ＨＪＪＧ＿ＣＨ６＿焊接结构的环境失效

焊接结构与生产 机电工程学院严春妍 第六章 焊接结构的环境失效 1焊接结构的腐蚀失效 2介质环境作用下的断裂与疲劳 1焊接结构的腐蚀失效 1 焊接接头腐蚀破坏的基本形式 按腐蚀形成的机制 可将腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类 化学腐蚀 不产生腐蚀电流 如钢在高温下的氧化 脱碳 电化学腐蚀 不同金属间或同一金属的不同部分间存在着电极电位差 在电解质溶液中构成微电池 2 焊接结构在自然环境下的腐蚀 焊接结构在大气中的腐蚀 金属在空气的腐蚀称为大气腐蚀 金属在大气中的腐蚀是由于金属表面的水膜及其中的溶解氧引起的 而水膜的厚度受大气湿度的影响 根据大气湿度 将大气腐蚀分为三类 干大气腐蚀 潮的大气腐蚀和湿的大气腐蚀 焊接结构在海水中的腐蚀 海水中含溶解氧 体积分数可达12 10 6 所以海水腐蚀属于氧去极化的电化学腐蚀 海水中Cl 1含量很多 电导率高 金属表面难以形成稳定的钝态 产生孔蚀 缝隙腐蚀 晶间腐蚀等局部腐蚀的倾向高 影响海水腐蚀速度的主要因素有 含氧量 盐类及其浓度 温度 海洋生物 海水流速等 海水表面含氧较多 腐蚀速度较大 随着海水深度增加 含氧量减少 腐蚀速度减小 焊接结构在土壤中的腐蚀 土壤中含一定量的水和氧 所以土壤腐蚀属于氧去极化的电化学腐蚀 如果土壤干燥而疏松 则接近大气腐蚀 影响土壤腐蚀的主要因素有 土壤的导电性 土壤中的含氧量 土壤的酸度和土壤中的细菌等 孔隙小的土壤 如粘土 水分多 可溶性盐类易溶于水 成为电解质 使导电性增加 腐蚀速度增加 干燥的砂土中 含氧量多 潮湿致密的粘土中 含氧量少 3 焊接结构的局部腐蚀 电偶腐蚀 两种电极电位不同的金属在电解液中接触时 形成电偶腐蚀 亦称接触腐蚀或双金属腐蚀 孔蚀 金属表面的某一局部出现向深处发展的腐蚀小孔 而其他地方不被腐蚀或者腐蚀轻微的腐蚀形态成为小孔腐蚀 简称孔蚀 点蚀或坑蚀 缝隙腐蚀 在介质中 由于金属与金属或金属与非金属之间存在很小的缝隙而形成闭塞电池 缝内介质处于滞流状态 加速缝内金属的腐蚀 这种腐蚀形式称为缝隙腐蚀 缝宽为0 025 0 1mm 晶间腐蚀 沿着金属的晶粒边界或晶界的邻近区域发展的腐蚀称为晶间腐蚀 产生晶间腐蚀的根本原因在于 由于某种原因使晶界的物理化学状态发生了变化 从而引起晶界的加速腐蚀 如 沿晶析出电位较负的阳极相 杂质或溶质原子沿晶界偏聚形成低电位区 2介质环境作用下的断裂与疲劳 材料在环境介质作用下的开裂 应力腐蚀氢脆腐蚀疲劳液态金属脆化 纯机械应力作用下的断裂与疲劳 仅与裂纹尖端应力 应力场的水平及金属材料本身抗裂纹扩展的能力有关 介质环境作用下的断裂与疲劳 应力 金属材料 介质三个因素交互作用的结果 纯机械破坏 仅受应力作用而产生的破坏 腐蚀破坏 仅受介质环境作用时产生的破坏 应力腐蚀破裂 在介质中受静应力作用下产生的破坏 SCC 腐蚀疲劳 在介质中受交变应力作用下产生的破坏 CorrosionFatigure CF 应力腐蚀破坏产生的条件应力腐蚀断裂的过程应力腐蚀断裂的机理应力腐蚀断裂的断口特征 应力腐蚀破坏 指材料或结构在腐蚀介质和静拉应力共同作用下引起的断裂 又简称为应力腐蚀 StressCorrosionCracking SCC 1 应力腐蚀破坏 应力腐蚀破坏产生的条件 有拉应力存在 外载引起 