金属材料的应力腐蚀.doc

金属材料的应力腐蚀size=18金属材料的应力腐蚀金属材料的应力腐蚀开裂，是指在静拉伸力和腐蚀介质的共同作用下导致腐蚀开裂的现象。它与单纯由应力造成的破坏不同，这种腐蚀在极低的应力条件下也能发生；它与单纯由腐蚀引起的破坏也不同，腐蚀性极弱的介质也能引起腐蚀开裂。它往往是没有先兆的进展迅速的突然断裂，容易造成严重的事故。因此它是一种危害性极大的破坏形式。按照裂纹发展过程的电化学反应，可以把应力腐蚀分为两个基本类别：阳极反应敏感型和阴极反应敏感型。阳极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应力腐蚀裂纹的形成和发展过程是以裂纹处金属的阳极溶解为基础的，裂纹的成长速度也由金属阳极溶解速度决定。阴极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应反应过程中由于阴极吸氢而造成的脆性破坏，它也称为氢脆型应力腐蚀，也称氢脆。通常说的应力腐蚀，指的是阳极反应敏感型应力腐蚀。金属材料发生应力腐蚀的特征，可从四个方面说明1、应力产生应力俯视的应力主要是其中的静态部分，它可以是外加载荷或装配力（例如拧螺栓的力、胀接力等）引起的应力，也可以是构件在加工、热处理、焊接等过程中产生的内应力。不管来源如何，导致应力腐蚀开裂的应力必须有拉伸应力的成分，压缩应力是不会引起应力腐蚀开裂的。此外，这种应力通常是比较轻微的。如果不是在腐蚀环境中，这样小的应力是不会使构件发生机械性的破坏。构成破坏的应力值要根据材料、腐蚀介质等具体情况来确定。2、腐蚀介质产生应力腐蚀的材料和介质并不是任意的，只有二者是某种组合时才会发生应力腐蚀。引起普通钢应力腐蚀的腐蚀介质有：氢氧化物溶液；含有硝酸盐、碳酸盐、硫化氢的水溶液；海水，硫酸-硝酸混合液；融化的锌、锂；热的三氯化铁溶液；液氨。引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质有：酸性和中性的氯化物溶液；海水；熔融氯化物；热的氟化物溶液；日的氢氧化物溶液。3、材料一般认为极纯的金属不产生应力腐蚀破坏，只有在合金或含有杂质的金属中才会发生。4、破坏过程a.孕育阶段。这是在应力腐蚀裂纹产生前的一段时间，为裂纹的成核作准备。b.裂纹稳定扩展阶段。在应力和腐蚀介质的联合作用下，裂纹缓慢扩展c.裂纹失稳扩展阶段。这是最后的机械性破坏。另外，金属材料的应力腐蚀破裂还有一个特点是金属的开裂与金属本身厚度无关。常见的厚度大腐蚀也慢（均匀腐蚀）的情况在这里不适用。因此，靠增加金属厚度来延缓应力腐蚀破裂几乎是无效的。金属材料的应力腐蚀开裂，是指在静拉伸力和腐蚀介质的共同作用下导致腐蚀开裂的现象。它与单纯由应力造成的破坏不同，这种腐蚀在极低的应力条件下也能发生；它与单纯由腐蚀引起的破坏也不同，腐蚀性极弱的介质也能引起腐蚀开裂。它往往是没有先兆的进展迅速的突然断裂，容易造成严重的事故。因此它是一种危害性极大的破坏形式。按照裂纹发展过程的电化学反应，可以把应力腐蚀分为两个基本类别：阳极反应敏感型和阴极反应敏感型。阳极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应力腐蚀裂纹的形成和发展过程是以裂纹处金属的阳极溶解为基础的，裂纹的成长速度也由金属阳极溶解速度决定。阴极反应敏感型应力腐蚀，是指这类应反应过程中由于阴极吸氢而造成的脆性破坏，它也称为氢脆型应力腐蚀，也称氢脆。