全面腐蚀与局部腐蚀精讲课件.ppt

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1、1,第三章 全面腐蚀与局部腐蚀,3.1全面腐蚀3.2点腐蚀3.3缝隙腐蚀3.4电偶腐蚀3.5晶间腐蚀3.6选择性腐蚀3.7 应力腐蚀开裂3.8 腐蚀疲劳3.9 磨损腐蚀3.10 氢损伤,2,3.1 全面腐蚀,3,局部腐蚀,全面腐蚀,均匀腐蚀不均匀腐蚀,按材料腐蚀形态,点蚀（孔蚀）缝隙腐蚀及丝状腐蚀电偶腐蚀（接触腐蚀）晶间腐蚀选择性腐蚀,3.1.1 腐蚀的类型,4,各部位腐蚀速率接近金属的表面比较均匀地减薄，无明显的腐蚀形态差别同时允许具有一定程度的不均匀性,腐蚀的发生在金属的某一特定部位阳极区和阴极区可以截然分开，其位置可以用肉眼或微观观察加以区分同时次生腐蚀产物又可在阴、阳极交界的第三地点形

2、成,(1)全面腐蚀,(2)局部腐蚀,5,3.1.2 全面腐蚀,(1)全面腐蚀 腐蚀分布于金属的整个表面，使金属整体减薄(2)全面腐蚀发生的条件 腐蚀介质能够均匀地抵达金属表面的各部位，而且金属的成分和组织比较均匀(3)腐蚀速率的表示方法 均匀腐蚀速率失重或失厚 如通常用mm/a来表达全面腐蚀速率,6,腐蚀原电池的阴、阳极面积非常小，甚至用微观方法也无法辨认，而且微阳极和微阴极的位置随机变化整个金属表面在溶液中处于活化状态，只是各点随时间（或地点）有能量起伏，能量高时（处）呈阳极，能量低时（处）呈阴极，从而使整个金属表面遭受腐蚀,(4)全面腐蚀的电化学特点,7,8,3.2 点蚀,9,点蚀又称孔蚀

3、，是一种腐蚀集中在金属表面的很小范围内，并深入到金属内部的小孔状腐蚀形态，蚀孔直径小、深度深，其余地方不腐蚀或腐蚀很轻微。通常发生在易钝化金属或合金中，同时往往在有侵蚀性阴离子与氧化剂共存条件下发生,点蚀表面形貌和示意图,3.2.1 点蚀的概念,10,点蚀导致金属的失重非常小，由于阳极面积很小，局部腐蚀速度很快，常使设备和管壁穿孔，从而导致突发事故对点蚀的检查比较困难，因为蚀孔尺寸很小，而且经常被腐蚀产物遮盖，因而定量测量和比较点蚀的程度也很困难是破坏性和隐患性最大的腐蚀形态,3.2.2 点蚀的危害,11,3.2.3 点蚀的形貌,点蚀的截面金相照片,点蚀的断面形状（a）窄深形（b）椭圆形（c）

4、宽浅形（d）皮下形（e）底切形（f）水平形与垂直形,12,点蚀的形貌,13,满足材料、介质和电化学三个方面的条件,3.2.4 点蚀发生的条件,当钝化膜或阴极性镀层局部发生破坏时，破坏区的金属和未破坏区形成了大阴极、小阳极的“钝化-活化腐蚀电池”，使腐蚀向基体纵深发展而形成蚀孔,(1)点蚀多发生在表面容易钝化的金属材料上（如不锈钢、Al及Al合金）或表面有阴极性镀层的金属上（如镀Sn、Cu或Ni的碳钢表面）,14,不锈钢对卤素离子特别敏感，作用的顺序是：ClBrI。这些阴离子在金属表面不均匀吸附易导致钝化膜的不均匀破坏，诱发点蚀,(2)点蚀发生于有特殊离子的腐蚀介质中,15,(3)点蚀发生在特定

5、临界电位（点蚀电位或破裂电位Eb)以上,（a）EEb,（b）Eb EEp,（c）EEp,将形成新的蚀孔，已有蚀孔继续长大,不会形成新蚀孔，但原有蚀孔将继续发展长大,原有蚀孔再钝化而不再发展，也不会形成新蚀孔,具有活化-钝化转变行为的阳极极化曲线三个区域：,点蚀电位Eb在析氧电位以下由于点蚀而使电流密度急剧 上升的电位,保护电位Ep逆向极化曲线与正向极化曲线相交点(或电流降至零)所对应的电位,16,第一阶段蚀孔成核（发生）钝化膜破坏理论和吸附理论 第二阶段蚀孔生长（发展）“闭塞电池”的形成为基础，并进而形成“活化钝化腐蚀电池”的自催化理论,3.2.5 点蚀机理,17,当电极阳极极化时，钝化膜中的

