(zhì)。 SCC產(chǎn)生三個(gè)基本條件產(chǎn)生三個(gè)基本條件材料因素材料因素力學(xué)因素力學(xué)因素環(huán)境因素環(huán)境因素應(yīng)力腐蝕斷裂的機(jī)理應(yīng)力腐蝕斷裂的機(jī)理奧氏體不銹鋼氯化物奧氏體不銹鋼氯化物SCC機(jī)理機(jī)理3）鋁合金的）鋁合金的SCC機(jī)理機(jī)理 鋁合金在大氣或微量氧的水溶液中生成氧化膜，但鋁合金在大氣或微量氧的水溶

2、液中生成氧化膜，但由于應(yīng)力作用或鹵素離子作用造成局部氧化膜破壞，由于應(yīng)力作用或鹵素離子作用造成局部氧化膜破壞，形成蝕坑或裂紋源。裂紋在拉應(yīng)力作用下沿晶界擴(kuò)展形成蝕坑或裂紋源。裂紋在拉應(yīng)力作用下沿晶界擴(kuò)展直至斷裂。進(jìn)行腐蝕電池反應(yīng)是：直至斷裂。進(jìn)行腐蝕電池反應(yīng)是： 陽極：陽極：Al Al3+ + 3e 陰極：陰極：O2+2H2O+4e 4OH- 當(dāng)絮狀的當(dāng)絮狀的Al(OH)3沉淀，在蝕口堆積形成一個(gè)閉塞電沉淀，在蝕口堆積形成一個(gè)閉塞電池時(shí)，構(gòu)成自催化腐蝕環(huán)境。如圖所示：池時(shí)，構(gòu)成自催化腐蝕環(huán)境。如圖所示： 氫脆機(jī)理氫脆機(jī)理 該機(jī)理認(rèn)為：金屬材料在拉應(yīng)力該機(jī)理認(rèn)為：金屬材料在拉應(yīng)力 和腐蝕介質(zhì)共同

3、作用和腐蝕介質(zhì)共同作用下，由于陰極還原反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散到裂紋尖端的金下，由于陰極還原反應(yīng)產(chǎn)生的氫原子擴(kuò)散到裂紋尖端的金屬內(nèi)部引起并控制脆斷。這種應(yīng)力腐蝕稱為氫脆型屬內(nèi)部引起并控制脆斷。這種應(yīng)力腐蝕稱為氫脆型SCC（HE-SCC）。這一機(jī)理也稱為氫的滯后開裂。）。這一機(jī)理也稱為氫的滯后開裂。 影響應(yīng)力腐蝕斷裂的因素影響應(yīng)力腐蝕斷裂的因素 電位電位狀況的影響：大量實(shí)驗(yàn)研究證明，電位電位狀況的影響：大量實(shí)驗(yàn)研究證明，SCC只有在一定只有在一定的電位范圍內(nèi)才能發(fā)生?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)合金的陽極極化曲線有三個(gè)的電位范圍內(nèi)才能發(fā)生。現(xiàn)發(fā)現(xiàn)合金的陽極極化曲線有三個(gè)易產(chǎn)生易產(chǎn)生SCC的區(qū)域。這些區(qū)域都是過渡區(qū)。如圖所

4、示。的區(qū)域。這些區(qū)域都是過渡區(qū)。如圖所示。 應(yīng)力腐蝕斷裂的控制措施應(yīng)力腐蝕斷裂的控制措施 1、降低和消除應(yīng)力：、降低和消除應(yīng)力： 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要降低設(shè)計(jì)應(yīng)力，盡量避免或減少局部應(yīng)力集在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先要降低設(shè)計(jì)應(yīng)力，盡量避免或減少局部應(yīng)力集中。中。 加工和裝配過程中，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可采用熱處理退加工和裝配過程中，應(yīng)盡量避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力，可采用熱處理退火方法。火方法。 機(jī)械方法消除內(nèi)應(yīng)力，在受應(yīng)力的合金表面進(jìn)行噴丸、奔砂、錘敲機(jī)械方法消除內(nèi)應(yīng)力，在受應(yīng)力的合金表面進(jìn)行噴丸、奔砂、錘敲等處理，使表面層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，以提高抗等處理，使表面層處于壓應(yīng)力狀態(tài)，以提高抗SCC性能。性能。 2

