應(yīng)力作用下的腐蝕

1.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是指受拉伸應(yīng)力作用的金屬材料在某些特定的介質(zhì)中，由于腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的協(xié)同作用而產(chǎn)生滯后開(kāi)裂或滯后斷裂的現(xiàn)象。材料由環(huán)境因素和力學(xué)因素共同引起的斷裂，也稱之為環(huán)境斷裂。通常，在某種特定的腐蝕介質(zhì)中，材料在不受應(yīng)力時(shí)腐蝕速度很小，而受到一定的拉伸應(yīng)力（可遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度）下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，即使是延展性很好的金屬也會(huì)發(fā)生低應(yīng)力脆性斷裂。常見(jiàn)的SCC有：鍋爐鋼在熱堿溶液中的“堿脆”、低碳鋼在硝酸鹽中的“硝脆”、奧氏體不銹鋼在氯化物溶液中的“氯脆”和銅合金在氨水溶液中的“氨脆”等。

一般認(rèn)為發(fā)生SCC需要同時(shí)具備三個(gè)條件，即：敏感材料、特定介質(zhì)和拉伸應(yīng)力。具體來(lái)說(shuō)：

（1）材料本身對(duì)SCC具有敏感性。幾乎所有的金屬或合金在特定的介質(zhì)中都有一定的SCC敏感性，合金和含有雜質(zhì)的金屬比純金屬更容易產(chǎn)生SCC。

（2）存在能引起該金屬發(fā)生SCC的介質(zhì)。對(duì)每種材料，并不是任何介質(zhì)都能引起SCC，只有某些特定的介質(zhì)才產(chǎn)生SCC。如下表：

表  一些金屬和合金產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的特定介質(zhì)

（3）發(fā)生SCC必須有一定的拉伸應(yīng)力的作用。這種拉伸應(yīng)力可以是工作狀態(tài)下材料承受外加載荷造成的工作應(yīng)力；也可以是在生產(chǎn)、制造、加工和安裝過(guò)程中形成的熱應(yīng)力、形變應(yīng)力等殘余應(yīng)力；或表面腐蝕產(chǎn)物膜（鈍化膜或脫合金疏松層）引起的附加應(yīng)力，裂紋內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的體積效應(yīng)造成的楔入作用也會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

2.腐蝕疲勞

疲勞腐蝕是指金屬材料在循環(huán)應(yīng)力或脈動(dòng)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下，所產(chǎn)生的脆性斷裂的腐蝕形態(tài)。在腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力的共同作用下，金屬的疲勞極限大大降低，因而會(huì)過(guò)早地破裂。這種破壞要比單純交變應(yīng)力造成的破壞（即疲勞）或單純腐蝕造成的破壞嚴(yán)重得多，而且有時(shí)腐蝕環(huán)境不需要有明顯的侵蝕性。

產(chǎn)生腐蝕疲勞的金屬材料中有碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼以及鎳基合金和其他非鐵合金等。腐蝕疲勞一般按腐蝕介質(zhì)進(jìn)行分類，有氣相腐蝕疲勞（化學(xué)腐蝕）和液相腐蝕疲勞（電化學(xué)腐蝕）；按試驗(yàn)控制的參數(shù)，又分為應(yīng)變腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕疲勞。

腐蝕疲勞的特點(diǎn)如下：

（1）腐蝕疲勞不存在疲勞極限。一般以預(yù)指的循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力作為腐蝕疲勞強(qiáng)度，用以評(píng)價(jià)材料的腐蝕疲勞性能。

（2）與應(yīng)力腐蝕相比，腐蝕疲勞沒(méi)有這種選擇性，幾乎所有的金屬在任何腐蝕介質(zhì)中都會(huì)產(chǎn)生腐蝕疲勞，發(fā)生腐蝕疲勞不需要材料-環(huán)境的特殊組合。金屬在腐蝕介質(zhì)中可以處于鈍態(tài)，也可以處于活化態(tài)。

（3）金屬的腐蝕疲勞強(qiáng)度與其耐蝕性有關(guān)。耐蝕材料的腐蝕疲勞強(qiáng)度隨抗拉強(qiáng)度的提高而提高，耐蝕性差的材料腐蝕疲勞強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度無(wú)關(guān)。

（4）腐蝕疲勞裂紋多起源于表面腐蝕坑或缺陷，裂紋源數(shù)量較多。腐蝕疲勞裂紋主要是穿晶的，有時(shí)也可能出現(xiàn)沿晶的或混合的，只有主干，沒(méi)有分支。

（5）腐蝕疲勞斷裂是脆性斷裂，沒(méi)有明顯的宏觀塑性變形。斷口有腐蝕的特征，如腐蝕坑、腐蝕產(chǎn)物、二次裂紋等，又有疲勞特征，如疲勞輝紋。

3.氫致開(kāi)裂

一般情況下，進(jìn)入材料的氫是極其有害的，使材料產(chǎn)生氫損傷。它包括兩類：一類是和外載荷無(wú)關(guān)的氫壓裂紋（如鋼中白點(diǎn)，焊接冷裂紋、H₂S中浸泡裂紋等）；另一類是外載荷下氫通過(guò)擴(kuò)散、富集而引起的滯后開(kāi)裂或滯后斷裂。氫損傷也稱為氫脆，包括氫壓引起的微裂紋、高溫高壓氫腐蝕、氫化物相或氫致馬氏體相變、氫致塑性損失等。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，氫脆主要涉及金屬韌性的降低，而氫損傷除涉及韌性降低和開(kāi)裂外，還包括金屬材料其他物理性能或化學(xué)性能的下降，因此含義更為廣泛。有時(shí)氫脆、氫損傷和氫致開(kāi)裂三個(gè)名詞并不仔細(xì)區(qū)分，而是混淆使用。

