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材料腐蚀失效形式与机理

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-14

  材料腐蚀失效形式与机理_材料科学_工程科技_专业资料。材料的腐蚀失效形式与机理 某某某 腐蚀的危害性 腐蚀机理和形式 主要 内容 全面腐蚀和局部腐蚀 应力作用下的腐蚀 苛性腐蚀(碱脆) 腐蚀的危害性 基本概况 所有材料都会与周围的环境介质发生相

  材料的腐蚀失效形式与机理 某某某 腐蚀的危害性 腐蚀机理和形式 主要 内容 全面腐蚀和局部腐蚀 应力作用下的腐蚀 苛性腐蚀(碱脆) 腐蚀的危害性 基本概况 所有材料都会与周围的环境介质发生相互作用, 故腐蚀问题遍及各行各业,从日常生活、工业生产、 国防工业等等。 凡有金属使用的地方,就有各种类型的腐蚀问题。 尤其在工业生产中,因介质性质使腐蚀变得更为重。 腐蚀使完好的金属设备局部泄漏,导致报废,甚至 造成重大的人员伤亡事故,危害性极大。 因此,腐蚀问题一直是世界各国高度关注并应解 决的工程技术难题。 世界腐蚀损失巨大 1937年美国壳牌公司 (Shell Company) 推算出,世界 每年因腐蚀造成的金属材料损失至少1亿吨以上腐蚀损失 占各国GDP的2 - 4%。 我国腐蚀损失更惊人 据 2002年中国工程院咨询项目《中国工业和自然 环境腐蚀问题的调查和对策 》的统计,我国当年因腐蚀 造成的直接经济损失超过5000 亿元。2013 年7月, 某 院士说仅海洋腐蚀引起的经济损失,我国每年就超过1.5 万亿元人民币。 腐蚀机理和形式 2.1 腐蚀机理(corrosion mechanism) 腐蚀是指材料与环境发生化学反应或电化学反应所造成 的破坏(DIN 50900- 2002)。 按腐蚀反应机理,腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是指反应前后无电子转移,原子价数不发生增 减 , 即反应过程没有电流的产生。 电化学腐蚀是材料表面与环境介质发生电化学反应而引 起的破坏。其特点是在腐蚀过程中有电流的产生, 反应前后 包含了电子转移、原子价数发生增减,这是典型的电化学反 应。 2.2 腐蚀破坏形式 全面腐蚀( general corrosion ) 也称均匀腐蚀( uniform corrosion ),腐蚀发生在整个 表面,腐蚀速度均匀一致,进程缓慢,危害性小,一般易预 防,如大气腐蚀等。 局部腐蚀( local corrosion ) 腐蚀发生在材料微区,隐蔽性大,腐蚀速度快,危害 性大,难以防范,比如海水中氯离子的点腐蚀。按破坏形 式区分,局部腐蚀主要有:电偶腐蚀、点腐蚀、隙缝腐蚀、 晶间腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀开裂 、腐蚀疲劳 、氢 脆等。 全面腐蚀和局部腐蚀 3.1 均匀腐蚀 均匀腐蚀是最普遍的腐蚀形式。 它是腐蚀介质均匀抵达 金属的各个表面上发生电化学反应, 宏观上表现为均匀减薄, 是典型的小阴极、大阳极 的腐蚀破坏形式。 电极反应 阳极 : Fe → Fen+ + ne ( 溶解) 阴极: : H2O +0.5O2 +2e → 2OH反应:Fe2+ +2OH- → Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + 2H2O +O2 → 4Fe(OH)3 进一步反应: Fe2+→ Fe3++e Fe3++3H2O → Fe(OH)3 +3H+ H+ + H+ → H2 ↑ 图3 - 1 电化学腐蚀反应 图3 - 2 是均匀腐蚀的圆杆形貌 金属在大气中的腐蚀、高压蒸汽管的高温氧化等均属 于均匀腐蚀。 