5、、控制環(huán)境、控制環(huán)境 改善使用條件，除去危害性大的介質(zhì)成分。如水中的氧和氯化物。改善使用條件，除去危害性大的介質(zhì)成分。如水中的氧和氯化物。減少內(nèi)外溫差。減少內(nèi)外溫差。 升高升高pH值。值。 采用添加適當(dāng)?shù)木徫g劑或采用涂、鍍層的辦法控制環(huán)境。采用添加適當(dāng)?shù)木徫g劑或采用涂、鍍層的辦法控制環(huán)境。 采用陰、陽極電化學(xué)保護(hù)方法，避免進(jìn)入三個(gè)采用陰、陽極電化學(xué)保護(hù)方法，避免進(jìn)入三個(gè)SCC敏感的電位區(qū)，敏感的電位區(qū)，以防止以防止SCC的發(fā)生。的發(fā)生。 3、改善材質(zhì)、改善材質(zhì)較抗較抗SCC性能的不銹鋼：高鎳奧氏體、高純奧氏體鋼、雙相不銹鋼；性能的不銹鋼：高鎳奧氏體、高純奧氏體鋼、雙相不銹鋼；較抗較抗SCC性能

6、的鋁合金：包鋁性能的鋁合金：包鋁LD10、包鋁的、包鋁的LY12、LF21、ZL101；較抗較抗SCC性能的鈦合金：性能的鈦合金：Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-2Al-4Mo-4Zr。 5.2.2 氫損傷氫損傷 一、定義一、定義金屬材料中由于氫的存在或與氫反應(yīng)引起材料力學(xué)性能金屬材料中由于氫的存在或與氫反應(yīng)引起材料力學(xué)性能變壞的現(xiàn)象。變壞的現(xiàn)象?？煞譃椋簹涔呐?、氫脆、脫炭、氫腐蝕。可分為：氫鼓泡、氫脆、脫炭、氫腐蝕。 二、氫損傷特征二、氫損傷特征 1、氫損傷導(dǎo)致金屬材料的韌性和塑性性能下降，易使材、氫損傷導(dǎo)致金屬材料的韌性和塑性性能下降，易使材料開裂或脆斷。料開裂或脆斷。 2、氫損傷是氫

7、與材料交互作用引起的一種現(xiàn)象、氫損傷是氫與材料交互作用引起的一種現(xiàn)象 3、氫損傷和應(yīng)力腐蝕斷裂在產(chǎn)生原因和機(jī)理上是有區(qū)別、氫損傷和應(yīng)力腐蝕斷裂在產(chǎn)生原因和機(jī)理上是有區(qū)別的。應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展是由于裂紋的陽極溶解，其陰極的。應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展是由于裂紋的陽極溶解，其陰極對(duì)裂紋的擴(kuò)展并不產(chǎn)生直接的影響。而氫損傷是由于合金對(duì)裂紋的擴(kuò)展并不產(chǎn)生直接的影響。而氫損傷是由于合金中在陽極區(qū)吸收了陽極反應(yīng)產(chǎn)物氫原子誘導(dǎo)脆性而產(chǎn)生和中在陽極區(qū)吸收了陽極反應(yīng)產(chǎn)物氫原子誘導(dǎo)脆性而產(chǎn)生和擴(kuò)展的。擴(kuò)展的。 如下圖所示：如下圖所示： 1、氫的來源、氫的來源內(nèi)氫：冶煉、鑄造、電鍍、酸洗、焊接、陰極充氫等工藝過內(nèi)氫：冶煉、鑄

