腐蚀 第5章 局部腐蚀2

1、5.5 应力作用下的腐蚀应力作用下的腐蚀 5.5.1 应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂 Stress Corrosion Cracking 产生应力腐蚀断裂必须同时具备三个基本条件，即敏产生应力腐蚀断裂必须同时具备三个基本条件，即敏 感的金属材料，足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介质。感的金属材料，足够大的拉伸应力和特定的腐蚀介质。 SCC产生三个基本条件产生三个基本条件 材料因素材料因素力学因素力学因素 环境因素环境因素 应力腐蚀断裂的机理应力腐蚀断裂的机理 奥氏体不锈钢氯化物奥氏体不锈钢氯化物SCC机理机理 3）铝合金的）铝合金的SCC机理机理 铝合金在大气或微量氧的水溶液中生成氧化膜，但铝合金在大气

2、或微量氧的水溶液中生成氧化膜，但 由于应力作用或卤素离子作用造成局部氧化膜破坏，由于应力作用或卤素离子作用造成局部氧化膜破坏， 形成蚀坑或裂纹源。裂纹在拉应力作用下沿晶界扩展形成蚀坑或裂纹源。裂纹在拉应力作用下沿晶界扩展 直至断裂。进行腐蚀电池反应是：直至断裂。进行腐蚀电池反应是： 阳极：阳极：Al Al3+ + 3e 阴极：阴极：O2+2H2O+4e 4OH- 当絮状的当絮状的Al(OH)3沉淀，在蚀口堆积形成一个闭塞电沉淀，在蚀口堆积形成一个闭塞电 池时，构成自催化腐蚀环境。如图所示：池时，构成自催化腐蚀环境。如图所示： 氢脆机理氢脆机理 该机理认为：金属材料在拉应力该机理认为：金属材料在

3、拉应力 和腐蚀介质共同作用和腐蚀介质共同作用 下，由于阴极还原反应产生的氢原子扩散到裂纹尖端的金下，由于阴极还原反应产生的氢原子扩散到裂纹尖端的金 属内部引起并控制脆断。这种应力腐蚀称为氢脆型属内部引起并控制脆断。这种应力腐蚀称为氢脆型SCC （HE-SCC）。这一机理也称为氢的滞后开裂。）。这一机理也称为氢的滞后开裂。 影响应力腐蚀断裂的因素影响应力腐蚀断裂的因素 电位电位状况的影响：大量实验研究证明，电位电位状况的影响：大量实验研究证明，SCC只有在一定只有在一定 的电位范围内才能发生。现发现合金的阳极极化曲线有三个的电位范围内才能发生。现发现合金的阳极极化曲线有三个 易产生易产生SCC的

4、区域。这些区域都是过渡区。如图所示。的区域。这些区域都是过渡区。如图所示。 应力腐蚀断裂的控制措施应力腐蚀断裂的控制措施 1、降低和消除应力：、降低和消除应力： 在结构设计时首先要降低设计应力，尽量避免或减少局部应力集在结构设计时首先要降低设计应力，尽量避免或减少局部应力集 中。中。 加工和装配过程中，应尽量避免产生残余应力，可采用热处理退加工和装配过程中，应尽量避免产生残余应力，可采用热处理退 火方法。火方法。 机械方法消除内应力，在受应力的合金表面进行喷丸、奔砂、锤敲机械方法消除内应力，在受应力的合金表面进行喷丸、奔砂、锤敲 等处理，使表面层处于压应力状态，以提高抗等处理，使表面层处于压应