主要分為三類：

1）氫誘導(dǎo)開(kāi)裂（HIC），也稱氫致開(kāi)裂。沒(méi)有外加應(yīng)力作用下由氫導(dǎo)致的開(kāi)裂。

2）硫化物應(yīng)力開(kāi)裂（SSC）。是氫和外加應(yīng)力共同作用導(dǎo)致的開(kāi)裂。

3）應(yīng)力導(dǎo)向氫致開(kāi)裂（SOHIC）。可被看作是HIC和SSC共同作用結(jié)果。

4.磨損腐蝕

磨損是金屬同固體、液體或氣體接觸進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦的機(jī)械作用引起表層材料的剝離而造成金屬表面以至基體的損傷。腐蝕環(huán)境中摩擦表面出現(xiàn)的材料流失現(xiàn)象稱為磨損腐蝕，簡(jiǎn)稱磨蝕。本文介紹磨損腐蝕中的沖刷腐蝕、空泡腐蝕、摩擦副磨損腐蝕和微動(dòng)腐蝕。

4.1 沖刷腐蝕

沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的金屬損傷。通常在靜止的或低速流動(dòng)的腐蝕介質(zhì)中，腐蝕并不嚴(yán)重，而當(dāng)腐蝕流體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，破壞了金屬表面能夠提供保護(hù)的表面膜或腐蝕產(chǎn)物膜，表面膜的減薄或去除加速了金屬的腐蝕過(guò)程，因而沖刷腐蝕是流體的沖刷與腐蝕協(xié)同作用的結(jié)果。

4.2 空泡腐蝕

空泡腐蝕[也稱空蝕，氣蝕]是一種特殊形式的沖刷腐蝕，是由于金屬表面附近的液體中空泡潰滅造成表面粗化、出現(xiàn)大量直徑不等的火山口狀的凹坑，最終喪失使用性能的一種破壞?？张莞g只發(fā)生在高速的湍流狀態(tài)下，特別是液體流經(jīng)復(fù)雜的金屬表面，液體壓強(qiáng)發(fā)生很大變化的場(chǎng)合，如汽輪機(jī)葉片、船用螺旋槳、泵葉輪、閥門(mén)及換熱器的集束管口等。

4.3 摩擦副磨損腐蝕

摩擦副磨損腐蝕是摩擦接觸表面的機(jī)械磨損與周?chē)h(huán)境介質(zhì)發(fā)生的化學(xué)或電化學(xué)腐蝕的共同作用，導(dǎo)致表層材料流失的現(xiàn)象。常發(fā)生在礦山機(jī)械、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、冶金機(jī)械等接觸部件或直接與砂、石、煤、灰渣等摩擦的部件，如磨煤機(jī)、礦石破碎機(jī)、球磨機(jī)、溜槽、振動(dòng)篩、螺旋加料器、刮板運(yùn)輸機(jī)、旋風(fēng)除塵器等。

在不發(fā)生機(jī)械磨損的情況下，材料在腐蝕環(huán)境中由于受到表面保護(hù)膜的保護(hù)，腐蝕很輕微；在存在機(jī)械磨損作用時(shí)，而且摩擦熱會(huì)加快腐蝕速度。另一方面，剝落的保護(hù)膜通常以固體碎屑形式存在于兩個(gè)表面之間，會(huì)引起磨料磨損。因此，在很多場(chǎng)合下，腐蝕磨損總的損失量往往大于純腐蝕與純磨損損失量之和。

4.4 微動(dòng)腐蝕

微動(dòng)腐蝕（又稱微振腐蝕）是腐蝕磨損的一種形式，是指兩個(gè)相互接觸、名義上相對(duì)靜止而實(shí)際上處于周期性小幅相對(duì)滑動(dòng)（通常為振動(dòng)）的固體表面因磨損與腐蝕交互作用所導(dǎo)致的材料表面破壞現(xiàn)象。

產(chǎn)生微動(dòng)腐蝕的相對(duì)滑動(dòng)極小，振幅一般為2~20μm。反復(fù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生微動(dòng)腐蝕的必要條件，在連續(xù)運(yùn)動(dòng)的表面上并不產(chǎn)生微動(dòng)腐蝕。微動(dòng)腐蝕一般使金屬表面出現(xiàn)麻坑或溝槽，并且周?chē)醒趸锘蚋g產(chǎn)物。在各種壓配合的軸與軸套、鉚接接頭、螺栓連接、鍵銷(xiāo)固定等連接固定部位，鋼絲繩股與股、絲與絲之間，礦井下的軌道與道釘之間，都可能發(fā)生微動(dòng)腐蝕。在有交變應(yīng)力的情況下，還可因微動(dòng)腐蝕誘發(fā)疲勞裂紋形核、擴(kuò)展，以致斷裂。