8、造、電鍍、酸洗、焊接、陰極充氫等工藝過程中引入的。程中引入的。 外氫：材料使用過程中，由外界環(huán)境引入的。外氫：材料使用過程中，由外界環(huán)境引入的。 1）H2吸附分解成原子氫。吸附分解成原子氫。 2）腐蝕析氫在金屬表面分解成原子氫。）腐蝕析氫在金屬表面分解成原子氫。 3）含氫物質(zhì)與金屬表面發(fā)生反應(yīng)放出氫。）含氫物質(zhì)與金屬表面發(fā)生反應(yīng)放出氫。2、氫的存在形式、氫的存在形式 氫可以氫可以H-、H、H+、H2、金屬氫化物、固溶體、碳?xì)浠?、金屬氫化物、固溶體、碳?xì)浠衔锏刃问酱嬖谟诮饘僦?，也可與位錯(cuò)結(jié)合形成氣團(tuán)而存在。物等形式存在于金屬中，也可與位錯(cuò)結(jié)合形成氣團(tuán)而存在。 三、氫的來源與存在形式與傳輸3、

9、氫的傳輸、氫的傳輸 氫在金屬中是以點(diǎn)陣擴(kuò)散、應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散及氫的位錯(cuò)遷移氫在金屬中是以點(diǎn)陣擴(kuò)散、應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散及氫的位錯(cuò)遷移等方式進(jìn)行傳輸?shù)?。等方式進(jìn)行傳輸?shù)摹?1）點(diǎn)陣擴(kuò)散：金屬表面富集氫后與金屬內(nèi)部構(gòu)成一定的濃）點(diǎn)陣擴(kuò)散：金屬表面富集氫后與金屬內(nèi)部構(gòu)成一定的濃度梯度，則氫會(huì)向金屬內(nèi)部擴(kuò)散。氫原子處在金屬點(diǎn)陣的間度梯度，則氫會(huì)向金屬內(nèi)部擴(kuò)散。氫原子處在金屬點(diǎn)陣的間隙位置，從五個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置的過程就是氫隙位置，從五個(gè)間隙位置跳到另一個(gè)間隙位置的過程就是氫的擴(kuò)散。的擴(kuò)散。 2）應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散：氫在應(yīng)力梯度作用下通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，）應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散：氫在應(yīng)力梯度作用下通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散，將向高應(yīng)

10、力區(qū)聚集（將向高應(yīng)力區(qū)聚集（Corsky效應(yīng)）。高應(yīng)力區(qū)氫濃度均無超效應(yīng)）。高應(yīng)力區(qū)氫濃度均無超過整體的氫濃度。過整體的氫濃度。 3）位錯(cuò)遷移：位錯(cuò)可捕獲氫會(huì)影響氫的點(diǎn)陣擴(kuò)散，當(dāng)位錯(cuò)）位錯(cuò)遷移：位錯(cuò)可捕獲氫會(huì)影響氫的點(diǎn)陣擴(kuò)散，當(dāng)位錯(cuò)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫氣團(tuán)可以跟著位錯(cuò)一起運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，氫氣團(tuán)可以跟著位錯(cuò)一起運(yùn)動(dòng)。 1、氫腐蝕機(jī)理（高溫氫腐蝕）、氫腐蝕機(jī)理（高溫氫腐蝕）Hydrogen Corrsion氫腐蝕是指在高溫氫腐蝕是指在高溫200以上，高壓條件下，氫進(jìn)入金屬，產(chǎn)以上，高壓條件下，氫進(jìn)入金屬，產(chǎn)生合金組分與氫化學(xué)反應(yīng)生成氫化物等物質(zhì)，導(dǎo)致合金強(qiáng)度下生合金組分與氫化學(xué)反應(yīng)生成氫化物等物質(zhì)，導(dǎo)