5、力状态，以提高抗SCC性能。性能。 2、控制环境、控制环境 改善使用条件，除去危害性大的介质成分。如水中的氧和氯化物。改善使用条件，除去危害性大的介质成分。如水中的氧和氯化物。 减少内外温差。减少内外温差。 升高升高pH值。值。 采用添加适当的缓蚀剂或采用涂、镀层的办法控制环境。采用添加适当的缓蚀剂或采用涂、镀层的办法控制环境。 采用阴、阳极电化学保护方法，避免进入三个采用阴、阳极电化学保护方法，避免进入三个SCC敏感的电位区，敏感的电位区， 以防止以防止SCC的发生。的发生。 3、改善材质、改善材质 较抗较抗SCC性能的不锈钢：高镍奥氏体、高纯奥氏体钢、双相不锈钢；性能的不锈钢：高镍奥氏体、

6、高纯奥氏体钢、双相不锈钢； 较抗较抗SCC性能的铝合金：包铝性能的铝合金：包铝LD10、包铝的、包铝的LY12、LF21、ZL101； 较抗较抗SCC性能的钛合金：性能的钛合金：Ti-10V-2Fe-3Al、Ti-2Al-4Mo-4Zr。 5.2.2 氢损伤氢损伤 一、定义一、定义 金属材料中由于氢的存在或与氢反应引起材料力学性能金属材料中由于氢的存在或与氢反应引起材料力学性能 变坏的现象。变坏的现象。 可分为：氢鼓泡、氢脆、脱炭、氢腐蚀。可分为：氢鼓泡、氢脆、脱炭、氢腐蚀。 二、氢损伤特征二、氢损伤特征 1、氢损伤导致金属材料的韧性和塑性性能下降，易使材、氢损伤导致金属材料的韧性和塑性性能下

7、降，易使材 料开裂或脆断。料开裂或脆断。 2、氢损伤是氢与材料交互作用引起的一种现象、氢损伤是氢与材料交互作用引起的一种现象 3、氢损伤和应力腐蚀断裂在产生原因和机理上是有区别、氢损伤和应力腐蚀断裂在产生原因和机理上是有区别 的。应力腐蚀裂纹的扩展是由于裂纹的阳极溶解，其阴极的。应力腐蚀裂纹的扩展是由于裂纹的阳极溶解，其阴极 对裂纹的扩展并不产生直接的影响。而氢损伤是由于合金对裂纹的扩展并不产生直接的影响。而氢损伤是由于合金 中在阳极区吸收了阳极反应产物氢原子诱导脆性而产生和中在阳极区吸收了阳极反应产物氢原子诱导脆性而产生和 扩展的。扩展的。 如下图所示：如下图所示： 1、氢的来源、氢的来源

8、内氢：冶炼、铸造、电镀、酸洗、焊接、阴极充氢等工艺过内氢：冶炼、铸造、电镀、酸洗、焊接、阴极充氢等工艺过 程中引入的。程中引入的。 外氢：材料使用过程中，由外界环境引入的。外氢：材料使用过程中，由外界环境引入的。 1）H2吸附分解成原子氢。吸附分解成原子氢。 2）腐蚀析氢在金属表面分解成原子氢。）腐蚀析氢在金属表面分解成原子氢。 3）含氢物质与金属表面发生反应放出氢。）含氢物质与金属表面发生反应放出氢。 2、氢的存在形式、氢的存在形式 氢可以氢可以H-、H、H+、H2、金属氢化物、固溶体、碳氢化合、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而存在。物等形式存在于

9、金属中，也可与位错结合形成气团而存在。 三、氢的来源与存在形式与传输 3、氢的传输、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。等方式进行传输的。 1）点阵扩散：金属表面富集氢后与金属内部构成一定的浓）点阵扩散：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。氢原子处在金属点阵的间度梯度，则氢会向金属内部扩散。氢原子处在金属点阵的间 隙位置，从五个间隙位置跳到另一个间隙位置的过程就是氢隙位置，从五个间隙位置跳到另一个间隙位置的过程就是氢 的扩散。的扩散。 2）应力诱导扩散：氢在应力梯度作