6、电场强度增加，吸附在钝化膜表面上的腐蚀性阴离子（如 Cl离子）因其离子半径较小而在电场的作用下进入钝化膜，使钝化膜局部变成了强烈的感应离子导体，钝化膜在该点上出现了高的电流密度。当钝化膜溶液界面的电场强度达到某一临界值时，就发生了点蚀,（1）钝化膜破坏理论,18,吸附理论认为蚀孔的形成是阴离子(如Cl离子)与氧的竞争吸附的结果在除气溶液中金属表面吸附是由水形成的稳定氧化物离子一旦氯的络合离子取代稳定氧化物离子，该处吸附膜被破坏，而发生点蚀点蚀的破裂电位Eb是腐蚀性阴离子可以可逆地置换金属表面上吸附层的电位。当EEb时，氯离子在某些点竞争吸附强烈，该处发生点蚀,（2）吸附理论(吸附膜理论),19

7、,金属材料表面组织和结构的不均匀性使表面钝化膜的某些部位较为薄弱，从而成为点蚀容易形核的部位晶界、夹杂、位错和异相组织,（3）蚀孔成核位置,20,孕育期随溶液中Cl浓度增加和电极电位的升高而缩短Engell等发现低碳钢发生点蚀的孕育期 的倒数与Cl浓度呈线性关系。即：Cl在一定临界值以下，不发生点蚀,（4）蚀孔的孕育期,点蚀的孕育期,从金属与溶液接触到点蚀产生的时间,k常数,21,蚀孔内部的电化学条件发生了显著的改变，对蚀孔的生长有很大的影响，因此蚀孔一旦形成，发展十分迅速蚀孔发展的主要理论是以“闭塞电池”的形成为基础，并进而形成“活化-钝化腐蚀电池”的自催化理论,（5）蚀孔的生长（发展）,2

8、2,在反应体系中具备阻碍液相传质过程的几何条件，如在孔口腐蚀产物的塞积可在局部造成传质困难，缝隙及应力腐蚀的裂纹也都会出现类似的情况有导致局部不同于整体的环境存在导致局部不同于整体的电化学和化学反应,闭塞电池的形成条件,23,点蚀一旦发生，蚀孔内外就会发生一系列变化：(a)蚀孔外金属处于钝化态：阳极过程：M Mn+ne阴极过程：O2+H2O+4e 4OH-供氧充分(b)蚀孔内金属发生溶解：阳极过程：M Mn+ne阴极过程：O2+H2O+4e 4OH-氧扩散困难-缺氧吸氧反应孔内缺氧、孔外富氧供氧差异电池,蚀孔的自催化发展过程,24,(c)孔内金属离子浓度增加吸引Cl-向内迁移，310倍；金属离

9、子水解：氢离子浓度升高，pH下降（23），孔内严重酸化(d)孔内介质：HCl，金属处于活化溶解态；孔外富氧：表面维持钝化态；活化（孔内）-钝化（孔外）腐蚀电池，自催化,25,闭塞电池示意图,26,以不锈钢在充气的含Cl-的介质中的腐蚀过程为例说明点蚀生长过程孔蚀源形成后，孔内金属表面处于活态，电位较负；孔外金属表面处于钝态，电位较正孔内和孔外金属构成活态钝态微电偶腐蚀电池。具有大阴极小阳极的面积比阳极电流密度很大，蚀孔不断加深，孔外金属表面受到阴极保护，继续维持钝态,27,孔内发生阳极溶解，反应有 若介质为中性或若酸性，孔外反应为随着蚀孔的加深，阴、阳极位置彼此分开，二次腐蚀产物在孔口形成随腐

10、蚀的进行，孔口介质pH逐渐升高，水中可溶性盐（Ca（HCO3）转化为CaCO3沉淀。锈层和垢层一起在孔口堆积形成闭塞电池,28,闭塞电池形成后，孔内介质相对于孔外介质呈滞流态，溶解的阳离子不易往外扩散，孔外溶解氧也不易扩散进来随孔内金属阳离子浓度增加，孔外Cl-迁入维持电中性，使孔内形成氯化物的高浓度溶液,氯化物水解，产生更多的H+、Cl-，使溶液pH值下降，酸度增加，促使阳极溶解进一步加快加上受介质重力影响，蚀孔不断向深处发展，把金属断面蚀穿自催化酸化作用：由闭塞电池引起孔内酸化，从而加速金属腐蚀的作用,29,3.2.6 点蚀的评定方法,通过肉眼和低倍显微镜对被腐蚀的金属表面进行表观检查对照