11、致合金強(qiáng)度下降以至沿晶界開裂的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱降以至沿晶界開裂的現(xiàn)象，簡(jiǎn)稱HC。 機(jī)理：機(jī)理：C+2H2 CH4 Fe3C+2H2 3Fe+CH4 或或4H + Fe3C 3Fe+CH4 反應(yīng)生成高壓氣體，在高壓、高溫、含氫條件下氫分子擴(kuò)散到反應(yīng)生成高壓氣體，在高壓、高溫、含氫條件下氫分子擴(kuò)散到鋼中，并生成甲烷，甲烷在鋼中的擴(kuò)散能力很低，這樣甲烷量鋼中，并生成甲烷，甲烷在鋼中的擴(kuò)散能力很低，這樣甲烷量不斷增多，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中使該處發(fā)展為裂紋。不斷增多，形成局部高壓，造成應(yīng)力集中使該處發(fā)展為裂紋。四、氫損傷類型及其機(jī)理五、影響氫損傷的因素六、氫損傷的控制措施5.5 3 腐蝕疲勞腐蝕疲勞一、

12、定義一、定義1、在空氣中一般金屬疲勞存在著疲勞極限，但在腐蝕疲勞、在空氣中一般金屬疲勞存在著疲勞極限，但在腐蝕疲勞的情況下沒有疲勞極限。的情況下沒有疲勞極限。 2、冷飲疲勞對(duì)于任何金屬包括純金屬在任何腐蝕介質(zhì)中都、冷飲疲勞對(duì)于任何金屬包括純金屬在任何腐蝕介質(zhì)中都有可能發(fā)生，也不要求特定的材料與介質(zhì)的組合。金屬在這有可能發(fā)生，也不要求特定的材料與介質(zhì)的組合。金屬在這種介質(zhì)中所處的活化區(qū)或鈍化區(qū)都可發(fā)生。這在應(yīng)力條件、種介質(zhì)中所處的活化區(qū)或鈍化區(qū)都可發(fā)生。這在應(yīng)力條件、材料材料-環(huán)境條件、電化學(xué)條件上都與應(yīng)力腐蝕斷裂有所不同。環(huán)境條件、電化學(xué)條件上都與應(yīng)力腐蝕斷裂有所不同。3、純力學(xué)疲勞破壞的斷面

13、大部分是光滑的、小部分是粗糙、純力學(xué)疲勞破壞的斷面大部分是光滑的、小部分是粗糙面，斷面呈現(xiàn)出一些結(jié)晶形狀，部分呈脆性斷裂；面，斷面呈現(xiàn)出一些結(jié)晶形狀，部分呈脆性斷裂； 而腐蝕疲勞破壞的金屬內(nèi)表面，大部分面積被腐蝕產(chǎn)物所而腐蝕疲勞破壞的金屬內(nèi)表面，大部分面積被腐蝕產(chǎn)物所覆蓋，小部分呈粗糙碎裂區(qū)，并有腐蝕疲勞裂紋、腐蝕坑等。覆蓋，小部分呈粗糙碎裂區(qū)，并有腐蝕疲勞裂紋、腐蝕坑等。腐蝕疲勞裂紋主要是穿晶的，但也可能出現(xiàn)沿晶間的或混合腐蝕疲勞裂紋主要是穿晶的，但也可能出現(xiàn)沿晶間的或混合型的并隨腐蝕發(fā)展，裂紋變寬。型的并隨腐蝕發(fā)展，裂紋變寬。 二、腐蝕疲勞特征三、腐蝕疲勞的機(jī)理五、腐蝕疲勞控制的措施一、定

14、義與特征一、定義與特征 1、磨損腐蝕是指由于腐蝕流體和金屬表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，、磨損腐蝕是指由于腐蝕流體和金屬表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，引起金屬的加速破壞或腐蝕。造成磨損腐蝕的腐蝕流體可以引起金屬的加速破壞或腐蝕。造成磨損腐蝕的腐蝕流體可以是氣體，液體或含有固體顆粒、氣泡的液體等。是氣體，液體或含有固體顆粒、氣泡的液體等。 2、磨損腐蝕的外表特征是槽、溝、波紋、圓孔和山谷等，、磨損腐蝕的外表特征是槽、溝、波紋、圓孔和山谷等，還常常顯示方向性。還常常顯示方向性。 5.5 4 磨損腐蝕磨損腐蝕三、空泡腐蝕三、空泡腐蝕空泡腐蝕是由更高速（流速空泡腐蝕是由更高速（流速30m/s）液流和腐蝕的共同作）液流和腐蝕的

