应力腐蚀的原理及防护方法（金属的应力腐蚀危害巨大）
应力腐蚀的原理及防护方法（金属的应力腐蚀危害巨大）4）金属材料的表面状态对金属的腐蚀过程的进行有显著的影响。3）局部一旦遭到破坏；常常造成突发事件；金属腐蚀的危害非常大，它不仅仅对金属材料本身造成破坏，更重要的是使制品的等级下降、精度、灵敏度等受损，影响其使用价值甚至报废。1）腐蚀造成的破坏一般先从金属表面开始，然后伴随着金属腐蚀过程进一步发展；2）腐蚀破坏扩展到金属材料的内部；并使金属性质和组成发生改变。这种破坏往往是局部向整体扩展；
材料腐蚀的基本概念
一.腐蚀的基本概念
腐蚀：物质的表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的现象。
材料的腐蚀是一种自发进行的过程，是物质由高能态向低能态的转变形式。材料的腐蚀具有双重性。通常腐蚀对金属构件是有害的，但有时可以利用腐蚀现象对金属材料进行电化学加工，如制备信息硬件的印刷线路板，制取奥氏体不锈钢粉末等。
金属腐蚀的危害非常大，它不仅仅对金属材料本身造成破坏，更重要的是使制品的等级下降、精度、灵敏度等受损，影响其使用价值甚至报废。
1）腐蚀造成的破坏一般先从金属表面开始，然后伴随着金属腐蚀过程进一步发展；
2）腐蚀破坏扩展到金属材料的内部；并使金属性质和组成发生改变。这种破坏往往是局部向整体扩展；
3）局部一旦遭到破坏；常常造成突发事件；
4）金属材料的表面状态对金属的腐蚀过程的进行有显著的影响。
二． 腐蚀的类型
1．根据金属腐蚀的机理不同分类
1）化学腐蚀：金属表面或非电解质直接发生化学作用而引起的破坏，非电解质是指干燥气体、高温气体、非电解质溶液等。金属的高温氧化不属于电化学腐蚀。金属在非电解质溶液中的腐蚀是指金属在有机物液体中的腐蚀。
2）电化学腐蚀：金属表面与电解质溶液发生电化学反应而引起的破坏。（阳极反应与阴极反应）
腐蚀电池形成原因举例
2． 根据腐蚀的环境分类
1） 大气腐蚀：金属在大气环境下发生的腐蚀。
2） 海水腐蚀：金属构件在海洋环境中发生的腐蚀。
3） 淡水腐蚀：金属在硬水或软水中的腐蚀。
4） 土壤腐蚀：金属在土壤中的腐蚀。
5） 化工介质腐蚀：酸、碱、盐溶液、有机化合物。
6） 熔融介质腐蚀：熔融盐、碱、高温液体金属。
3． 根据腐蚀破坏的外部特征分类
1） 全面腐蚀：均匀腐蚀，腐蚀分布在整个表面上并连成一片的腐蚀破坏。
2）不均匀腐蚀：腐蚀主要发生在金属表面的某一区域，而表面的其他部分未被破坏。
金属腐蚀破坏形态
1-均匀腐蚀，2-不均匀腐蚀，3-选择性腐蚀，4-应力腐蚀，
5-斑点腐蚀，6-溃疡腐蚀，7-孔蚀，8-缝隙腐蚀，
9-晶间腐蚀，10-穿晶腐蚀，11-表面下腐蚀，12-疲劳腐蚀
3） 应力和环境共同作用下的腐蚀
a. 应力腐蚀断裂：拉应力下的电化学腐蚀；
b. 腐蚀疲劳：交变应力下电化学腐蚀：船用螺旋桨推进器、涡轮及涡轮叶片、内燃机连杆；
c. 氢损伤：氢脆、氢鼓泡、氢蚀。
三、耐蚀性及其评定方法
金属材料在某一环境介质下承受或抵抗腐蚀的能力――称为金属材料的耐蚀性或抗蚀性。
1、均匀腐蚀的程度与评定方法
1）腐蚀速度的质量指标• 金属因腐蚀而发生质量变化，在失重时是指腐蚀前的质量与清除腐蚀产物后的质量之间的差值。
用下式表示
V-－失重时的腐蚀速度g/m2h
W0－金属初始质量
W1－清除腐蚀产物后的质量
S－金属的表面积
t－腐蚀时间
在增重时是指腐蚀后带有腐蚀产物时的质量与腐蚀前的质量之间的差值。用下式表示:
V －增重时的腐蚀速度g/m2h
W2－带有腐蚀产物的金属质量
2）金属腐蚀速度的深度指标