11、标准样图，确定受腐蚀金属表面的孔蚀严重程度，测定蚀孔的数目、尺寸、形状和密度,(1)定性,评定孔蚀特征的标准样图,30,(2)定量,(a)失重测量,失重腐蚀速率，g/m2.h,金属初始重量，g,清除腐蚀产物后金属的重量，g,金属的面积，m2,腐蚀进行时间，h,单纯失重法不能全面反映材料的耐孔蚀性能,31,测量一定面积内10个最深孔的平均孔蚀深度和最大孔蚀深度。,(b)孔蚀深度测量,最深点蚀、平均侵蚀深度及点蚀因子的示意图,点蚀因子p实际测到的最深点深度d平均腐蚀深度,最大孔蚀深度和最大平均孔蚀深度测量具有实用的意义,32,(c)孔蚀数据的统计分析,发生孔蚀的概率：,p发生孔蚀的试样（区域）数试

12、样（区域）总数,孔蚀发生具有随机性，试验数据分散性大，重现性差，需用统计学进行分析金属表面发生孔蚀的概率与金属的孔蚀敏感性、溶液的侵蚀性、试样面积以及试验时间等因素有关,P可表征金属在该特定介质中对孔蚀的敏感性，但不能说明孔蚀的发展速度,33,3.2.7 蚀孔的影响因素,环境因素,冶金因素,与材料接触的腐蚀介质的特性,材料耐点蚀性能的差异,34,(a)介质类型材料通常在特定的介质发生点蚀，如不锈钢容易在含有卤素离子Cl、Br、I的溶液中发生点蚀，而铜对SO42则比较敏感。FeCl3、CuCl2：高价金属离子参与阴极反应，促进点蚀的形成和发展。,(1)环境因素,(b)介质浓度一般认为，只有当卤素

13、离子达到一定浓度时，才发生点蚀。产生点蚀的最小浓度可以作为评定点蚀趋势的一个参量。,35,(c)介质温度的影响 在相当宽的范围内，随温度的提高，不锈钢点蚀电位降低。这可能是温度升高，活性点增加，参与反应的物质运动速度加快，在蚀孔内难以引起反应物的积累，以及氧的溶解度明显下降等原因造成的。,36,(d)溶液pH的影响当pH10后，点蚀电位上升(e)介质流速的影响流速增大，点蚀倾向降低对不锈钢有利于减少点蚀的流速为1m/s左右若流速过大，则将发生冲刷腐蚀,37,改善介质条件降低溶液中的Cl含量，减少氧化剂（如除氧和Fe3、Cu2），降低温度，提高pH，使用缓蚀剂均可减少点蚀的发生选用耐点蚀的合金材

14、料近年来发展了很多含有高含量Cr、Mo，及含N、低C（0.03%）的奥氏体不锈钢。双相钢和高纯铁素体不锈钢抗点蚀性能良好。Ti和Ti合金具有最好的耐点蚀性能对材料表面进行钝化处理，提高其钝态稳定性阴极保护使电位低于Eb，最好低于Ep，使不锈钢处于稳定钝化区。这称为钝化型阴极保护，应用时要特别注意严格控制电位,3.2.8 防止点蚀的措施,38,3.3 缝隙腐蚀,39,3.3.1 缝隙腐蚀的定义和特点,在工程结构中，一般需要将不同的结构件相互连接，缝隙是不可避免的缝隙腐蚀将减小部件的有效几何尺寸，降低吻合程度缝内腐蚀产物的体积增大，形成局部应力，并使装配困难，因此应尽量避免,缝隙腐蚀,在腐蚀环境中

15、，因金属部件与其他部件（金属或非金属）之间存在间隙，引起缝隙内金属加速腐蚀的现象,特点,40,41,在螺母下的缝隙腐蚀,在自由表面上的点蚀,42,3.3.4 缝隙腐蚀机理,与点蚀腐蚀机理相似。,43,3.3.6 防止缝隙腐蚀的措施,合理设计避免缝隙的形成最能有效地预防缝隙腐蚀的发生选材根据介质的不同选择适合的材料可以减轻缝隙腐蚀 电化学保护阴极保护有助于减轻缝隙腐蚀应用缓蚀剂采用足量的磷酸盐、铬酸盐和亚硝酸盐的混合物，对钢、黄铜和Zn结构是有效的，也可以在结合面上涂有加缓蚀剂的油漆,44,3.3.7 点蚀与缝隙腐蚀的比较,由于几何形状或腐蚀产物在缝隙、蚀坑或裂纹出口处的堆积，使通道闭塞，限制了

