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1、第7章 应力作用下的腐蚀,金属构件通常在应力(内应力、负荷)与环境介质的联合作用下工作，因而金属材料会遭受严重的破坏。由于受力状态的不同(如拉伸应力、交变应力、振动力及摩擦力等)，与介质作用造成的腐蚀破坏形态是多种多样的。常见的有应力腐蚀断裂、腐蚀疲劳、磨损腐蚀、湍流腐蚀、空泡腐蚀和微振腐蚀。此外，金属由于氢的存在或与氢反应也可引起机械性破坏，破坏形式有脱碳、氢鼓泡、氢腐蚀、氢脆，统称氢损伤。,7.1 应力腐蚀断裂,7.1.1 应力腐蚀断裂产生的条件及特征 应力腐蚀断裂是指金属结构在拉伸应力和腐蚀环境的共同作用下引起的断裂。两者缺一不可，相互促进，但并不是简单的加合。应力腐蚀断裂是危害最大的腐
2、蚀形态之一。它是一种“灾难性的腐蚀”，例如飞机失事、桥梁断裂、油气管的爆炸等，危害极大。工程上常用的奥氏体不锈钢、铜合金、钛合金及高强度钢和高强度铝合金等，对应力腐蚀都很敏感。这些材料即使在腐蚀性不太严重的环境，如含有少量C1-的水、有机溶液、潮湿大气及蒸馏水中，也会引起强烈的应力腐蚀断裂。近20年来，随着宇航工业、原子能工业、化工和石油工业的飞速发展，应力腐蚀断裂已成为腐蚀研究的主要领域之一。,拉伸应力可能来源。,(1) 合金零件、部件、构件在冷加工、锻造、焊接、热处理、装配过程中产生的残余应力，据报导，由于残余应力造成的腐蚀断裂故障占应力腐蚀断裂总数的40。 (2) 工作时产生的外应力和使
3、用中的载荷等。 (3) 由于腐蚀产物的体积效应(腐蚀产物的体积往往大于其金属的体积)而造成的不均匀应力。,环境因素,发生应力腐蚀断裂有三个电位区(敏感电位区)，如图7-1所示的区域1、2、3，即活化阴极保护电位过渡区，活化钝化电位过渡区，以及钝化过钝化电位过渡区。,应力腐蚀断裂的特征,(1) 金属在无裂纹，无蚀坑或缺陷的情况下，应力腐蚀断裂过程可分为三个阶段。萌生阶段，即由于腐蚀引起裂纹或蚀坑的阶段，也就是导致应力集中的裂纹源的生核孕育阶段，可称作孕育期(诱导期)。接着为裂纹扩展阶段，即由裂纹源或蚀坑到达到极限应力值(单位面积所能承受最大载荷)为止的这一阶段。最后是失稳断裂阶段。前一阶段受应力
4、影响很小，时间长，约占断裂总时间的90，后两阶段时间短，为总断裂时间的10。 在有裂纹的情况下，应力腐蚀断裂过程只有裂纹扩展和失稳快速断裂两个阶段。 可见，应力腐蚀断裂可能在很短时间内发生，但也可能几年后才发生。,(2) 金属和合金腐蚀量很微小，腐蚀局限于微小的局部。同时产生应力腐蚀断裂的合金表面往往存在钝化膜或保护膜。 (3) 裂纹方向宏观上和主拉伸应力的方向垂直，微观上略有偏移。 (4) 宏观上属于脆性断裂，即使塑性很高的材料也是如此。微观上，在断裂面上仍有塑性流变痕迹。 (5) 有裂纹分叉现象。断口形貌呈海滩条纹、羽毛状、撕裂岭、扇子形和冰糖块状图像。 (6) 应力腐蚀裂纹形态有沿晶型、
5、穿晶型和混合型，视具体合金环境体系而定。例如，铝合金、高强度钢多半是沿晶型的，奥氏体不锈钢多半是穿晶型的，而钛合金为混合型的。即使是同种合金，随着环境、应力大小的改变，裂纹形态也会随之改变。,7.1.2 应力腐蚀断裂机理,应力腐蚀断裂是一个非常复杂的问题，影响因素众多，关于它的机理迄今还没有统一而完整的说法。不仅对不同腐蚀体系观点不一，就是对同一体系见解也不一致。目前提得较多的是阳极溶解理论，滑移溶解理论，膜破裂理论，氢脆理论及应力吸附理论等等。 快速溶解理论,金属材料在应力和腐蚀的协同作用下，局部位置产生微裂纹。这种窄纹在形成阶段并非真正“破裂”，而是裂纹的前沿金属产生快速溶解。,金属裂纹的