把金属的厚度因腐蚀减少的量，以线量单位表示，并换算成相当于单位时间的数值。在衡量密度不同的金属腐蚀程度时，此种指标极为方便。
可按下式将腐蚀的失重指标换算成腐蚀的深度指标：
VL= V-×24×365×10-3/ρ= V-×8.76/ρ
VL－腐蚀的深度指标 mm/a （毫米/年）
ρ－金属的密度 g/cm3
3）均匀腐蚀金属耐蚀性的评定
对于均匀腐蚀的金属材料，耐蚀性等级的划分大多采用深度指标，但金属腐蚀深度一般是随时间变化的，所以从腐蚀手册查到的资料难以精确地反映出实际情况，因此选用评定标准时，应考虑实际情况和使用期限。
2、局部腐蚀的程度与评定方法
1）局部腐蚀程度的表示方法
金属的局部腐蚀其质量及外形尺寸一般没有明显变化，但其力学性能下降。为判断金属局部腐蚀的程度，可以进行力学性能试验测定金属腐蚀后的性能变化加以评定：
腐蚀强度指标：指材料腐蚀前后的强度极限变化率。
Kσ=[(σb-σ’b)/ σb] ×100%(腐蚀时间t后)
Kσ－腐蚀强度指标
σb－腐蚀前强度
σ’b－腐蚀后强度
腐蚀的延伸率指标：指材料腐蚀前后延伸率的变化。
Kδ=[(δ-δ’)/ δ]×100%(腐蚀时间t后)
2）局部腐蚀耐蚀性评定
局部腐蚀的种类和测试方法很多，评定标准也不尽相同，所以应根据局部腐蚀的类型选择表示腐蚀程度的指标，按其使用条件与要求选用评定标准。
金属材料的应力腐蚀断裂
应力腐蚀断裂SCC：拉应力和特定介质共同作用下所引起的断裂。
一．应力腐蚀断裂的条件及特征
1、应力腐蚀现象
低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含有硝酸根离子介质中的“硝脆”。
奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”。
铜合金在氨气介质中的氨脆。
2、产生条件
1）应力：机件所承受的应力包括工作应力和残余应力。在化学介质诱导开裂过程起作用的是拉应力，且产生应力腐蚀的应力不一定很大。
2）化学介质：只有在特定的化学介质中，某种金属材料才能产生应力腐蚀。
3）金属材料：一般纯金属不会产生应力腐蚀，所有合金对应力腐蚀均有不同程度的敏感性。在每一种合金系列中，都有对应力腐蚀不敏感的合金成分（如镁铝合金）。
常用金属材料发生应力腐蚀的敏感介质
二．应力腐蚀的机理
阳极溶解机理—钝化膜破坏理论：拉应力使钝化膜破裂，阳极电位下降，形成微电池，产生阳极溶解。偏析引起晶间腐蚀。
应力腐蚀断裂机理简图
在应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I为：
R－微电池中的电阻；
Vc，Va电池两极的电位。
如果在介质中的极化过程相当强烈，则Vc-Va变得很小，腐蚀过程就大受抑制；
如果介质中去极化过程很强，Vc-Va很大，腐蚀电流增大，致使金属表面受到全面腐蚀，表面不能形成钝化膜。
三、应力腐蚀断裂断口分析
- 应力腐蚀断裂断口宏观特征
应力腐蚀端口的宏观形貌与疲劳断口颇为相似。也有亚稳扩展区和最后瞬断区。在亚稳扩展区可见到腐蚀产物和氧化物。常呈黑色或黑灰色，具有脆性特征。
最后瞬断区一般为快速撕裂破坏，显示基体材料的特性。
应力腐蚀引起的破坏，常有以下特点：
1) 造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一定是拉伸应力。
2) 应力腐蚀造成的破坏，是脆性断裂，没有明显的塑性变形。
3) 应力腐蚀的裂纹多起源于表面蚀坑处，而裂纹的传播途径常垂直于拉力轴。