16、腐蚀介质的扩散，使孔内或缝隙内介质组分、浓度和pH值与整体介质差异很大，形成闭塞电池腐蚀,相似成长机理一致闭塞电池,不同形成过程不同,缝隙腐蚀腐蚀前缝隙已经存在，腐蚀一开始就是闭塞电池作用，闭塞程度大。由于介质的浓差引起，形态广而浅，更易发生点蚀腐蚀过程逐渐形成蚀坑（闭塞电池），而后加速腐蚀，由于钝化膜的破坏引起，形态窄而深,45,3.4 电偶腐蚀,46,3.4.1 电偶腐蚀的定义和特点,在工程技术中，不同金属的组合是不可避免的，几乎所有的机器、设备和金属结构件都是由不同的金属材料部件组合而成，电偶腐蚀非常普遍利用电偶腐蚀的原理可以采用贱金属的牺牲对有用的部件进行牺牲阳极阴极保护,电偶腐蚀,又

17、称接触腐蚀或异（双）金属腐蚀,在电解质溶液中，当两种金属或合金相接触（电导通）时，电位较负的金属腐蚀被加速，而电位较正的金属受到保护的腐蚀现象,特点,47,电偶腐蚀示意图,（a）大阳极小阴极（b）大阴极小阳极：应该避免,48,电偶序,实际腐蚀体系：非纯金属、杂质或合金、钝化膜电动序并不适用,电偶序实际金属或合金在特定适用介质中的实际电位（非平衡）的次序。不同介质中具有不同的电偶序,电偶腐蚀的推动力电偶腐蚀与相互接触的金属在溶液中的电位有关，正是由于接触金属电位的不同，构成了电偶腐蚀原电池，接触金属的电位差是电偶腐蚀的推动力,电动序金属置于含有该金属盐的溶液中在标准条件下测定的热力学平衡电位,材

18、料在电偶序中的位置，只能反映其腐蚀倾向，不能表示其腐蚀速率,49,金属及合金在海水中的电偶序,阴极（贵）,Pt,Au,石墨,Ti,Ag,Zr,304不锈钢（钝化）,Ni（钝化）,70Cu-30Ni,青铜,Cu,黄铜,Ni（活化）,Sn,Pb,304不锈钢（活化）,铸铁,钢和铁,2024铝合金,Zn,Mg和Mg合金,阳极（贱）,铸铁与钢接触时电偶腐蚀可以忽略,铝与钢连接，铝端快速腐蚀,50,3.4.3 电偶腐蚀的影响因素,电位差两种金属在电偶序中的起始电位差越大，电偶腐蚀倾向就越大极化极化是影响腐蚀速度的重要因素，无论是阳极极化还是阴极极化，当极化率减小时，电偶腐蚀都会加强溶液电阻通常阳极金属腐

19、蚀电流的分布是不均匀的，距连接处越远，电流传导的电阻越大，腐蚀电流就越小。溶液电阻影响电偶腐蚀作用的距离为“有效距离”。电阻越大，“有效距离”越小,(1)电化学因素,51,金属的稳定性因介质条件（成分、浓度、pH、温度等）的不同而异，因此当介质条件发生变化时，金属的电偶腐蚀行为有时会因出现电位逆转而发生变化,（2）介质条件,阳极面积减小，阴极面积增大，导致阳极金属腐蚀加剧腐蚀电池中，阳极电流=阴极电流，阳极面积越小，其电流密度越大，腐蚀速率也就越高用钢制铆钉固定铜板小阳极-大阴极，钢制铆钉被强烈腐蚀用铜铆钉连接钢板大阳极-小阴极，电偶腐蚀比较小,（3）面积效应,52,3.4.4 防止电偶腐蚀的

20、措施,设计和组装首先应避免“小阳极大阴极”的组合，其次是尽量选择在电偶序中位置靠近的金属进行组装。在不同的金属部件之间采取绝缘措施可有效防止电偶腐蚀。涂层在金属上使用金属涂层和非金属涂层可以防止或减轻电偶腐蚀阴极保护可采用外加电源对整个设备施行阴极保护，也可以安装一块电位比两种金属更负的第三种金属使它们都变为阴极,53,3.5 晶间腐蚀,54,3.5.1 晶间腐蚀的定义和特点,晶间腐蚀是一种危害性很大的局部腐蚀，宏观上可能没有任何明显的变化，但材料的强度几乎完全丧失，经常导致设备的突然破坏。晶间腐蚀常常会转变为沿晶应力腐蚀开裂，成为应力腐蚀裂纹的起源。在极端的情况下，可以利用材料的晶间腐蚀过程