解决方法:可以通过表面涂耐蚀涂层或镀层、缓蚀剂、 阴极保护、合理的设计、选择合适的材料等加以防止。 3.2 电偶腐蚀 (galvanic corrosion) 电偶腐蚀,也称接触腐蚀或异金属间腐蚀。 当电解质溶液中有两种金属接触时,由于氧浓差效应,电 极电位较负的贱金属成为阳极, 较高的贵金属成为阴极,构成 了腐蚀电池,贵金属受到了保护,这种现象叫电偶腐蚀。其电 极反应与均匀腐蚀基本相同。 例如,碳钢管板与钛管间就会构成电偶腐蚀( 图3-3) : 阳极 :Fe → Fe2++2e 阴极 :1/2O2 +H2O+2e → 2OH- 反应 : Fe2+ +2OH- → Fe(OH)2 4Fe(OH)2 + 2H2O +O2 → 4Fe(OH)3 进一步反应: 3Fe2++4H2O → Fe3O4 +8H++2e Fe2++ → Fe3++e Fe3++3H O → Fe(OH) +3H+ 钛材 碳钢 图 3-3 钛材与碳钢的电极电位序 图3-4 不同金属间的电极电位序(海水) 析氢反应 :2H++2e → 2H 不同的金属材料之间的组合在工程中常常不可避免,发 生电偶腐蚀比较普遍。例如,钢制泵轴、阀杆与石墨垫料接 触处,钢受到了电偶腐蚀;换热器管子与铸铁、钢制管板的 接触处,管板被加速腐蚀。 不同金属在海水中的电极电位排序如图3-4所示。 利用金属间的电极电位差及其电偶腐蚀原理,可以通过 对贱金属与有用金属部件进行配对,以牺牲贱金属阳极来达 到保护阴极材料。例如,表面喷铝、镀锌的金属部件就是成 功应用的实例。 解决和预防电偶腐蚀的措施 (1 )设计大阳极、小阴极的电偶组合或尽量让电偶序中 位臵靠近的材料放在一起; (2 )表面涂层; (3 )阴极保护,如外加电流、或者牺牲阳极块。 3.3 缝隙腐蚀(crevice corrosion ) 在腐蚀介质中,金属与金属或金属与非金属固体形成了 缝隙,宽度仅几十到几百个微米,电解质溶液进入了缝隙, 但又保持了溶液的停滞状态,由于缝隙表面和缝隙内部存在 氧的浓差,从而 形成了 腐蚀电池,见图3-5。而且,缝隙内 因活性阴离子移迁进去增多,使浸蚀性加剧,产生了缝隙腐 蚀。垢下腐蚀就是缝隙腐蚀的一种。 电极反应 阳极:M+ +Cl-→ MCl ( 缝隙内 ) MCl+H2O → MOH +H+ Cl- 阴极:H2O +0.5O2 +2e → 2OH- (缝隙外) (a) 形成机制 ( b )缝隙腐蚀原理 图3- 5缝隙腐蚀机理 缝隙内作为阳极加速腐蚀,缝隙外作为阴极腐蚀较微。 随着缝隙内阴离子浓度和酸度增大,缝隙腐蚀扩展,最终留 下月牙型腐蚀形态(图3-4a )。 缝隙腐蚀常发生在螺帽下、垫圈接触的法兰里面、搭接 接头、以及表面沉积物底部等部位。 解决和预防缝隙腐蚀的措施 (1 )合理设计结构型式; (2 )正确选材(普通 304 、316不锈钢易发生缝隙腐蚀); (3 )电化学保护; (4 )应用缓蚀剂(一定量的磷酸盐、铬酸盐等;对钢、铜、 锌等的保护有效)。 3.4 点腐蚀(pitting corrosion) 点腐蚀(点蚀)也叫孔蚀。它与缝隙腐蚀一样,是一种非 常局部的腐蚀形式, 与Cl-、F-等卤素离子有关 。它是一种 自催化过程,小孔内金属发生溶解,使孔内H+ 浓度增加, 虽 不发生氧的还原反应 ,但与小孔毗邻的表面,发生了氧的阴 极还原反应,使小孔可以迅速沿深度方向扩展。因而,点蚀 最具破坏性,隐蔽性强,在有Cl- 存在的介质中最易发生点蚀。 它的反应式与缝隙反应类似,反应过程如下: M+ +Cl-→ MCl ( 点蚀坑内) MCl +H2O →MOH +H+ Cl-(点蚀坑外) 金属表面不均匀性,如划痕、凹陷、夹杂物等,往往是点 蚀的源点,介质中卤素离子和氧化剂(如溶解氧)同时存在时 容易发生点蚀,故氧化性氯化物如CuCl 2 、FeCl3 等是强烈的 点蚀剂。 