材料腐蚀失效形式与机理PPT课件.ppt

1、.1，材料腐蚀失效的形式和机理，一，2，腐蚀的危害性，腐蚀机制和形式，全面腐蚀和局部腐蚀，应力腐蚀，腐蚀性(碱脆)，主要内容，1，2，3，4，5，腐蚀的危害性，3，1，腐蚀的危害性，基本概况所有材料在日常生活，工业生产，国防产业等所有产业领域都出现腐蚀问题。凡是使用金属的地方都有多种类型的腐蚀问题。特别是在工业生产中，由于介质特性，腐蚀变得更重了。腐蚀使完好的金属设备局部泄漏或造成大型人员伤亡的危害。因此腐蚀问题是世界各国关注度高，需要解决的工程技术课题。4，世界腐蚀损失巨大。1937年，美国壳牌公司估计，由于腐蚀，每年全球占GDP 2-4%的金属材料的腐蚀损失超过1亿吨。据2002年中国工程

2、院咨询项目中国工业和自然环境腐蚀问题的调查和对策透露，我国当年腐蚀造成的直接经济损失额超过5000亿韩元。2013年7月，一位学者表示，仅海洋腐蚀造成的经济损失，我国每年就超过了1.5万亿韩元。5，腐蚀机理和形式，2，2.1腐蚀机理，腐蚀是由材料和环境的化学反应或电化学反应引起的破坏(DIN50900-2002)。根据腐蚀反应机制，腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是在反应前后没有电子战，原子价数没有增减，即反应过程中没有产生电流。电化学腐蚀是材料表面被环境介质和电化学反应破坏。腐蚀过程中产生电流是特征，是反应前后包含电子战或原子发生增加或减少的典型电化学反应。6，2.2腐蚀损伤形式，完全

3、腐蚀，均匀腐蚀，腐蚀发生在整个表面，腐蚀速度均匀，过程慢，危害小，大气腐蚀等一般预防措施，部分腐蚀，腐蚀发生在材料的微观领域，隐蔽，快速腐蚀，有害，海水中氯离子的点腐蚀等，很难防止。部分腐蚀主要包括电偶腐蚀、点腐蚀、间隙腐蚀、晶界腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳、氢脆等。7，前腐蚀和局部腐蚀，3，3.1均匀腐蚀，均匀腐蚀是最常见的腐蚀形式。它是腐蚀介质均匀到达金属各表面的电化学反应，宏观上表现为均匀减少的典型小阴极，大阳极的腐蚀破坏形式。电极反应，阳极：FeFen ne(溶解)阴极336363603360 H2O 0.5o 2 2e 2oh-反应：Fe2 2oh- Fe (oh) 24

4、fe (oh)，8，图3-1电化学腐蚀反应，图3-2是均匀腐蚀的圆棒形式，金属腐蚀，高压蒸汽管高温氧化等都属于均匀腐蚀。解决方法：表面涂层防腐蚀涂层或涂层，防腐蚀剂，阴极保护，合理设计，选择合适的材料等。也称为9，3.2电偶腐蚀、电偶腐蚀、接触腐蚀或二金属间腐蚀。在电解质溶液中，两种金属接触时，由于氧浓度效应，电极电位负基本金属变成阳极，高贵金属变成阴极，构成腐蚀电池，贵金属受到保护，这种现象称为电偶腐蚀。电极反应基本上等于均匀腐蚀。例如，碳钢管板和钛管之间形成电偶腐蚀(图3-3):阳极：Fe Fe2 2e阴极：1/2 O2 H2O 2e 2oh-反应：Fe2 2oh-fe (oh)，10，钛

5、，碳钢，图3-3钛和碳钢的电极电位顺序，图3-4中其他金属之间的电极电位顺序(海水)，11，不同金属材料的组合在工程中往往不可避免，电偶腐蚀更为常见。例如，钢泵轴、阀杆和石墨垫接触时，钢会受到电偶腐蚀。换热器管与铸铁、钢管板接触时，管板加速腐蚀。海水中其他金属的电极电位如图3-4所示。利用金属间的电极电位计和电偶腐蚀原理，将基本金属和有用的金属零件配对，以牺牲基本金属阳极为代价，得到保护阴极材料。例如，在表面喷铝，镀锌金属零件是成功应用的例子。氢发生反应：2h 2e 2h，电偶腐蚀防护措施(1)设计大阳极、小阴极的电偶组合，或放入电偶顺序中最接近的材料；(2)表面涂层；(3)阴极保护，如外部电