21、制造合金粉末,晶间腐蚀,金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶粒边界或晶界附近发生腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部破坏的腐蚀现象,特点,55,56,3.5.2 晶间腐蚀产生的原因,多晶体的金属和合金本身的晶粒和晶界的结构和化学成分存在差异晶界处的原子排列较为混乱，缺陷和应力集中、位错和空位等在晶界处积累，导致溶质、各类杂质（如S、P、B、Si和C等）在晶界处吸附和偏析，甚至析出沉淀相（碳化物、相等），从而导致晶界与晶粒内部的化学成分出现差异，产生了形成腐蚀微电池的物质条件在晶界和晶粒构成的腐蚀原电池中，晶界为阳极，晶粒为阴极。由于晶界的面积很小，构成“小阳极大阴极”,57,3.5.3 晶间

22、腐蚀机理,(1)贫Cr理论晶界碳化物析出,Ni-Cr不锈钢敏化处理后出现严重晶间腐蚀敏化处理（427816oC保温缓冷）晶界析出连续的M23C6型Cr的碳化物，使晶界产生严重的贫Cr区。,当碳化物沿晶界析出并进一步生长时，所需要的C和Cr依靠由晶内向晶界扩散由于C的扩散速度比Cr高，于是固溶体内几乎所有的C都用于生成碳化物,58,析出相附近Cr含量降低,而只有晶界附近的Cr能参与碳化物的生成反应，结果在晶界附近形成一条贫Cr带，Cr含量低于发生钝化所需的12%。从而，在弱氧化性介质中，晶界贫Cr区快速溶解。,59,当超低碳不锈钢(由于碳化物析出引起的晶间腐蚀减少)，特别是高Cr、Mo钢在650

23、850受热后，在强氧化性介质中仍会产生晶间腐蚀在晶界形成了由FeCr或MoFe金属间化合物组成的相，在过钝化即强氧化的条件下，相发生严重的选择性溶解,(2)阳极相理论晶界相析出并溶解,60,3.5.4 晶间腐蚀的影响因素,18Cr9Ni不锈钢晶界Cr23C6沉淀与晶间腐蚀的关系,750以上时，析出不连续颗粒，Cr扩散也容易，不产生晶间腐蚀 600700之间，析出网状Cr23C6，晶间腐蚀最严重低于600，Cr、C扩散缓慢，需要更长时间才能形成碳化物，晶间腐蚀减弱当温度低于450就难于晶间腐蚀,(1)温度和时间TTS（TemperatureTimeSensitivity）曲线,61,不发生晶间腐

24、蚀区,0.05%C-18.48%Cr-9.34%Ni不锈钢的晶间腐蚀范围(TTS曲线),62,1000 900 800 700 600 500 400,0.1 1 10 100 100 1000 10000,析出温度(),析出时间(小时),含碳量对18-8不锈钢出现晶间碳化铬析出温度和折出时间的影响,含碳量%,63,(2)合金成分,C奥氏体不锈钢中含碳量越高，产生晶间腐蚀倾向的加热温度和时间范围扩大，TTS曲线左移，晶间腐蚀倾向越大Cr、Mo、Ni、SiCr、Mo含量增高，可降低C的活度，有利于减轻晶间腐蚀倾向。Ni、Si等非碳化物形成元素会提高C的活度，降低C在奥氏体中的溶解度，促进C的扩散

25、和碳化物的析出,64,Ti、NbTi和Nb是非常有益的元素。Ti和Nb与C的亲合力大于Cr与C的亲合力，因而在高温下能先于Cr形成稳定的TiC和NbC，从而大大降低了钢中的固溶C量，使Cr23C6难以析出。实验表明：Ti和Nb使TTS曲线右移，降低晶间腐蚀倾向B在不锈钢中加入0.0040.005%的B可使TTS曲线右移。这可能是B在晶界的吸附减少了C、P在晶界的偏聚之故,65,3.5.5 防止晶间腐蚀的措施,降低含碳量低碳不锈钢,甚至是超低碳不锈钢,可有效减少碳化物析出造成的晶间腐蚀合金化在钢中加入Ti或Nb，析出TiC或NbC，避免贫Cr区的形成还可以通过调整钢的成分，形成双相不锈钢。由于相

