第七章應力作用下的腐蝕

1、第七章 應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，常常在機械應力機械應力和腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)共同作用下，在遠低于屈服強度或抗拉強度的條件下發(fā)生突然的、沒有預兆的腐蝕破壞。機械應力狀態(tài)拉伸應力交變應力摩擦力振動力不同狀態(tài)的力與介質(zhì)作用造成的腐蝕形態(tài)也各有特點。 金屬構(gòu)件的腐蝕-機械破壞可分為應力腐蝕破裂、腐蝕疲勞、腐蝕磨損、氫致開裂等。在這些腐蝕破壞中，最主要的是應力腐蝕破裂應力腐蝕破裂。 第一節(jié)第一節(jié) 應力腐蝕破裂應力腐蝕破裂應力腐蝕破裂是指材料在固定拉應力和腐蝕介質(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力，但是大小可以變化。腐蝕和應力是相互促進，不是簡單疊加 ，兩者缺

2、一不可 。應力腐蝕破裂簡稱應力腐蝕，國外稱之為SCC (Stress Corrosion Cracking 的縮寫)。 一、應力腐蝕破裂特征一、應力腐蝕破裂特征（1）產(chǎn)生應力腐蝕破裂必須同時具備下列三項條件：特定的合金成分結(jié)構(gòu)，足夠大的拉應力以及特定的腐蝕介質(zhì)。即對于某一特定材料而言，不存在應力時，單純的腐蝕作用不會產(chǎn)生這類腐蝕，單純的應力作用也不會產(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)生應力腐蝕破裂，其中起主要作用的是陰離子、絡合離子。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）只有拉應力能引起應力腐蝕破裂

3、，拉應力越大，斷裂時間越短。壓應力不發(fā)生應力腐蝕。宏觀上破裂方向與拉應力垂直，拉應力包括工作應力、殘余應力以及腐蝕產(chǎn)物的楔入應力等。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，則加速應力腐蝕破裂的進行。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不銹鋼耐應力腐蝕性能極有害。N N、P P、S S、MnMn元素元素一般認為，N、P、S、Mn對Cr-Ni不銹鋼應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不銹鋼的耐應力腐蝕破裂性能。對鈦合金，降低它的含氧量和含Al、Sn，同時加入適量的Nb 、Ta、V有利于提高其抗應力腐蝕性能。在二元或三元鋁合金中加入少量的Cr、Mn、Zr、Ti、V、Ni和Li能減低應力腐蝕敏感性。對黃銅，加入少量的Fe、Sn、Mn、Si、Al、Cd、Pd促進產(chǎn)生應力腐蝕。而對鋁青銅加入Ni2%和Si0.5%0.75%具有良好的耐應力腐蝕性能；添加Sn和Ag均為0.35%時可防止晶間破裂。對鎂合金，當Al為3%10%，Al與Zn之比大于或等于2時，提高應力腐蝕敏感性；增加Fe和Cu加速腐蝕破裂；不含Al的合金在水中很少發(fā)生應力腐蝕破裂。3介質(zhì)因素 介

5、質(zhì)對應力腐蝕的影響相當復雜，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，在一定應力作用下，有一個對應于腐蝕最敏感的濃度范圍。如圖示出，在245Mpa的應力作用下，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)量分數(shù)分別為42%和45%。溫度不同金屬在同一介質(zhì)中，引起應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)生應力腐蝕。一般，溫度升高，應力腐蝕破裂容易發(fā)生，但溫度過高，由于全面腐蝕，從而抑制了應

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

7、，使表面應力降低或松弛，可提高應力腐蝕性能。 3正確選擇材料 應選擇在給定環(huán)境中不發(fā)生應力腐蝕的材料，采用冶煉新工藝減少材料中的雜質(zhì)，提高純度；通過熱處理改變組織、消除有害物質(zhì)的偏析、細化晶粒等，均可減少材料應力腐蝕敏感性。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，避免反復加熱、冷卻；使用緩蝕劑、涂覆保護層；進行適當?shù)仉娀瘜W保護方法避免進入三個應力腐蝕破裂敏感的電位區(qū)間，可減少和防止應力腐蝕的發(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 。一：腐蝕疲勞定義一：腐蝕疲勞定義 循環(huán)應力循環(huán)應力與