钝化金属如 不锈钢、表面镀层金属 较易发生点蚀坑, 蚀坑小而深。 典型的点腐蚀形貌如图3-6 、图3-7 所示。 图3 -7 TP312 不锈钢点蚀形貌 图3-8 不锈钢在 NaCl 中的点腐蚀 图3-9 是另一种不锈钢(SUS317 ) 在有Cl- 溶液介质中浸泡形成点腐蚀的 另一形貌。 解决和预防点腐蚀的措施 图3-9 SUS317 在含有Cl - 水溶液 中浸泡形成的点蚀坑 (1)改善介质条件,降低 Cl-含量; (2 )选用耐点腐蚀的合金材料,如双相钢; (3 )钝化材料表面,提高钝化稳定性; (4 )阴极保护,使不锈钢处于稳定钝化区。 3.5 晶间腐蚀(intergranular corrosion ) 晶间腐蚀是金属在特定腐蚀介质中沿晶粒边界或晶界 附近发生的腐蚀,从而使晶粒间结合力遭到破损。这是一 种非常局部的腐蚀现象。 晶界上由于存在杂质元素,较活泼的金属元素的富集 或某种相的析出,会引起周围某一合金元素的贫乏,使晶 界或其毗邻狭窄区域的化学稳定性降低,同时介质对这些 区域有较大的浸蚀性,其余部位相对较小,这样便出现了 晶间腐蚀。 发生晶间腐蚀后,金属的外形尺寸几乎不变,大多数 仍保持金属光泽,但金属的强度和延性大大下降,冷弯后 表面出现裂纹,严重者还失去金属的光泽性。 对晶间腐蚀敏感部位腐蚀后进行断面金相分析,可以发现 晶界或毗邻区域发生了局部腐蚀甚至晶粒脱落,腐蚀沿晶界 发展,推进较为均匀。图3-10 、图3-11是典型的晶间腐蚀形 态。 在紧靠焊缝处的二边,发生了几个晶粒宽度的狭条状晶 间腐蚀,二相晶界上发生严重的晶界腐蚀。 不锈钢在510 ~780 ℃ 的回火加热区,尤其在焊接接头 热影响区,由于晶界区贫铬出现了晶间腐蚀倾向。 在有色金属铝中,含少量的铁在晶界沉淀就会引起晶间 腐蚀;高强度铝合金因CuAl 2 化合物沉淀而强化,但在贫铜 和邻近金属间显著的电位差会导致晶间腐蚀。 图3 - 10 不锈钢晶间腐蚀 100 × 图3 - 11 相界晶间腐蚀 解决和预防晶间腐蚀的措施 (1 ) 降低含碳量须小于 0.03wt% ,如 304L 或 316L ; (2 ) 合金化, 加入形成强碳化物元素如 Ti 、 Nb 、 V ; (3 ) 热处理 ,高温固溶处理-淬火韧化。 应力作用下的腐蚀 4.1 应力腐蚀(stress corrosion ) 应力腐蚀,也称应力腐蚀开裂(SCC ),是指金属材 料在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下引发裂纹而发生脆 性断裂的现象。 材料在某些腐蚀介质中,不受应力作用时腐蚀甚微, 但当拉伸应力达到一定大小时,即使是韧性金属也会发生 脆性开裂,而且断裂前事先没有明显的征兆,因而往往造 成灾难性的后果。 应力腐蚀开裂一般有三个条件:敏感材料、拉伸应力 和特定的腐蚀介质。 工程中常见的SCC 主要有: 黄铜的氨脆、锅炉钢的碱 脆、低碳钢的硝脆和不锈钢的氯脆。 有些金属对SCC 很敏感,一开始就受到拉应力如热应力、 冷加工、热加工等残余应力。当总应力超过某个临界应力值, 在腐蚀环境下就发生应力腐蚀开裂,产生裂纹、甚至断裂。 裂纹的起源点往往是点蚀或腐蚀小孔的底部。裂纹扩展 有沿晶界、穿晶或混合型三种。主裂纹通常垂直于主应力, 并伴有分叉裂纹,裂纹扩展速度极快。断口呈脆断特征。图 3-12 、图3-13是不锈钢SCC的裂纹形态。 在含氯离子的介质中,奥氏体不锈钢热交换器、蒸发器及 管道最易发生应力腐蚀开裂。 防止应力腐蚀开裂的方法 (1 )将外加应力控制在临界开裂应力之下; (2 )更换用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。 