26、界的能量更低，碳化物择优在相界析出，从而减少了在晶界的沉淀,66,适当的热处理对含碳量较高（0.060.08）的奥氏体不锈钢，要在10501100进行固溶处理；对铁素体不锈钢在700800进行退火处理；加Ti和Nb的不锈钢要经稳定化处理。适当的冷加工在敏化前进行3050的冷形变，可以改变碳化物的形核位置，促使沉淀相在晶内滑移带上析出，减少在晶界的析出。,67,3.6 选择性腐蚀,68,6.6.1 选择性腐蚀的定义和特点,在二元或多元合金中，较贵的金属为阴极，较贱的金属为阳极，构成成分差异腐蚀原电池，贵的金属保持稳定或与较活泼的组分同时溶解后再沉积在合金表面，而较贱的金属发生溶解 比较典型的选择

27、性腐蚀是黄铜脱Zn和铸铁的石墨化腐蚀,选择性腐蚀,多元合金中较活泼组分的优先溶解，这个过程是由于合金组分的电化学差异而引起的,特点,69,3.6.2 黄铜脱Zn,CuZn合金，加Zn可提高Cu的强度和耐冲蚀性能，但随Zn含量的增加，脱锌腐蚀和应力腐蚀将变得严重。黄铜脱锌即是Zn被选择性溶解，留下了多孔的富Cu区，从而导致合金强度大大下降,阳极反应：ZnZn2+2e，Cu Cu 2+e 阴极反应：O2+2H2O+4e 4OH-Zn2+留在溶液中，而Cu2+与溶液中氯化物作用形成Cu2Cl2，并分解：Cu2+2Cl-+Cu Cu2Cl2 Cu2Cl2 Cu+CuCl2Cu又沉淀到基体上，总的效果是

28、Zn溶解，留下多孔的Cu,70,3.6.3 石墨化腐蚀,灰口铸铁中的石墨以网络状分布在铁素体中，在介质为盐水、矿水、土壤（尤其是含有硫酸盐的土壤）或极稀的酸性溶液中，发生了铁基体的选择性腐蚀，而石墨沉积在铸铁的表面，铸铁被“石墨化”了在铸铁的石墨化腐蚀中，石墨对铁为阴极，形成了高效原电池，铁被溶解后，成为石墨、孔隙和铁锈构成的多孔体，使铸铁失去了强度和金属性,71,3.7 应力腐蚀开裂,72,3.7.1 应力腐蚀开裂（Stress Corrosion CrackingSCC）,通常在某种特定的腐蚀介质中，材料在不受应力时腐蚀甚微而受到一定的拉伸应力时（可远低于材料的屈服强度），经过一段时间后，

29、即使是延展性很好的金属也会发生脆性断裂断裂事先没有明显的征兆，往往造成灾难性的后果,应力腐蚀开裂,受一定拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介质中，由于腐蚀介质和应力的协同作用而发生的脆性断裂现象,特点,73,应力腐蚀开裂形貌,74,由于这种脆裂事先没有明显的征兆，所以往往会造成灾难性的后果，如桥梁坍塌、飞机失事、油罐爆炸、管道泄漏等等，带来巨大的经济损失和人员伤亡。应力腐蚀已成为腐蚀科学最重要的研究课题之一。,75,3.7.2 产生SCC的基本条件,SCC需要同时具备三个条件,敏感的金属材料,特定的腐蚀介质,足够大的拉伸应力,76,几乎所有的金属或合金在特定的介质中都有一定的SCC敏感性，合金

30、和含有杂质的金属比纯金属更容易产生SCC,纯度99.99%的Cu在含氨介质中不会发生腐蚀断裂，但含有0.04%的P和0.01%的Sb时则发生开裂纯度99.99%的Fe在硝酸盐中很难开裂，但含0.04%C时则容易产生硝脆,(1)敏感材料,77,每种合金的SCC只对某些特定的介质敏感，并不是任何介质都能引起SCC,材料与环境的交互作用反映在电位上就是SCC一般发生在活化钝化或钝化过钝化的过渡区电位范围，即钝化膜不完整的电位区间,(2)特定介质,78,含氯离子水溶液、有机溶剂,锆合金,熔融氢氧化物、热浓氢氧化物溶液、HF蒸汽和溶液,镍和镍合金,湿空气、高纯水、氟化物、KClK2CrO4溶液,镁和镁合

31、金,发烟硝酸、甲醇（蒸汽）、NaCl溶液（290）、HCl（10，35）、H2SO4（6-7）、湿Cl2（288，346，427）、N2O4（含O2，不含NO，24-74）,钛和钛合金,含NH4+的溶液、氨蒸汽、汞盐溶液、SO2大气、水蒸汽,铜和铜合金,熔融NaCl、湿空气、海水、含卤素离子的水溶液、有机溶剂,铝合金,氯化物水溶液、高温高压含氧高纯水、连多硫酸、碱溶液,奥氏体不锈钢,各种水介质、含痕量水的有机溶剂、HCN溶液,高强钢,NaOH溶液、硝酸盐溶液、含H2S和HCl溶液、COCO2H2O、碳酸盐、磷酸盐,低碳钢,介 质,材 料,一些金属和合金产生SCC的特定介质,79,工作状态下材料