通常说的应力腐蚀，指的是阳极反应敏感型应力腐蚀。金属材料发生应力腐蚀的特征，可从四个方面说明1、应力产生应力俯视的应力主要是其中的静态部分，它可以是外加载荷或装配力（例如拧螺栓的力、胀接力等）引起的应力，也可以是构件在加工、热处理、焊接等过程中产生的内应力。不管来源如何，导致应力腐蚀开裂的应力必须有拉伸应力的成分，压缩应力是不会引起应力腐蚀开裂的。此外，这种应力通常是比较轻微的。如果不是在腐蚀环境中，这样小的应力是不会使构件发生机械性的破坏。构成破坏的应力值要根据材料、腐蚀介质等具体情况来确定。2、腐蚀介质产生应力腐蚀的材料和介质并不是任意的，只有二者是某种组合时才会发生应力腐蚀。引起普通钢应力腐蚀的腐蚀介质有：氢氧化物溶液；含有硝酸盐、碳酸盐、硫化氢的水溶液；海水，硫酸-硝酸混合液；融化的锌、锂；热的三氯化铁溶液；液氨。引起奥氏体不锈钢应力腐蚀的介质有：酸性和中性的氯化物溶液；海水；熔融氯化物；热的氟化物溶液；日的氢氧化物溶液。3、材料一般认为极纯的金属不产生应力腐蚀破坏，只有在合金或含有杂质的金属中才会发生。4、破坏过程a.孕育阶段。这是在应力腐蚀裂纹产生前的一段时间，为裂纹的成核作准备。b.裂纹稳定扩展阶段。在应力和腐蚀介质的联合作用下，裂纹缓慢扩展c.裂纹失稳扩展阶段。这是最后的机械性破坏。另外，金属材料的应力腐蚀破裂还有一个特点是金属的开裂与金属本身厚度无关。常见的厚度大腐蚀也慢（均匀腐蚀）的情况在这里不适用。因此，靠增加金属厚度来延缓应力腐蚀破裂几乎是无效的。氯离子引起的不锈钢容器的应力腐蚀作者：高建文 姚丹丹 王立群 在用奥氏体不锈钢制造的压力容器中，如果有氯化物溶液存在，也会产生应力腐蚀。这是由于溶液中的氯离子使不锈钢表面的钝化膜受到破坏，在拉伸应力的作用下，钝化膜被破坏的区域就会产生裂纹，成为腐蚀电池的阳极区，连续不断的电化学腐蚀最终可能导致金属的断裂。 这种腐蚀与氯离子的浓度关系不大，即使是微量的氯离子，也可能产生应力腐蚀。在实际生产中，有些设备并不是在正常操作条件下被腐蚀破坏的，而是在停车期间由于残留在容器中低浓度（5）的氯化物冷凝液，产生了应力腐蚀裂纹。也有因用含氯离子浓度较高的水进行耐压试验，结果残留在容器中的水被浓缩而生产应力腐蚀。 氯离子对奥氏体不锈钢的应力腐蚀，其裂纹通常是穿晶型的，并且多数是分枝状裂纹。多数腐蚀裂纹都产生在焊缝附近，这就充分说明焊接残余应力是一个重要的因素。不锈钢的腐蚀与耐腐蚀的基本原理发表于：2009-9-24 9:05:56 作者：金属受环境介质的化学及电化学作用而被破坏的现象即腐蚀。化学腐蚀的环境介质是非电解质（汽油、苯、润滑油等），电化学腐蚀的环境介质是电解质（各种水溶液）。电化学腐蚀是涉及电子转移的化学过程，该过程能否进行取决于金属能否离子化，而离子化的趋势可用金属的标准电极电位（0）来表示。由于碳化物、夹杂物，以及组织、化学成分和内部应力的不均匀等的作用，将促使各部分在电解液中产生相互间的电极电位差。电极电位差愈大，微阳极和微阴极间的电流强度愈大，钢的腐蚀速度也愈大，微阳极部分产生严重的腐蚀。在电化学腐蚀中能够控制腐蚀反应速度的现象称为极化，极化可使阳极与阴极参与反应的速度得到减弱和减缓。电解液中离子的缓慢移动、原子缓慢结合成气体分子或电解液中离子的缓慢溶解，都可能是极化的表现形式。反应面积、搅拌或电解液流动、氧气、温度等因素，都将影响极化的速度。