10、用下通过应力诱导扩散，）应力诱导扩散：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（将向高应力区聚集（Corsky效应）。高应力区氢浓度均无超效应）。高应力区氢浓度均无超 过整体的氢浓度。过整体的氢浓度。 3）位错迁移：位错可捕获氢会影响氢的点阵扩散，当位错）位错迁移：位错可捕获氢会影响氢的点阵扩散，当位错 进行运动时，氢气团可以跟着位错一起运动。进行运动时，氢气团可以跟着位错一起运动。 1、氢腐蚀机理（高温氢腐蚀）、氢腐蚀机理（高温氢腐蚀）Hydrogen Corrsion 氢腐蚀是指在高温氢腐蚀是指在高温200以上，高压条件下，氢进入金属，产以上，高压条件下，氢进入金属，产 生合

11、金组分与氢化学反应生成氢化物等物质，导致合金强度下生合金组分与氢化学反应生成氢化物等物质，导致合金强度下 降以至沿晶界开裂的现象，简称降以至沿晶界开裂的现象，简称HC。 机理：机理：C+2H2 CH4 Fe3C+2H2 3Fe+CH4 或或4H + Fe3C 3Fe+CH4 反应生成高压气体，在高压、高温、含氢条件下氢分子扩散到反应生成高压气体，在高压、高温、含氢条件下氢分子扩散到 钢中，并生成甲烷，甲烷在钢中的扩散能力很低，这样甲烷量钢中，并生成甲烷，甲烷在钢中的扩散能力很低，这样甲烷量 不断增多，形成局部高压，造成应力集中使该处发展为裂纹。不断增多，形成局部高压，造成应力集中使该处发展为裂

12、纹。 四、氢损伤类型及其机理 五、影响氢损伤的因素 六、氢损伤的控制措施 5.5 3 腐蚀疲劳腐蚀疲劳 一、定义一、定义 1、在空气中一般金属疲劳存在着疲劳极限，但在腐蚀疲劳、在空气中一般金属疲劳存在着疲劳极限，但在腐蚀疲劳 的情况下没有疲劳极限。的情况下没有疲劳极限。 2、冷饮疲劳对于任何金属包括纯金属在任何腐蚀介质中都、冷饮疲劳对于任何金属包括纯金属在任何腐蚀介质中都 有可能发生，也不要求特定的材料与介质的组合。金属在这有可能发生，也不要求特定的材料与介质的组合。金属在这 种介质中所处的活化区或钝化区都可发生。这在应力条件、种介质中所处的活化区或钝化区都可发生。这在应力条件、 材料材料-环

13、境条件、电化学条件上都与应力腐蚀断裂有所不同。环境条件、电化学条件上都与应力腐蚀断裂有所不同。 3、纯力学疲劳破坏的断面大部分是光滑的、小部分是粗糙、纯力学疲劳破坏的断面大部分是光滑的、小部分是粗糙 面，断面呈现出一些结晶形状，部分呈脆性断裂；面，断面呈现出一些结晶形状，部分呈脆性断裂； 而腐蚀疲劳破坏的金属内表面，大部分面积被腐蚀产物所而腐蚀疲劳破坏的金属内表面，大部分面积被腐蚀产物所 覆盖，小部分呈粗糙碎裂区，并有腐蚀疲劳裂纹、腐蚀坑等。覆盖，小部分呈粗糙碎裂区，并有腐蚀疲劳裂纹、腐蚀坑等。 腐蚀疲劳裂纹主要是穿晶的，但也可能出现沿晶间的或混合腐蚀疲劳裂纹主要是穿晶的，但也可能出现沿晶间的

14、或混合 型的并随腐蚀发展，裂纹变宽。型的并随腐蚀发展，裂纹变宽。 二、腐蚀疲劳特征 三、腐蚀疲劳的机理 五、腐蚀疲劳控制的措施 一、定义与特征一、定义与特征 1、磨损腐蚀是指由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动，、磨损腐蚀是指由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动， 引起金属的加速破坏或腐蚀。造成磨损腐蚀的腐蚀流体可以引起金属的加速破坏或腐蚀。造成磨损腐蚀的腐蚀流体可以 是气体，液体或含有固体颗粒、气泡的液体等。是气体，液体或含有固体颗粒、气泡的液体等。 2、磨损腐蚀的外表特征是槽、沟、波纹、圆孔和山谷等，、磨损腐蚀的外表特征是槽、沟、波纹、圆孔和山谷等， 还常常显示方向性。还常常显示方向性。 5.