32、承受外加载荷造成的工作应力在生产、制造、加工和安装过程中在材料内部形成的热应力、形变应力等残余应力由裂纹内腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用或是阴极反应形成的氢产生的应力,发生SCC必须有一定拉伸应力的作用,(3)拉伸应力,80,3.7.3 SCC的特征,典型的滞后破坏裂纹分为晶间型、穿晶型和混合型裂纹扩展速度比均匀腐蚀快约106倍SCC开裂是一种低应力的脆性断裂,81,(1)SCC是典型的滞后破坏,材料在应力和腐蚀介质共同作用下，需要经过一定时间使裂纹形核、裂纹亚临界扩展，并最终达到临界尺寸，发生失稳断裂。应力腐蚀过程可分为以下阶段：,孕育期裂纹萌生阶段，即裂纹源成核所需时间，约占整个时间的9

33、0左右裂纹扩展期裂纹成核后直至发展到临界尺寸所经历的时间快速断裂期裂纹达到临界尺寸后，由纯力学作用裂纹失稳瞬间断裂,82,整个断裂时间，与材料、介质、应力有关，短则几分钟，长可达若干年。对于一定的材料和介质，应力降低，断裂时间延长对大多数的腐蚀体系来说，存在一个临界应力th（应力腐蚀开裂门槛值KISCC），在此临界值以下，不发生SCC,83,（2）裂纹形态,SCC裂纹分为晶间型、穿晶型和混合型三种裂纹的途径取决于材料与介质，同一材料因介质变化，裂纹途径也可能改变,应力腐蚀裂纹的主要特点：,裂纹起源于表面裂纹的长宽不成比例，相差几个数量级裂纹扩展方向一般垂直于主拉伸应力的方向裂纹一般呈树枝状,8

34、4,晶间型裂纹沿晶界扩展，如软钢、铝合金、铜合金、镍合金等穿晶型裂纹穿越晶粒而扩展，如奥氏体不锈钢、镁合金等混合型钛合金,晶间型,穿晶型,85,（3）SCC裂纹扩展速度,SCC裂纹扩展速度一般为10-6-10-3mm/min，比均匀腐蚀快约106倍，仅为纯机械断裂速度的10-10。,86,（4）低应力的脆性断裂,断裂前没有明显的宏观塑性变形，大多数条件下是脆性断口解理、准解理或沿晶由于腐蚀的作用，断口表面颜色暗淡，可见腐蚀坑和二次裂纹穿晶型：微观断口往往具有河流花样、扇形花样、羽 毛状花样等形貌特征晶间型：显微断口呈冰糖块状,87,88,沿晶应力腐蚀开裂-IGSCC,89,穿晶应力腐蚀开裂-T

35、GSCC,90,1）阳极快速溶解理论 该理论认为裂纹一旦形成，裂纹尖端的应力集中导致裂纹尖端前沿区发生迅速屈服，晶体内位错沿着滑移面连续地到达裂纹尖端前沿表面，产生大量瞬间活性溶解质点，导致裂纹尖端(阳极)快速溶解。,据有关文献报导，裂纹尖端处的电流密度高达0.5Acm2，而裂纹两侧仅约为10-5 Acm2。,3.7.4应力腐蚀断裂机理,1.阳极溶解为主的理论,91,2)闭塞电池理论,金属表面是由钝化膜覆盖，并不直接与介质接触。在应力或活性离子的作用下易引起钝化膜破裂，露出活性的金属表面。介质沿着某一择优选径浸入并溶解活性金属，最终导致应力腐蚀断裂。,3)膜破裂理论，又称滑移-溶解-断裂理论,

36、与点蚀相似,92,93,有点蚀坑形成时，应力的作用下从点蚀坑底部可诱发SCC裂纹,SCC微观观察,SCC裂纹尖端高分辨像,94,奥氏体不锈钢的SCC机理,Cr-Ni奥氏体不锈钢在热浓的MgCl2溶液中产生应力腐蚀断裂，即从裂纹尖端产生阳极溶解而引起的断裂滑移-溶解-断裂机理。,奥氏体不锈钢表面有一层Cr、Ni氧化物构成的钝化膜，在MgCl2溶液中稳定性较差,在应力作用下，位错沿着滑移面运动至金属表面，在表面产生滑移台阶，使表面膜产生局部破裂并暴露活泼的新鲜金属,95,有膜和无膜的金属及缺陷处形成钝化-活化微电池，无膜的局部区域电化学溶解；表面膜为腐蚀提供了阴极，又使阳极溶解集中在局部区域，形成