图3 - 12 不锈钢 SCC 分叉裂纹 图3 - 13 SCC 的沿晶开裂( 150 ×) 4.2 腐蚀疲劳( corrosion fatigue) 腐蚀疲劳,即腐蚀疲劳开裂,是指金属在交变载荷 和腐蚀介质的共同作用下发生的脆性断裂。 腐蚀疲劳有以下几个特点: (1)没有疲劳极限( fatigue limit ); (2)与应力腐蚀开裂不同,纯金属只要有腐蚀介质存在, 也会发生腐蚀疲劳; (3)金属的腐蚀疲劳强度与其耐蚀性有关; (4)腐蚀疲劳裂纹大多起源于表面或凹坑,裂纹源数量 较多,腐蚀疲劳裂纹主要是穿晶,也有沿晶开裂; (5)腐蚀疲劳开裂是脆性断裂,没有宏观的塑性变形, 断口面上有腐蚀物。 图3 - 14是4Cr13 马氏体不锈钢腐蚀疲劳断裂形貌,图315是SUS316不锈钢塔板的腐蚀疲劳断裂形貌的宏观图。 图3-14 潜水电机滑板腐蚀 疲劳裂纹断裂形貌 图3 -15 316不锈钢的腐蚀疲劳断裂形貌 防止腐蚀疲劳开裂的方法 (1)降低材料表面的粗糙度; (2)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,形成压应力; (5) 降低构件的工作应力。 4.3 氢脆( hydrogen embrittlement) 氢脆是由于氢离子扩散到金属内部形成固溶态或金属氢化 物,导致金属韧性下降和材料变脆的现象。 氢化物的析出,破坏了晶体结构的完整性,在外加应力作 用下局部引发了裂纹,材料变脆,这与应力腐蚀开裂有点相似, 只是应力腐蚀开裂出现在金属的阳极敏感区,氢脆出现在金属 阴极敏感区,有时称为氢致应力腐蚀开裂(HISCC )。 氢脆是高强合金钢中经常出现的一种隐患。 在核电设备中,锆包壳在高温运行时,由于吸收腐蚀反应 生成氢,形成 ZrH1.5脆性相,最终加速包壳材料的老化和脆化。 解决和预防氢损伤的措施 (1)减少内氢; (2)限制外氢; (3)降低材料内的缺陷数量,如晶界偏析、夹杂物、位错等; (4)代用低氢扩散系数的钢或合金,如镍或镍基合金。 4.4 腐蚀磨损(corrosive wear ) 腐蚀磨损是指腐蚀性流体对金属表面作相对运动速度较 大时引起的金属加速腐蚀现象,这 是流体冲刷和介质腐蚀两 者的相互作用,比如流体加速腐蚀,也称流致腐蚀。 但是,常见的工况是腐蚀性流体含有固体粒子。这时, 电化学腐蚀与机械磨损同时存在,两者相互作用加速了材料 的损伤过程。这对材料的损伤相当严重。 对于不含固体粒子的腐蚀性流体,其腐蚀 磨损一般有三 种类型:冲蚀、微振腐蚀、空泡腐蚀。 解决和预防措施 (1)改进设计; (2)控制环境; (3)正确选材。 3.5 苛性腐蚀(碱脆) 苛性腐蚀(caustic corrosion) 是金属在应力、温度和高 浓度碱液等共同作用下,因苛性钠腐蚀而使材料变脆的现象, 称为碱脆(caustic embrittlement) ,如图3-23所示。 碱脆引起的开裂和断裂,是在拉应力、浓碱液同时作用 下发生的,一般呈沿晶开裂特征。 因此,碱脆实质上也是氢脆开裂的一种形式。 在火电厂,碱脆是锅炉 “四管”系统中常见的失效形 式。在核电站,反应堆一、二回路的冷却水,为了减少对材 料的腐蚀作用,分别加入联氨(N2H4)或LiOH 或磷酸盐等, 是在偏碱性工况下运行。冷却水在冷却剂滞留处容易产生游 离碱沉积,局部区域浓缩,再加上高温高压,会发生晶间腐 蚀,产生晶间裂纹,加速碱脆引起的局部破坏进程。 (a)宏观断口 (b)沿晶开裂 图3 - 16 过热器的碱脆断裂 对于锆合金、奥氏体不锈钢和镍基合金钢等,均存在碱 脆的危害性。 蒸发器传热管In-600曾发生过。 解决和预防苛性腐蚀的措施 1、控制锅水的相对碱度。 2、防止锅炉部件产生附加应力。 3、防止铆缝、胀口处发生泄漏。 谢谢!

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