8、腐蝕介質(zhì)腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用而開裂。循環(huán)應力循環(huán)應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度正常疲勞強度。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：腐蝕疲勞的特點二：腐蝕疲勞的特點(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)時就會發(fā)生。(3)金屬的腐蝕疲勞強度與抗拉強度之間無明顯的比例關(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：腐蝕疲勞機理三：腐蝕疲勞機理 在循環(huán)應力作用下，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)生點蝕坑(疲勞源); (2) 應力作用下, 點蝕坑發(fā)生滑移, 形成滑移臺階; (3) 滑移臺階上發(fā)生陽極溶解; (4) 反方向應力作用下, 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 力學因素的影響：應力交變速度越大，則裂紋的擴展速度越慢，金屬可以經(jīng)受更長的應力循環(huán)。當應力交變速度降低時，一般使裂紋擴展速度加快。 材料因素的影響：耐蝕性較高的金屬對腐蝕疲勞的敏感性較小，耐蝕性較差的金屬對腐蝕疲勞的

10、敏感性較大。 環(huán)境因素的影響：一般來說，介質(zhì)的腐蝕性越強，腐蝕疲勞強度越低。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展速度明顯降低，甚至接近空氣中的疲勞強度。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）通過表面涂層和鍍層改善材料的耐腐蝕性。（三）電化學保護。（四）通過氮化、噴丸和表面淬火等表面硬化處理，使壓應力作用于材料表面，對提高材料抗腐蝕疲勞性能有益。（五）使用緩蝕劑進行保護。 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)和金屬表面的相對運動引起金屬的加速

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劇烈, 加速腐蝕劑供應和腐蝕產(chǎn)物移動, 液體切應力, 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：在流動的液體中，當局部區(qū)域的壓力因某種原因而突然下降

12、至與該區(qū)域液體溫度相應的氣化壓力以下時，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）。沸點與壓強的關(guān)系沸點與壓強的關(guān)系壓強與流速的關(guān)系壓強與流速的關(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/液體界面在負荷條件下發(fā)生微小振動或往復運動而導致腐蝕破壞，表面呈麻點或溝紋。摩振腐蝕又稱震動腐蝕、微動腐蝕、摩擦氧化。在機械裝置、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，流速對不同金屬的腐蝕起不同的作用，在達到臨界速度之前可能沒有影響或上升

13、很慢，當達到某一臨界值時發(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）合理設計，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； （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入金屬內(nèi)部而引起韌性和抗拉強度的下降由于氫進入金屬內(nèi)部而使金屬局部變形高溫下合金中的組分與氫反應二、金屬中氫的進入與存在形式內(nèi)氫內(nèi)氫是指由冶煉、鑄造、熱處理、酸洗、電鍍、焊接、陰極充氫等過程中引入的氫。外氫外氫是材料在使用過程中，由

14、外界環(huán)境引入的氫。外氫是通過下列途徑，在金屬材料表面產(chǎn)生活性氫原子，然后進入金屬內(nèi)部。（1） 、 等與金屬接觸時，氫分子通過物理和化學吸附在金屬表面上，發(fā)生分解產(chǎn)生活化氫原子H。 2H2H S1 1氫的進入氫的進入 氫損傷是氫與材料交互作用導致材料塑性及韌性下降的一種現(xiàn)象，氫的來源可分為內(nèi)氫和外氫兩種。（2）水溶液腐蝕時陰極析出氫，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^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、氫損傷的機理氫脆理論氫脆理論：氫脆是指由于氫擴散到金屬中以固溶態(tài)存在或生成氫化物而導致材料斷裂的現(xiàn)象。第一種理論：原子氫與位錯交互作用機理。第一種理論：原子氫與位錯交互作用機理。該理論認為，因各種原因進入金屬內(nèi)部的氫原子存在于點陣的空隙處，在應力作用下，氫原子會向缺陷或裂紋前線的應力集中區(qū)擴散，阻礙了該地區(qū)的位錯運動，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。該理論認為，當點陣中氫超過固溶度時，金屬中過飽和的一部分氫就會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，當壓力超過材料的破壞應力時就會產(chǎn)生裂紋，導

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。該理論認為，金屬或合金中某些元素與氫或氫化物發(fā)生反應，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)氫和限制外氫的進入，提高金屬及合金的耐氫損傷能力。對含氫鋼可進行必要的脫氫處理，以消除氫脆?？蛇x用耐氫脆合金，通常較易產(chǎn)生氫脆的材料是高強鋼，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膜，阻止氫向鋼內(nèi)部擴散，可減少氫脆敏感性；加入低氫過電位金屬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)氫可通過改善熱處理、焊接、電鍍、酸洗等工藝條件，以減少氫進入鋼內(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，或生成的腐蝕產(chǎn)