或残余应力存在腐蚀介质产生应力腐蚀的介质一般是特定的 即每种材料只对某些介质敏感 一般只有合金会产生应力腐蚀 纯金属不会发生 应力腐蚀断裂的过程 氧化膜破裂形成腐蚀坑孔应力腐蚀开裂裂纹的形核及长大最终断裂 应力腐蚀断裂过程可归纳为四个阶段 应力腐蚀断裂的机理 保护膜破坏机理 金属表面形成一层保护膜 发生钝化 拉应力和附加应力使局部地区保护膜破裂 产生 阳极溶解 阳极腐蚀到一定程度又形成新的保护膜 但可能重新破裂 发生新的 阳极溶解 使局部地区腐蚀加深 形成孔洞 孔洞造成应力集中 加速其附近的塑性变形和保护膜破坏破裂 拉应力 腐蚀介质 应力腐蚀裂纹裂纹不断向前扩展导致结构断裂 应力腐蚀断裂的断口特征 宏观特征 SCC裂纹源常发生于金属材料表面 常为多源的 裂纹在扩展过程中合并 形成台阶状或放射状条纹等形貌 宏观形貌呈脆性断口特征 以裂源为中心呈弧形向外扩展 最终断裂部分为撕裂或剪切唇断裂形貌 断口表面常呈现黑色或灰色 最终断裂部分具有金属光泽 微观特征 碳钢及低合金钢的SCC断口多为沿晶断裂 裂纹沿着大致垂直于拉应力的晶界延伸 SCC断裂方式不仅与材料有关 还与介质有关 碳钢在NO3 呈现晶界断裂 而在CN 中为穿晶断裂 断口上可观察到塑性变形特征 呈韧窝花样 对于穿晶型的SCC断口 常有 块状花样 泥状花样 河流花样 扇形花样 等特征 防止焊接结构产生应力腐蚀的措施 正确选材合理的结构设计消除和调节残余应力控制电位 阴极和阳极保护用镀层或涂层隔离环境控制和改善环境 正确选材 针对特定腐蚀环境选择合适的金属材料 可能时也可选择非金属材料或非金属衬里保护 碳钢和低合金钢 抗拉强度相同时 w C 为0 2 时比w C 为0 4 的耐蚀性好 Ti Al Mo Nb V Cr可改善耐蚀性 P N O有害于耐蚀性 S的影响不大 不锈钢 Cl 1溶液中 奥氏体不锈钢耐应力腐蚀最差 加入少量的Mo或Cu 可增加其耐应力腐蚀性 合理的结构设计 除考虑结构强度上的需要外 同时还要考虑耐腐蚀的需要 尽量避免和减小局部应力集中 尽可能地使截面过渡平缓 应力分布均匀 对槽 容器等采用焊接不用铆接 对施焊部位用连续焊而不用断续焊 可避免产生缝隙 增加结构抗SCC的腐蚀可增加其耐应力腐蚀性 合理的结构设计 设计槽及容器等 应考虑易于清洗和将液体皮肤干净 避免不同金属接触 以防止电偶腐蚀 换热操作中 应避免过热点 设计时应保证有均匀的温度梯度 消除和调节残余应力 采用合理的施焊工艺降低残余应力 避免由于装配不当等造成的局部应力 采用热处理方法减小或消除残余应力 一般的焊接钢结构采用去应力退火处理 奥氏体钢至少加热到870 以上 调节残余应力场使构件表面产生压应力 2 环境氢脆 环境氢脆 指通过电化学反应产生的氢原子或氢离子以固溶态或生成氢化物的形式扩散到金属中 而引起金属的脆性断裂 可以被看做SCC的一种类型 即阴极型或氢脆性SCC HE SCC 按金属使用的环境 环境氢脆分为非H2S介质和H2S介质引起的氢脆两种 非H2S介质中的氢脆 指海水 盐水等含Cl 的溶液及蒸馏水 湿空气等 这类介质中的自腐蚀状态下 通常认为只有 S 1050MPa的钢才能发生氢脆 如对结构进行阴极保护 较低强度的钢也可能发生氢脆 H2S介质中的氢脆 在含有H2S的介质中的氢脆 过去常称为硫化物应力腐蚀破裂 SSCC 现通称为氢致应力腐蚀破裂或氢致破裂 HIC 属于阴极型或氢脆型应力腐蚀破