用极化技术与临界电位可衡量金属与合金在氯化物溶液中点腐蚀与缝隙腐蚀的敏感性。当不锈钢与异种金属接触时，需考虑电化学腐蚀。但若不锈钢是正极，则不会产生电流腐蚀。钝化状态金属的耐腐蚀性取决于铬含量、环境中的氯化物和氧含量以及温度。某些元素（如氯）可以击穿钝化膜，造成钝化膜不连续处的金属被腐蚀，故使用钝化状态金属的用户应特别注意点腐蚀、应力腐蚀开裂、敏化以及贫氧腐蚀等。为了提高不锈钢的耐腐蚀性能，其应易处于钝化状态（必要条件），钝化后腐蚀电流密度要低（腐蚀速度），钝化状态的电位范围要宽（相对稳定性）。对于含镍材料来说，腐蚀有两种主要形式：一种是均匀腐蚀，另一种是局部腐蚀。在海洋大气中的铁锈就是一种一般或均匀腐蚀的典型例子。此处金属在其整个表面上均匀地被腐蚀。在这种情况下，钢表面形成疏松层，这层腐蚀产物很容易去除。另一方面，像合金400这种耐腐蚀性较好的金属，它们在海洋大气中表现出良好的均匀抗腐蚀性。这是由于合金400可形成一种非常薄而坚韧的保护膜。均匀腐蚀是一种最容易处理的腐蚀形式，因为工程师可以定量地确定金属的腐蚀率并可精确地预测金属的使用寿命。不锈钢耐腐蚀性机理：在不锈钢表面形成明显的Cr2O3薄膜，O和Cr的含量有最低要求（10.5%）以获得连续的保护性薄膜，以抑制侵蚀的发生。若保护性薄膜被损坏，它可以自然恢复。氧化膜的抗腐蚀性能取决于Mo、Ni、Cr、及N的含量。提高Cr含量可以提高不锈钢的抗侵蚀性和当Cr2O3薄膜被损坏时增强了其自修复能力。Cr2O3薄膜对基体结构（铁素体或奥氏体）没有任何影响。蚀斑：在较高温度范围内处于氯化物、氟化物或氧化性溶液中，最初产生在夹杂物、表面损伤等保护膜不连续表面，而后将产生穿孔或形成新的保护膜（除去腐蚀物质和冲洗过的部分）。主要产生于海边环境、盐水、海水或高氧化性溶液环境。为此，需除去或减少氯、氟含量，加强冲洗维护，提高铬、钼含量。缝隙腐蚀：在氯化物、氟化物或硫环境中，最初存在缝隙且氧极少，导致产生腐蚀直至缝隙扩展、裂开。主要产生于接缝、焊缝或附着物之下。为此，需消除缝隙和避免搭接，采用腐蚀抑制剂，不透水密封，提高铬、钼含量。由局部腐蚀而引起的破坏是很难预测的。因而，设备的寿命也不能精确地预计。这里给出几种局部腐蚀的例子。第一例是电化学腐蚀。当两种或多种不同的金属在某种导电液（电解液）存在条件下接触和连接时，电化学腐蚀就发生了。此时，两种金属间建立了势能差，同时电流将流动。电流会从抗腐蚀能力较差的金属（即阳极）流向抗腐蚀能力较强的金属（即阴极）。腐蚀由阴极上的反应情况而控制，如氢气的生成或氧气的还原。 如果某一大的阴极面与某一小的阳极面相连接时，阳极和阴极之间即会产生大的电流流动。这种情况必须避免。另一方面，当我们将此情况颠倒一下，即让某一大的阳极面与小的阴极面相连接时，两种金属之间则会产生小的电流流动。这种情况是我们所期望的。 在实用指南中，我们将位于某一容器或槽中的焊接金属接点设计为阴极。紧固件装置是这样设计的，即将阴极紧固件（小面积）与阳极件（大面积）连接在一起。此概念的例子是将钢板用铜铆钉铆接在一起并暴露在流动速度低的海水中，铜质固定件为小的阴极面，而钢板为大的阳极面。这种设计是非常便利的，而且可产生良好的相容性。 另一方面，如果相反进行连接，即用钢铆钉来固定铜板，则在钢铆钉上会产生非常快的腐蚀。此时，铜板则由于钢的腐蚀而被阴极保护。有趣的是在这种情况下，铜离子的释放被停止，铜板将被海水中的有机物缠结。通常，铜的腐蚀可阻止缠结有机物的附着。