金属腐蚀失效分析4.doc

金属腐蚀失效分析46.2.7 氢损伤氢损伤指的是金属材料由于含有氢或与氢相互作用而导致力学性能变坏的现象。按照氢损伤发生的温度条件可以分为氢脆与氢腐蚀；按照氢损伤是否可以通过消氢处理恢复材料原来的力学性能分为可逆与不可逆氢损伤。 氢脆。氢脆可以包括氢压裂纹（钢中白点、H2S诱发裂纹、焊接冷裂纹和充氢或酸洗裂纹）、和氢致滞后断裂等。图23和图24是低合金钢的氢脆断口形貌。图23 16MnR氢致混合断口 图24 16MnR氢致断口表面的氢鼓泡 氢致相变导致的氢脆。很多金属能形成稳定的氢化物。氢化物是一种脆性中间相，一旦有氢化物析出，材料的塑性和韧性就会下降，即氢化物析出导致材料变脆。氢化物脆、氢致马氏体相变是一种氢致相变引起的氢脆。大量实验表明，不稳定型奥氏体不锈钢在电解充氢时会发生氢致马氏体相变，形成相或/相马氏体，一般认为，氢致马氏体相变的本质和冷加工诱发马氏体相变相同。氢还能使奥氏体的层错能下降。图25是不稳定型奥氏体不锈钢在H2S溶液中充氢形成氢致马氏体的金相组织形态及开裂后断口的氢致马氏体形态。a）氢致马氏体的金相组织形态 b）开裂后断口的氢致马氏体形态图25 奥氏体不锈钢在H2S溶液中充氢形成氢致马氏体的金相组织形态及开裂后断口的氢致马氏体形态。 氢致滞后断裂。在恒载荷（或恒位移）条件下，原子氢通过应力诱导扩散富集到临界值后就引起氢致裂纹的形核、扩展从而导致低应力断裂的现象称为氢致滞后断裂。所谓滞后是指氢扩散富集到临界值需要经过一段时间，故加载后要经过一定时间后氢致裂纹才会形核和扩展。如把原子氢除去后就不会发生滞后断裂，故它也是可逆的。无论是慢应变速率拉伸（氢致可逆塑性损失）还是恒载荷下的氢致滞后断裂，氢致断裂可能获得韧性断口，称为氢致（促进）韧断，这时断口形貌是韧窝（它是韧断标志），见图26；也可能获得脆性断口（沿晶、解理或准解理）见27图。氢致断口，也可能存在不同的形貌区。如断口起始部分（K1小）为沿晶，中间扩展部分为准解理，最后瞬断部分为韧窝。不充氢的断口一般是以韧窝为主；随充入的氢量升高，沿晶和准解理部分增加。图26氢致断裂可能获得韧性断口，韧窝底部有夹杂a）韧性与脆性混合断口 b）脆性解理断口图27氢致断裂脆性断口（沿晶、解理或准解理） 氢腐蚀。氢腐蚀实质是氢致化学变化导致的氢脆。在高温高压下氢进入钢中后与碳化物反应生成甲烷，形成的CH4分子不能从钢中扩散出来，就在晶界夹杂物处形成气泡，并有很大压力。随着CH4的不断形成，气泡不断长大，当气泡中CH4的压力大于材料在该温度下的强度时就会使气泡转化成裂纹。环境H2的压力愈高，温度愈高，则甲烷气泡中的压力就愈大，当甲烷气泡中的压力等于材料的断裂强度时就会导致微裂纹形核。与此同时，生成甲烷的反应使钢形成脱碳，降低了钢的强度。6.2.8 腐蚀疲劳在交变应力和腐蚀介质同时作用下，金属的疲劳强度或疲劳寿命比无腐蚀作用时有所降低，这种现象叫做腐蚀疲劳。这里所谓“无腐蚀作用”，一般是指在空气中金属的疲劳行为。设应力交变的频率为f,应力为，它们与腐蚀（C）条件有如下五种组合： （1）0，f=0，C0腐蚀 （2）b，f=0，C0形变断裂 （3）cp，f0，C=0疲劳 （4）c，f=0，C0应力腐蚀 （5）cf，f0，C0腐蚀疲劳其中b、cp、c和cf分别为材料的抗拉强度、疲劳强度（疲劳极限）、应力腐蚀临界应力（应力门槛值）和腐蚀疲劳强度。因此，腐蚀疲劳与疲劳、应力腐蚀的关系密切，并且比它们复杂。应当强调指出，交变应力必须和腐蚀介质同时作用才能引起腐蚀疲劳。腐蚀疲劳不要求特定的材料和介质组合，这是和应力腐蚀破裂不同的。腐蚀疲劳与应力腐蚀破裂的一些主要区别如表7所示。表7 腐蚀疲劳与应力腐蚀破裂的一些主要区别具有应力腐蚀破裂敏感性的材料，受交变应力作用时，如果应力半幅在能产生应力腐蚀破裂的临界值以下，则只能产生腐蚀疲劳；如果高于应力腐蚀破裂的临界应力，随着应力交变速度的降低，可能产生应力腐蚀破裂与腐蚀疲劳混合存在的情况。腐蚀疲劳断裂有其自己的特征。除了最终造成断裂的一条主裂纹以外，还存在着大量的支裂纹。如图28所示。图28 腐蚀疲劳断裂裂纹走向示意图疲劳断口由疲劳裂纹扩展区(简称疲劳区)和瞬时断裂区组成。在疲劳区微观特征是具有略带弯曲但大致平行的疲劳条纹(与裂纹扩展方向垂直)，条纹间距取决于应力循环的振幅。图29所示 。