6、外表面(C)是阴极区，进行阴极反应，如：O2+2H2O+4e 4OH- 2Cu(NH3) 42+H2O+2e Cu2O+2NH4+2NH3(黄铜在氨液中),金属裂纹的外表面(C)是阴极区，进行阴极反应，如：O2+2H2O+4e 4OH- 2Cu(NH3) 42+H2O+2e Cu2O+2NH4+2NH3(黄铜在氨液中),金属裂纹的外表面(C)是阴极区，进行阴极反应，如：O2+2H2O+4e 4OH- 2Cu(NH3) 42+H2O+2e Cu2O+2NH4+2NH3(黄铜在氨液中),金属裂纹的外表面(C)是阴极区，进行阴极反应，如：O2+2H2O+4e 4OH- 2Cu(NH3) 42+H2O
7、+2e Cu2O+2NH4+2NH3(黄铜在氨液中) 裂纹的前沿是阳极区，构成了大阴极小阳极的应力腐蚀电池。,应力腐蚀断裂是由裂纹尖端(A*)的快速溶解引起的。这是因为，裂纹侧面(A)由于具有一定的表面膜(氧化膜)，使溶解受到抑制，只具有很小的溶解速度。而裂纹尖端前沿区因受到的局部应力集中，产生迅速形变屈服，由于在这范性形变过程中金属晶体的位错连续地前沿表面，产生为数甚大的瞬间活性点，使裂纹前沿具有非常大的溶解速度。 至于裂纹的形成源，Hoar等认为可能是由于金属表面存在的晶界、亚晶界、露头的位错群、滑移带上位错堆积区；淬火、冷加工造成的局部应变区；或异种杂质原子造成的畸变区以及所谓堆垛层错区
8、等。这些区域在一定条件下都可能构成裂纹的形成源，优先产生阳极溶解，并向纵深发展。,实例：中国版本的“黑鹰坠落”,7.1.3 防止应力腐蚀断裂的措施,1降低或消除应力 (1) 改进结构设计，避免或减少局部应力集中。对应力腐蚀事故分析表明，由残余应力引起的比例最大，因此在加工、制造、装配中应尽量避免产生较大的残余应力。结构设计应尽量避免缝隙和可能造成腐蚀液残留的死角，防止有害物质(如Cl-、OH-)的浓缩。 (2) 消除应力处理：减少残余应力可采取热处理退火、过变形法、喷丸处理等方法。其中消除应力退火是减少残余应力的最重要手段，特别是对焊接件，退火处理尤为重要。 (3) 按照断裂力学进行结构设计：
9、由于构件中不可避免地存在着宏观或微观裂纹和缺陷，因此用断裂力学进行设计比用传统力学方法具有更高的可靠性。在腐蚀环境下，预先确定材料的KISCC、dadt等参数，根据使用条件确定构件允许的临界裂纹尺寸ac，具有重要的实际意义。,2控制环境 (1) 改善使用条件：每种合金都有其应力腐蚀敏感介质。减少和控制这些有害介质的量是十分必要的。由于应力腐蚀与温度有很大关系，故应控制环境温度，在条件允许时应降低温度。减少内外温差、避免反复加热、冷却，可防止热应力带来的危害。介质的pH值和氧含量对不同材料环境体系都有着一定的影响。一般说来，降低氧含量、升高pH值是有益的。 (2) 加入缓蚀剂：每种材料环境体系都
10、有某些能抑制或减缓应力腐蚀的物质，这些物质由于改变电位、促进成膜、阻止氢的侵入或有害物质的吸附、影响电化学反应动力学等原因而起到缓蚀作用，因而可防止或减缓应力腐蚀。 (3) 保护涂层：使用有机涂层可使材料表面与环境隔离，或使用对环境不敏感的金属作为敏感材料的镀层，都可减少材料的应力腐蚀敏感性。 (4) 电化学保护：由于应力腐蚀发生在三个敏感的电位区间，理论上可通过控制电位进行阴极或阳极保护，防止应力腐蚀。但对不同体系要具体分析，分别对待。,3改善材质 (1) 正确选材：尽量选择在给定环境中尚未发生过应力腐蚀断裂的材料，或对现有可供选择的材料进行试验筛选，择优使用。 (2) 开发耐应力腐蚀的新材
11、料。 (3) 冶炼和热处理工艺：采用冶金新工艺，减少材料中的杂质，提高纯度，通过热处理改变组织，消除有害物质的偏析、细化晶粒等，减少材料应力腐蚀敏感性。,7.2 金属的氢脆和氢损伤,氢对很多金属的力学性能有着显著的影响。它能使金属材料的塑性和断裂强度显著降低，使设备和构件遭到严重破坏，以至发生事故。由于氢的存在或与氢发生反应而引起金属设备破坏称为金属的氢损伤。根据氢引起金属破坏的条件、机理和形态，可分为脱碳、氢腐蚀、氢鼓泡和氢脆四类。前两类指的是在高温气体氢环境中引起金属的氢损伤。脱碳常常发生在高温湿气的环境中，它是一种化学性腐蚀。,7.2.1 氢的来源及在金属中的存在形式,氢来源 一是内氢，