在电厂设计中，电化学腐蚀是非常重要的，而且不应被忽视。第二个局部腐蚀的例子是浸蚀腐蚀。一块石头有可能堵塞在某一铜合金冷凝器的管子中。此时，石头的下游方向将立即产生紊流现象。这就会引起对铜保护氧化膜的浸蚀或磨损，并使未保护的铜合金金属暴露，以致产生进一步的腐蚀。这种循环趋于继续加剧浸蚀和腐蚀，直至造成管子穿孔为止。浸蚀腐蚀可通过采用良好的隔离技术来防止。电厂技术人员常碰到的第三种局部腐蚀形式是缝隙腐蚀。缝隙腐蚀：是指在金属构件缝隙处发生斑点状或溃疡形的宏观蚀坑，当金属表面出现某种沉淀或附着物时产生，是局部腐蚀的一种形式，它可能发全于溶液停滞的缝隙之中或屏蔽的表面内。间隙类型（金属-金属、金属-异种金属）、间隙深度、内外面积比等几何尺寸因素，氧含量、氧离子浓度、PH值、温度、扩散与对流、微生物等环境因素，金属溶解、氧消耗、氢产生等电化学反应，金属组织不纯、表面氧化、钝化膜的特性等冶金因素，都将影响间隙腐蚀的发生与扩散。正好在沉淀物下面或缝隙内，溶液中的氧含量是低的，在缝隙的外面大量溶液中的氧含量很高，这就建立了一个电池，其沉淀物下或缝隙中是阳极而其外面是阴极。含氯化物介质的缝隙的内部，PH值下降而氯化物浓集。这种酸性氯化物条件导致腐蚀加快并且是自动起媒介作用的。接着便发生了严重的局部腐蚀。这样的缝隙可以在金属与金属或金属与非金属的接合处形成，例如，在与铆钉、螺栓、垫片、阀座、松动的表面沉积物以及海生物相接烛之处形成。缝隙腐蚀可以在螺栓头或垫圈作为阳极区时发生。防止沉淀物和结垢生成或使用高合金含量的材料将有助于减少缝隙腐蚀。点腐蚀（第四种局部腐蚀形式）是指在金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微而分散发生高度的局部腐蚀，常见蚀点的尺寸小于1.00mm，深度往往大于表面孔径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。点蚀与缝隙腐蚀相似，尤其是在扩展阶段。与缝隙腐蚀不同的是，点蚀在金属表面没有缝隙出现的情况下也可产生。与缝隙腐蚀相同的是，点蚀也是由于特殊的腐蚀剂如氯化物而造成的。它通常是由于金属表面上的某个缺陷而引起的。例如，在不锈钢或镍合金保护性氧化层中的某个缺陷。与焊接有关的缺陷，如杂质（MnS，可通过降低Mn、S含量，加入Ti、Zr等方法消除）、第二相（-铁素体、相）、电弧冲击处、飞溅物点蚀可通过采用抗腐蚀能力高的合金或消除引起点蚀的化学元素的方法来防止。一旦两种形式的腐蚀开始，则点蚀和缝隙腐蚀的扩展情况是相同的。金属离子，如不锈钢的铁离子，反应并形成亚铁离子。亚铁离子进一步氧化成三价铁离子。氯化物试图转移到坑或缝隙区内并且PH值降低至大约1或更低。在该区中氧含量很低。在坑或缝隙的外面大量溶液中，氧含量很高。 随着坑的底部趋于阳极化，坑或缝隙的周围区趋于阴极化，于是电池电流的关系即被形成。当坑或缝隙中的腐蚀进一步扩展时，则变为自催化反应。三价铁离子与氯离子作用形成氯化铁。该反应不断重复并快速产生金属穿孔现象。点腐蚀发生的氯离子浓度较高，而间隙腐蚀在较低的氯离子浓度下也会发生。点蚀或缝隙腐蚀是一种非常危险的腐蚀形式，因为它高度局部化并能快速造成金属的穿透破坏。第五种局部腐蚀形式即应力腐蚀开裂（SCC）指承受应力的合金在腐蚀性环境中由于烈纹的扩展而互生失效的一种通用术语，其常见钢种包括不含Ti、Nb的18-8型和17-12-Mo型钢、超低碳不锈钢。