15、5 4 磨损腐蚀磨损腐蚀 三、空泡腐蚀三、空泡腐蚀 空泡腐蚀是由更高速（流速空泡腐蚀是由更高速（流速30m/s）液流和腐蚀的共同作）液流和腐蚀的共同作 用而产生的。如船舶的推进器、涡轮片和泵叶轮等这类构用而产生的。如船舶的推进器、涡轮片和泵叶轮等这类构 件中的高流速冲击和压力突变的区域。件中的高流速冲击和压力突变的区域。 发生空泡腐蚀时，材料表面空穴或汽泡的形成和破灭极其发生空泡腐蚀时，材料表面空穴或汽泡的形成和破灭极其 迅速。在一个微小的低压区，每秒种有迅速。在一个微小的低压区，每秒种有2106个汽泡破灭，个汽泡破灭， 并产生强烈的冲击波，压力可达并产生强烈的冲击波，压力可达410MPa。

16、四、微振腐蚀四、微振腐蚀 微振腐蚀是指两种金属相接触的交界面在负荷的条件下，微振腐蚀是指两种金属相接触的交界面在负荷的条件下， 发生微小振动或往复运动而导致金属的损坏。这种腐蚀使发生微小振动或往复运动而导致金属的损坏。这种腐蚀使 金属表面呈现麻点或沟纹，而这些麻点或沟纹的周围是腐金属表面呈现麻点或沟纹，而这些麻点或沟纹的周围是腐 蚀产物。蚀产物。 微振腐蚀常出现在受振动的屐机部件，机车部件、螺栓、微振腐蚀常出现在受振动的屐机部件，机车部件、螺栓、 轴承与轴之间等，它不仅破坏金属部件，而且还产生氧化轴承与轴之间等，它不仅破坏金属部件，而且还产生氧化 锈泥，使螺栓连接的设备发生粘接或松动，振动部位

17、还会锈泥，使螺栓连接的设备发生粘接或松动，振动部位还会 引起疲劳腐蚀。引起疲劳腐蚀。 选择性腐蚀是指多元合金在腐蚀过程中，合金中较活泼的选择性腐蚀是指多元合金在腐蚀过程中，合金中较活泼的 组元优先溶解，使合金的机械强度降低，并失去金属性能，组元优先溶解，使合金的机械强度降低，并失去金属性能， 或者说，从一种固体合金中除去某一种元素的腐蚀称为选或者说，从一种固体合金中除去某一种元素的腐蚀称为选 择性腐蚀，也称成分选择性腐蚀。择性腐蚀，也称成分选择性腐蚀。 在多元合金中，电位较正的金属元素为阴极，电位较负的在多元合金中，电位较正的金属元素为阴极，电位较负的 的金属元素为阳极，构成腐蚀电池，使电位较负的金属发的金属元素为阳极，构成腐蚀电池，使电位较负的金属发 生溶解。生溶解。 比较典型的选择性腐蚀是黄铜脱锌和灰口铸铁的石墨化。比较典型的选择性腐蚀是黄铜脱锌和灰口铸铁的石墨化。 另外还有硅青铜脱另外还有硅青铜脱Si；Co-W-Cr合金脱合金脱Co；Cu-Al合金脱合金脱Al； Cu-Ni合金脱合金脱Ni；青铜脱；青铜脱Sn等。等。 5.6 选择性腐蚀选择性腐蚀 一、定义：一、定义： 二、黄铜脱锌的腐蚀形态有两种：二、黄铜脱锌的腐蚀形态有两种