12、即由冶炼（冶炼过程中炉内的水分分解可产生氢，钢中的“白点”和铝合金中出现的“亮片”皆由此引起）、焊接（焊条药皮中含有水分和含氢物质，焊接时会分解成氢进入金属）、酸洗（酸洗时除了氧化皮溶解外，还会发生金属与酸的电化学作用，阴极区析出氢，其中一部分氢原子进入金属。）、电镀（析氢）、阴极充氢等过程，致使金属内部含有氢； 二是外氢，即在氢气或致氢气体(如H2S、H2O等)中工作（致氢气体(如H2、H2S和H2O等)可在金属表面分解成原子氢而进入金属。如石化工业中的输油气管线、反应塔等其受力件是在含氢或H2S气体中工作，因氢进入金属而引起氢脆。），或由腐蚀的阴极过程引入氢。,氢的存在形式,氢可以H-、H
13、、H+、H2、金属氢化物、固溶体、碳氢化合物等形式存在于金属中，也可与位错结合形成气团(H)而存在。当氢与碱金属(如Li、Na、K)或碱土金属作用时，可形成氢化物(如NaH)。在这类化合物中Na+和H-以离子键方式结合在一起，氢以H-形式存在。另一种观点认为，过渡族金属的d带没有填满，当氢原子进入金属后，分解为质子和电子，即H H+e。氢的1s电子进入金属的d带，氢以质子状态存在于金属中。当金属d带填满后，多余的氢将以原子状态存在。也有观点认为，氢原子具有很小的原子半径(0.053nm)，能处于点阵的间隙位置，如Fe的四面体间隙和Fe的八面体间隙。最近，有的研究者又提出电子屏蔽概念。认为氢以原
14、子态“H+e”存在于金属中，或者说氢以“屏蔽的离子”即穿有“电子外衣”的离子状态存在于金属中。 氢溶解在金属中可形成固溶体，氢在金属中的溶解度与温度和压力有关。氢在金属中如果超过固溶度，可形成分子氢(H2)、金属氢化物、氢原子气团三类化合物。,7.2.2 氢的传输,氢在金属中是以点阵扩散、应力诱导扩散及氢的位错迁移等方式进行传输的。 氢原子处在金属点阵的间隙位置，它从一个间隙位置跳到另一个间隙位置的过程就是氢的扩散。金属表面富集氢后与金属内部构成一定的浓度梯度，则氢会向金属内部扩散。 氢在应力梯度作用下通过应力诱导扩散，将向高应力区聚集(Corsky效应)。高应力区氢浓度远远超过整体的氢浓度，
15、三向应力愈高，该处氢浓度就愈大。在缺口或裂纹前端存在着应力集中，有很大的三向拉应力梯度，故氢将通过应力诱导扩散富集在裂纹前端。 位错可捕获氢，是氢的陷阱，会影响氢的点阵扩散，当存在塑性变形时，位错可以迁移氢。因为，氢在金属中扩散很快，当位错运动时，氢气团(H)可以跟着位错一起运动。当异号位错相遇时，位错抵消。这时位错上氢气团中的H将被附近的陷阱所捕获，导致点阵中局部地区氢浓度升高。,第一类氢脆的敏感性随应变速率增加而增高；第一类是在材料加负荷之前已经在内部存在某种氢脆源，在应力作用下加快了裂纹的形成及扩展。 属于这类氢脆的有氢腐蚀、氢鼓泡、氢化物型氢脆。这三种氢损伤造成金属永久性损伤，使材料的
16、塑性或强度降低。即使除氢，塑性或强度也不能恢复，故称为不可逆氢脆。 第二类氢脆的敏感性随应变速率增加而降低。第二类则不同，它是在加负荷之前并不存在断裂源，而是在应力作用下由于氢与应力的交互作用逐步形成断裂源而导致脆性断裂。 第二类氢脆有两种：一种是不可逆氢脆，另一种是可逆氢脆。含有过饱和状态氢的合金在应力作用下析出氢化物而造成脆断。此类氢脆对应力是不可逆的，因此称为不可逆氢脆。处于固溶状态的氢的合金在慢速变形情况下产生的脆性断裂，它对应力是可逆的，故称为可逆氢脆。不可逆氢脆实际上也是一种氢化物氢脆，其氢脆形式与氢化物型氢脆完全相同。其所以称为不可逆氢脆是因为当去掉载荷后再进行高速变形时，塑性不能恢复。当然由于氢的扩散速度较大，在高温淬火时也不可避免地会产生部分氢化物。在这种情况下氢脆既表现在快速变形中，也表现在慢速变形中。,7.2.3 氢脆和氢损伤的类型,通常所说的氢脆主要是指由于内氢或外氢(环境氢)所引起的可逆氢脆。 含氢