在此情况下，金属表面上形成疏松、片状的腐蚀层。即使低速流动也会将腐蚀物的疏松层很容易地除去。于是，新的未腐蚀的金属又被暴露出来，从而将形成许多另外的片状层。再一次重复，这些片状层被很容易地除去并且过程在继续进行着。使用不易起化学反应的合金可以避免剥落腐蚀。应力腐蚀分为穿晶应力腐蚀和晶间应力腐蚀。穿晶应力腐蚀主要发生在含氯离子介质中，很少发生在氢氧化物介质中；晶间应力腐蚀发生在一般的水溶液介质中。应力腐蚀的影响因素主要是氯离子水溶液和碱性溶液（120以上会产生应力腐蚀）。氯离子应力腐蚀的影响因素有：材质、组织和状态、氯离子浓度（30010-6以上会产生应力腐蚀，小于2010-6不会发生应力腐蚀）、氧含量、温度（75以上会产生应力腐蚀，低于50不会产生应力腐蚀）、PH值、应力大小。应力腐蚀开裂具有脆性断口形貌，但它也可能发生于韧性高的材料中。Ni含量在812时发生应力腐蚀的倾向性最大。发生应力腐蚀开裂的必要条件是要有拉应力（不论是残余应力还是外加应力，或者两者兼而有之）和特定的腐蚀介质存在。型纹的形成和扩展大致与拉应力方向垂直。这个导致应力腐蚀开裂的应力值，要比没有腐蚀介质存在时材料断裂所需要的应力值小得多。在微观上，穿过晶粒的裂纹称为穿晶裂纹，而沿晶界扩图的裂纹称为沿晶裂纹，当应力腐蚀开裂扩展至其一深度时（此处，承受载荷的材料断面上的应力达到它在空气中的断裂应力），则材料就按正常的裂纹（在韧性材料中，通常是通过显微缺陷的聚合）而断开。因此，由于应力腐蚀开裂而失效的零件的断面，将包含有应力腐蚀开裂的特征区域以及与已微缺陷的聚合相联系的“韧窝”区域。第六种局部腐蚀形式为选择性浸出或脱合金成分腐蚀。在此情况下，一种元素，通常为最不易起化学作用的元素，被腐蚀介质有选择地去除而留下一个机械薄弱区。典型的例子是蒸汽和水介质中黄铜的脱合金化。它可取名为失锌现象，这里锌被有选择地去除而铜又被重新镀在金属表面上。这种形式的腐蚀现在已很少见到，它可通过采用不易经受脱合金化的合金来防止。晶间腐蚀（第七种形式）出现于某些特殊的合金中，通常当它们在焊接或热处理期间加热到其敏感温度区时即可能会发生晶间腐蚀。晶粒间界是结晶学取向不同的晶粒间紊乱错合的界城，因而，它们是钢中各种溶质元素偏析或金属化合物（如碳化物和相）沉淀析出的有利区城。当诸如某些不锈钢合金加热到425-870，铬的碳化物即会在晶粒边界析出。导致碳化物附近出现贫铬区同时影响晶界区的钝化性。在特殊介质中，如硝酸或高温水中，可能出现低铬区的溶蚀现象。晶粒是以一种砂糖似的表面出现的。当用一取样器擦过时，它们很容易被擦掉。不锈钢和镍合金的晶间腐蚀可以通过采用低碳合金、加入碳化物形成元素如钛或铌，或利用稳定化退火来使之避免。晶间腐蚀是一种有选择性的腐蚀破坏，它与一般选择性腐蚀不同之处在于，腐蚀的局部性是显微尺度的，而宏观上不一定是局部的。晶界上优先腐蚀，虽然外观上保持着金属光泽，但晶粒间渐渐失去联系以致晶粒脱落。晶间腐蚀的影响因素：金属的化学成分和金相组织。含碳量愈高，愈易产生晶间腐蚀。铁素体的存在可以防止晶间腐蚀，但晶粒度过大则会加速晶间腐蚀。焊前钢材的受热情况，若钢材受过550850的预热，则易发生晶间腐蚀。焊接、使用过程中存在应力。在中等氧化性环境中易产生晶间腐蚀。为此，应选用稳定性好的低碳不锈钢，极低含碳量和较高钛、铌、钽、锆含量的焊接材料，但该种焊缝强度低且易产生热裂。应力腐蚀裂纹（SCC）是第八种局部腐蚀形