4) 应力腐蚀破坏的断口，其颜色灰暗，表面常有腐蚀产物。
5) 应力腐蚀的主裂纹扩展时常有分枝。但应力腐蚀裂纹并不总是分级的。
2、应力腐蚀断口微观特征
表面为泥状花样及腐蚀坑。断口为沿晶断裂，也有穿晶解理断裂或者准解理断裂，或混合型断裂。
应力腐蚀断口的微观形貌特征
奥氏体不锈钢应力腐蚀的断口的微观形貌
奥氏体不锈钢应力腐蚀断口微观形貌
穿晶型应力腐蚀裂纹可用在应力作用下局部微区产生滑移台阶使钝化膜破裂来说明。
沿晶型应力腐蚀裂纹是因晶界被沉淀相弱化，而在表面突出的单个晶粒形成台阶，使表面钝化膜破裂而形成的。
应力腐蚀裂纹的类型
3、应力腐蚀断裂途径
1）根据金属和合金的种类及介质不同，SCC可以是沿晶的或穿晶的。
碳钢和铬不锈钢多系沿晶
奥氏体不锈钢多为穿晶
铝、钛、镍也多为沿晶
2）裂纹扩展的宏观方向与应力有关，大体垂直于主应力，但裂纹常有分叉现象，呈枯树枝状。
应力腐蚀裂纹的分叉现象
1. 临界腐蚀应力
一组相同试样测量不同应力下的断裂时间tf，求出应力腐蚀断裂强度σSCC。
应力腐蚀σ-tf关系曲线
2. 应力腐蚀临界应力场强度因子
KI初—tf，应力一定。KI在变化直至KIc，当KI小于KISCC则不发生腐蚀断裂——应力腐蚀临界应力场强度因子与时间关系。
某种钛合金预制裂纹试样的KI-tf曲线
KISCC——在特定的化学介质中不发生应力腐蚀断裂的最大应力场强度因子，称为应力腐蚀临界应力场强度因子（或称应力腐蚀门槛值）。对于大多数金属材料，在特定的化学介质中的KISCC值是一定的。因此，KISCC可作为力学性能指标，表示含有宏观裂纹的材料，在应力腐蚀条件下的断裂韧度。
显然：KI初≥KISCC为金属材料在应力腐蚀条件下的断裂判据
测定金属材料的KIscc可用恒载荷法或恒位移KI法，一般用恒载荷法。
整个试验过程中载荷恒定，随着裂纹的扩展，裂纹尖端KI增大，可用下式计算：
其中α＝1－a/W，M=FL
记录各种KI初作用下的断裂时间tf，以KI初与lgtf为坐标作图，曲线水平部分所对应KI初的即为KISCC。
悬臂梁弯曲试验装置简图
1.砝码，2.溶液槽，3.试样
3. 应力腐蚀裂纹扩展速率
单位时间内应力腐蚀裂纹的扩展量称应力腐蚀裂纹扩展速率即da/dt，实验证明：
da/dt = f(KI)
曲线分为三个阶段：
1）存在一个门槛值KISCC。当KI＜KISCC时，da/dt =0 或微不足道。
应力腐蚀裂纹的da/dt-KI关系曲线
2）第Ⅰ阶段：当KI超过KIscc时裂纹突然加速扩展，da/dt－KI曲线几乎与纵坐标轴平行。da/dt值小，但受KI值影响较大。
3）第II段出现水平线段，da/dt 决定于环境而受应力强度的影响较小。
4）第Ⅲ阶段裂纹长度接近临界尺寸，da/dt依赖于KI，材料进入失稳扩展的过渡区。当KI增大到KIC时便失稳扩展断裂。
四、防止应力腐蚀的措施
1. 合理选择金属材料
针对机件所受应力和接触的化学介质，选用耐应力腐蚀的金属材料。选材时还应尽可能选取KIscc较高的合金。
2. 减少或消除机件中的残余拉应力
必要时采用退火工艺以消除应力或采用喷丸等表面处理方法。
3. 改善化学介质
一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子；另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂。
4. 采用电化学保护
采用阴极保护法使金属在化学介质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域。
End