a）42CrMo轴疲劳断裂的宏观疲劳条纹 b）42CrMo轴疲劳断裂的疲劳条纹图29 42CrMo轴疲劳断裂的疲劳条纹常规疲劳因裂纹两侧断面相互摩擦而呈光亮的贝壳状或海滩状平行的条纹，而腐蚀疲劳的这部分断口却常被腐蚀产物弄脏而发暗：这种特征可作为疲劳与腐蚀疲劳的判据，但腐蚀疲劳的条纹有时模糊些（图30）。 图30 取热器换热外管开裂断口的腐蚀疲劳的条纹，表面有一层氧化膜所以条纹模糊一些6.2.9冲刷腐蚀冲刷腐蚀又称磨损腐蚀和磨耗腐蚀，是指溶液与材料以较高速度作相对运动时，冲刷和腐蚀共同引起的材料表面损伤现象。这种损伤要比冲刷或腐蚀单独存在时所造成的损伤的加和大得多。这是因为冲刷与腐蚀互相促进的缘故。广义的冲刷腐蚀包括湍流腐蚀（又名冲击腐蚀）、空蚀、摩振腐蚀（又称微动磨损和微动腐蚀）等。 冲击腐蚀（湍流腐蚀） 在冲刷腐蚀中，特别把主要由于金属构件几何形状变化而使较高流速溶液产生湍流造成的金属表面破坏叫做湍流腐蚀，又叫做冲击腐蚀。例如溶液流经管道弯头、或涡轮机涡壳和叶片时，都能产生湍流腐蚀。冲击腐蚀的破坏其特征是形成光滑的没有腐蚀产物的沟槽或回流凹陷，蚀孔常常象细小的马蹄印（马逆流行走时留下的蹄印），因而从破坏形貌上可看出液体流的方向（图31）。图31 冲击腐蚀的破坏形貌示意图 空泡腐蚀空泡腐蚀即空蚀，空蚀破坏在金属表面下产生了加工硬化层，空蚀点附近可产生裂纹。在空蚀破坏的性质方面，机械冲击作用比电化学作用为大。空泡腐蚀属于冲击腐蚀的特殊形式。如水轮机叶片、船艇推进器高速转动时，在叶片表面所引起的流体压力分布是不均匀的，当液体压力降到常温水的蒸汽压以下时就发生“沸腾”而产生气泡。此气泡沿叶面流动，在压力高的地方发生瞬时破灭。气泡破灭时产生的冲击压力极大，形成高压的冲击波，在空泡的形成和破灭多次循环中所引起的金属累积损伤。 微动腐蚀在有氧气存在的条件下，金属构件若沿着受载荷而紧密接触的面有轻微的振动或往返的相对运动，使在接触面上出现黑斑、小坑或细槽现象，即称之为微动腐蚀。这种腐蚀现象涉及到三个过程：冷焊、局部断裂和氧化。在受压的金属表面上，由于轻微的振动或往返的相对运动摩擦生热使某些微小突起部分发生了冷焊；随后沿接触面的相对运动，使冷焊区局部断裂，形成微小的金属碎片，而摩擦热又氧化这些碎片。在接触面上形成黑斑、小坑或细槽，并积存了氧化物碎屑。这个机理强调了磨损。大多数金属表面部有一层氧化膜，某些微小突起部分的氧化膜在高压下局部破裂成碎片，暴露出的新鲜金属表面或者重新氧化，或者冷焊；接触面的相对位移，使冷焊区或氧化膜局部断裂，摩擦热又氧化金属碎片或新鲜金属面。这个机理强调了氧化。图32是微动腐蚀两种机理示意图。a 微动腐蚀磨损-氧化机理 b 氧化 - 微动腐蚀磨损机理 图32 微动腐蚀两种机理示意图接触面必须受到摩擦，才会发生冷焊；沿接触面必须有微小的相对运动才会发生局部断裂，产生碎片，才会使这些碎片积存在接触面；氧气的存在才能在摩擦热的作用下氧化金属。作为金属腐蚀失效的断口，除了以上的断裂基本特点以外，断口表面或多或少的存在各种形态的腐蚀产物。这些腐蚀产物一方面提供了金属腐蚀失效过程中腐蚀介质的重要信息；另一方面也可能带有属于各种腐蚀断裂的断口特征形态，即断口学中常常用到的断口花样。例如在 前面图30的取热器换热外管腐蚀疲劳断口表面的腐蚀产物的形态就显示了明确的腐蚀疲劳的特征条纹花样。当对断口进行清洗之后，在断口表面只剩下解理断口的花样。关于这一点，在应力腐蚀的腐蚀产物楔入引起裂纹扩展过程中也可能会出现。如果忽略了这方面的问题，就会给断口分析带来不必要的麻烦甚至得出错误的分析结果。参考文献1 中国腐蚀与防护学会金属防腐蚀手册编写组，金属防腐蚀手册，上海科学技术出版社，1989年。2 胡世英，破断故障金相分析，国防工业出版社，1979年。3 上海交通大学金属断口分析编写组，金属断口分析，国防工业出版社，1979年。4 郑文龙，金属构件断裂分析与防护，上海科学技术出版社，1980年。5 G.亨利，D.豪斯特曼，宏观断口学及显微断口学，机械工业出版社，1990年。6 机械系统理化检验协作网理化检验编辑部，金相检验，理化检验编辑部出版，机械工业部上海材料研究所发行组发行。7 吴连生，失效分析技术，四川科学技术出版社，1985年。8 于福洲，金属的几种局部腐蚀，材料保护，1981，46，1982，1。9 于福洲金属材料的耐腐蚀性，科学出版社，198210 于福洲等，1984全国腐蚀和防护科学技术会议报告集，39，科学出版社，1988。11 杨武 等，金属的局部腐蚀，腐蚀与防护全书，中国腐蚀与防护学会主编，化学工业出版社，（1990）。12