15、共同作用而產(chǎn)生的。如船舶的推進(jìn)器、渦輪片和泵葉輪等這類構(gòu)用而產(chǎn)生的。如船舶的推進(jìn)器、渦輪片和泵葉輪等這類構(gòu)件中的高流速?zèng)_擊和壓力突變的區(qū)域。件中的高流速?zèng)_擊和壓力突變的區(qū)域。發(fā)生空泡腐蝕時(shí)，材料表面空穴或汽泡的形成和破滅極其發(fā)生空泡腐蝕時(shí)，材料表面空穴或汽泡的形成和破滅極其迅速。在一個(gè)微小的低壓區(qū)，每秒種有迅速。在一個(gè)微小的低壓區(qū)，每秒種有2106個(gè)汽泡破滅，個(gè)汽泡破滅，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，壓力可達(dá)并產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，壓力可達(dá)410MPa。 四、微振腐蝕四、微振腐蝕 微振腐蝕是指兩種金屬相接觸的交界面在負(fù)荷的條件下，微振腐蝕是指兩種金屬相接觸的交界面在負(fù)荷的條件下，發(fā)生微小振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致

16、金屬的損壞。這種腐蝕使發(fā)生微小振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致金屬的損壞。這種腐蝕使金屬表面呈現(xiàn)麻點(diǎn)或溝紋，而這些麻點(diǎn)或溝紋的周圍是腐金屬表面呈現(xiàn)麻點(diǎn)或溝紋，而這些麻點(diǎn)或溝紋的周圍是腐蝕產(chǎn)物。蝕產(chǎn)物。 微振腐蝕常出現(xiàn)在受振動(dòng)的屐機(jī)部件，機(jī)車部件、螺栓、微振腐蝕常出現(xiàn)在受振動(dòng)的屐機(jī)部件，機(jī)車部件、螺栓、軸承與軸之間等，它不僅破壞金屬部件，而且還產(chǎn)生氧化軸承與軸之間等，它不僅破壞金屬部件，而且還產(chǎn)生氧化銹泥，使螺栓連接的設(shè)備發(fā)生粘接或松動(dòng)，振動(dòng)部位還會(huì)銹泥，使螺栓連接的設(shè)備發(fā)生粘接或松動(dòng)，振動(dòng)部位還會(huì)引起疲勞腐蝕。引起疲勞腐蝕。 選擇性腐蝕是指多元合金在腐蝕過程中，合金中較活潑的選擇性腐蝕是指多元合金在腐蝕過

17、程中，合金中較活潑的組元優(yōu)先溶解，使合金的機(jī)械強(qiáng)度降低，并失去金屬性能，組元優(yōu)先溶解，使合金的機(jī)械強(qiáng)度降低，并失去金屬性能，或者說，從一種固體合金中除去某一種元素的腐蝕稱為選或者說，從一種固體合金中除去某一種元素的腐蝕稱為選擇性腐蝕，也稱成分選擇性腐蝕。擇性腐蝕，也稱成分選擇性腐蝕。在多元合金中，電位較正的金屬元素為陰極，電位較負(fù)的在多元合金中，電位較正的金屬元素為陰極，電位較負(fù)的的金屬元素為陽極，構(gòu)成腐蝕電池，使電位較負(fù)的金屬發(fā)的金屬元素為陽極，構(gòu)成腐蝕電池，使電位較負(fù)的金屬發(fā)生溶解。生溶解。 比較典型的選擇性腐蝕是黃銅脫鋅和灰口鑄鐵的石墨化。比較典型的選擇性腐蝕是黃銅脫鋅和灰口鑄鐵的石墨化。另外還有硅青銅脫另外還有硅青銅脫Si；Co-W-Cr合金脫合金脫Co；Cu-Al合金脫合金脫Al；Cu-Ni合金脫合金脫Ni；青銅脫；青銅脫Sn等。等。 5.6 選擇性腐蝕選擇性腐蝕一、定義：一、定義：二、黃銅脫鋅的腐蝕形態(tài)有兩種：二、黃銅脫鋅的腐蝕