37、蚀坑。,伴随着阳极溶解产生阳极极化，使阳极周围钝化，在蚀坑即裂纹尖端周边重新生成钝化膜，随后在拉应力继续作用下，蚀坑底部应力集中，钝化膜再次破裂，形成新的活性阳极区，继续深入地进行阳极溶解,96,如此反复作用，应力腐蚀破裂的裂纹不断向开裂的前沿发展，造成纵深穿晶的裂纹，直至断裂,抑制横向溶解的主要因素是再钝化,滑移-溶解-断裂理论:,表面膜的形成,应力作用下金属产生滑移引起表面膜的破裂,裸露金属的阳极溶解,裸露金属的再钝化,97,3.7.5 防止SCC的措施,改进结构设计，减小应力集中和避免腐蚀介质的积存在部件的加工、制造和装配过程中尽量避免产生较大的残余应力可通过热处理、表面喷丸等方法消除残

38、余应力,（）选材,根据材料的具体使用环境，尽量避免使用对SCC敏感的材料,（）消除应力,98,使用有机涂层可将材料表面与环境分开使用对环境不敏感的金属作为敏感材料的镀层，都可减少材料SCC敏感性,（）涂层,控制或降低有害的成分在腐蚀介质中加入缓蚀剂通过改变电位、促进成膜、阻止氢或有害物质的吸附等，影响电化学反应动力学而起到缓蚀作用，改变环境的敏感性质,（）改善介质环境,99,应力腐蚀开裂发生在活化钝化和钝化过钝化两个敏感电位区间可以通过控制电位进行阴极保护或阳极保护防止SCC的发生,（）电化学保护,100,3.8 腐蚀疲劳 腐蚀疲劳是指材料或构件在交变应力与腐蚀环境的共同作用下产生的脆性断裂。

39、P80 腐蚀疲劳的特点，腐蚀疲劳机理，影响因素和控制措施（自习）,3.9 磨损腐蚀 腐蚀介质与金属表而间的相对运动引起金属加速破坏或腐蚀称为磨损腐蚀，简称磨蚀。,两种表现形式：湍流腐蚀和空泡腐蚀,101,湍流腐蚀,形貌特征：形成深谷或马蹄形的凹槽，一般按腐蚀流体的流动方向切入金属表面层，蚀谷光滑没有腐蚀产物积存。,102,空泡腐蚀,内于流体与金属构件做高速相对运动，在金属表面局部地区产生涡流，伴随有气泡在金属表面迅速生成和破灭所引起的磨蚀，又称为空穴腐蚀或气蚀。,空泡腐蚀机理，一般认为是气泡破灭的冲击波和电化学腐蚀对金属联合作用所造成的，或者认为破灭的气泡损坏了表面膜，结果使腐蚀加速。,103

40、,（1）形成气泡（2）气泡破灭，膜破坏（3）重新成膜,（4）形成新气泡(5)气泡破灭，膜毁坏（6）重新成膜,空泡腐蚀各步骤示意图（根据 Henlee）,104,油管接箍发生气蚀的蜂窝状形貌,105,3.10 氢损伤,氢损伤是氢与材料交互作用引起的一种现象。,内氢是指冶炼、铸造、热处理、酸洗、电镀、焊接等工艺过程中引入的氢；外氢(环境氢)是指在金屈表面产生活性氢原子然后进入金属中。,一、氢的来源,106,二、分类,根据氢引起金属破坏的条件、机理和形态，可分为氢鼓泡、氢脆、氢腐蚀。,2.氢鼓泡,氢脆是指出于氢扩散到金属中以固溶态存在或生成氢化物而导致材料断裂的现象。,1.氢脆,氢鼓泡是指过饱和的氢原子在缺陷位置析出后，形成氢分子，在局部区域造成高压，引起表面鼓泡或形成内部裂纹，使材料裂开的现象。,107,3.氢腐蚀,氢腐蚀指在高温(200oC以上)、高压条件下，氢进入金属，产生合金组分与氢化学反应生成氧化物等物质，导致合金强度下降以至沿品界开裂的现象。,当气泡在品界上达到一定压力后，造成沿品界开裂、脆化。,例如：,108,重点：全面腐蚀特征2.点蚀的特征，产生条件，机理和影响因素3.晶间腐蚀特征，产生条件，机理和影响因素 TTS曲线4.应力腐蚀特征，产生条件，机理和影响因素,