6、流或牺牲阳极块。12，3.3间隙腐蚀，腐蚀介质中金属、金属或金属和非金属固体形成空隙，宽度只有几十到几百微米，电解质溶液进入空隙，但保持溶液的堵塞，由于间隙表面和间隙内部氧气的浓度，腐蚀电池形成(见图3-5)而且，其间隙内随着活动负离子的转移，侵蚀性提高，也会产生缝隙腐蚀。尺度腐蚀是一种缝隙腐蚀。阳极：m cl-间隙内部(MCL)MCL H2OMOH cl-阴极：H2O 0.5o 2 2e 2oh-(间隙外部)，电极反应，13，(a)形成机理，(b)槽腐蚀原理，图3-5槽腐蚀机理，14，槽腐蚀经常发生在螺栓螺母下、垫圈接触的凸缘内部、搭接接头、表面沉积物底部等。解决和防止缝隙腐蚀的措施(1)结

7、构风格合理设计；(2)选择正确的材料(一般304、316不锈钢容易发生间隙腐蚀)；(3)电化学保护；(4)缓蚀剂(一定量的磷酸盐、铬酸盐等；对保护钢、铜、锌等有效。)，间隙内部用阳极加速腐蚀，间隙外部用阴极腐蚀微小。随着阴离子浓度和酸度的增加，空隙腐蚀扩展，最终留下新月腐蚀形态(图3-4a)。15，3.4点腐蚀，点腐蚀也称为孔蚀。像间隙腐蚀一样，是非常局部的腐蚀形式，与cl-、f-等卤素离子相关。它是一个自催化过程，金属在小孔中溶解，使孔中h的浓度增加，氧的还原反应不发生，但在与小孔相邻的表面发生氧的阴极还原反应，使小孔能迅速向深度方向扩张。因此，点侵蚀最具破坏性、最隐秘、最容易发生在具有cl

8、-的介质上。M cl- MCL(在点坑内)，MCL H2O MOH h cl-(在点坑外)，16，金属表面的不均匀性(如划痕、凹陷、夹杂等)往往是点腐蚀的来源，介质中的卤离子和氧化剂(如溶解氧)同时存在时容易发生点腐蚀，因此，诸如CuCl2、FeCl3等氧化氯化物是强点腐蚀剂。不锈钢等钝化金属、表面涂层金属容易出现孔坑，坑小而深。典型的点腐蚀形式如图3-6，图3-7所示。图3-7TP312不锈钢管接头形态图3-8 NaCl中不锈钢的点腐蚀。17，图3-9是另一种形式的不锈钢(SUS317)，在Cl-溶液介质中浸泡，形成点腐蚀。，图3-9SUS317 Cl-水溶液浸泡形成的点蚀坑的解决和防止措施

9、；(1)改善介质条件，降低Cl-含量的措施；(2)双相钢等内点防腐合金材料的选择；(3)钝化材料表面，提高钝化稳定性；(4)阴极保护，将不锈钢放在稳定的钝化区。18，3.5晶间腐蚀，晶间腐蚀，晶间腐蚀在特定腐蚀介质中，沿晶间边界或晶间界附近的金属腐蚀导致晶间结合力断裂。这是一种很局部的腐蚀现象。在晶界，如果存在杂质，富含比较活跃的金属元素，或析出某个相，周围的合金元素就会贫乏，晶界或其相邻狭窄区域的化学稳定性就会下降，而介质对这些区域的侵蚀性大，剩余部分相对较少，可能会发生晶界腐蚀。发生晶界腐蚀后，金属的外形大小几乎没有变化，大部分保持金属光泽，但金属的强度和延展性大幅下降，冷成型后表面出现裂

10、纹，严重的人失去了金属的光泽特性。19，晶界腐蚀敏感部分腐蚀后，通过剖面金相分析，可以看出晶界或邻近地区局部腐蚀，甚至沿晶界腐蚀，推进比较均匀。图3-10，图3-11是典型的晶界腐蚀形式。焊缝附近的异边发生多种晶粒宽度的窄条晶界腐蚀，两相晶界发生严重晶界腐蚀。510 780 不锈钢回火加热区，特别是焊接接头的热影响区，由于晶界区铬差，晶界腐蚀倾向。在有色金属铝中含有少量的铁会因晶间沉淀而引起晶间腐蚀；高强度铝合金通过CuAl2化合物的沉淀强化，但是稀薄的铜和相邻金属之间的相当大的电位差可能会引起晶间腐蚀。20，图3-10不锈钢晶间腐蚀100度3-11相晶间腐蚀，晶间腐蚀解决和预防措施，(1)碳

11、含量减少为304L或316L必须小于0.03wt%，如所示；(2)合金、Ti、Nb、v等强碳化物元素的形成；(3)热处理，高温溶液处理-淬火和强化。21，应力腐蚀，4.1应力腐蚀(stresscorrosion)，应力腐蚀，应力腐蚀裂纹(SCC)是拉伸应力和腐蚀介质的相互作用导致的裂纹，表示脆性金属材料的破坏现象。材料在特定腐蚀介质中不受到应力的情况下几乎不会腐蚀，但当拉伸应力达到一定大小时，延性金属也会发生脆性裂纹，在破坏之前通常没有明显的迹象，导致致命的结果。应力腐蚀开裂通常有三个条件：敏感材料、拉伸应力和特定腐蚀介质。工程的典型SCC主要是黄铜的氨脆性、锅炉钢的碱脆性、低碳钢的硝酸盐脆性

12、和不锈钢的氯脆性。4，22，某些金属对SCC敏感，从一开始就受到热应力、冷加工、热加工等拉伸应力。当总应力超过临界应力值时，腐蚀环境中会发生应力腐蚀裂纹，从而产生裂纹，甚至断裂。裂缝的来源点往往是侵蚀或腐蚀洞的底部。裂纹扩展有晶界、晶界或混合。主裂纹通常与主应力垂直，如果存在分支裂纹，裂纹扩展得很快。断裂表现出脆断的特点。图3-12、图3-13是不锈钢SCC的裂纹形式。奥氏体不锈钢换热器、蒸发器和管道在含有氯离子的介质中最容易发生应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹预防方法，(1)临界裂纹应力下的附加应力控制；(2)更换对环境应力腐蚀开裂不敏感的材料。(3)电化学保护；(4)缓蚀剂。23，根据图3-12

13、不锈钢SCC分支裂纹图3-13SCC的确定裂纹(150)，24，4.2腐蚀疲劳(corrosionfatigue)，腐蚀疲劳(即腐蚀疲劳裂纹)表示由于交变载荷和腐蚀介质的作用而对金属的脆性破坏。，腐蚀疲劳包括，(1)无疲劳极限；(2)与应力腐蚀开裂不同，纯金属只要有腐蚀介质，就会发生腐蚀疲劳；(3)金属的腐蚀疲劳强度与耐蚀性有关。(4)腐蚀疲劳裂纹大部分发生在表面或坑内，裂纹源多，腐蚀疲劳裂纹主要通过晶体，沿晶体有裂纹。(5)腐蚀疲劳裂纹是易碎的断裂，没有宏观塑性变形，断裂有腐蚀物。25，图3-14是4Cr13马氏体不锈钢的腐蚀疲劳破坏形式，图3-15从宏观角度展示了SUS316不锈钢托盘的腐

14、蚀疲劳破坏形式。图3-14潜水电机滑板腐蚀疲劳裂纹破坏形式，图3-15316不锈钢腐蚀疲劳破坏形式。26、腐蚀疲劳裂纹防止方法，(1)降低材料表面粗糙度；(2)添加缓蚀剂；(3)电化学阴极保护；(4)表面渗铝、喷丸等表面硬化处理，形成压缩应力；(5)降低元件的工作应力。4.3氢脆(hydrogenembrittlement)、氢脆是氢离子扩散到金属内部，形成溶液状态或金属氢化物，导致金属韧性下降，材料易碎的现象。27、氢化物析出破坏了晶体结构的完整性，加上应力作用导致局部裂纹，材料易碎，这与应力腐蚀裂纹略有相似，但应力腐蚀裂纹出现在金属的阳极敏感区域，氢脆出现在金属阴极敏感区域，也称为氢致应力

15、腐蚀裂纹(HISCC)。氢脆是高强度合金钢中经常发生的隐患。氢损伤的解决和预防措施，(1)内部氢减少；(2)外部氢限制；(3)减少晶界分离、夹杂、电位等材料中的缺陷数。(4)代替低氢扩散系数的钢或合金，例如镍或镍基合金。在核电站，锆外壳在高温下运行时吸收腐蚀反应，生成氢，形成ZrH1.5脆性相，最终加速外壳材料的老化和脆性。28，4.4腐蚀磨损(corrosivewear)，腐蚀磨损是腐蚀性液体在金属表面相对移动速度较大时发生的金属的加速腐蚀现象，是流体加速腐蚀，流动也称为腐蚀的流体侵蚀和介质腐蚀的相互作用。但是，一般条件是腐蚀性流体包含固体颗粒。此时电化学腐蚀和机械磨损同时存在，两者的相互作用加快了材料的损伤过程。这对于材料的损坏相当严重。对于没有固体颗粒的腐蚀性流体，腐蚀磨损一般有三种类型：侵蚀、微振动腐蚀和空化腐蚀。解决和预防措施，(1)改进设计；(2)环境控制；(3)准确的材料选择。29，3.5假腐蚀(碱脆)，腐蚀性(causticcorrosion)是金属协同作用(如应力、温度和高浓度碱液)，材料因假钠腐蚀而易碎的现象，如图3-23所示，碱脆引起的裂纹和破裂是由拉伸应力、浓碱液的同时作用引起的，通常表示晶相裂纹特性。因此，碱脆本质上是氢脆裂纹的一种形式。在火电厂，碱脆是锅炉“4管”系统中常见的故障形式。在核电站中，反应堆1、2回路的冷却