應力作用下的腐蝕

1.應力腐蝕開裂

應力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是指受拉伸應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)和應力的協(xié)同作用而產(chǎn)生滯后開裂或滯后斷裂的現(xiàn)象。材料由環(huán)境因素和力學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，材料在不受應力時腐蝕速度很小，而受到一定的拉伸應力（可遠低于材料的屈服強度）下，經(jīng)過一段時間后，即使是延展性很好的金屬也會發(fā)生低應力脆性斷裂。常見的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。

一般認為發(fā)生SCC需要同時具備三個條件，即：敏感材料、特定介質(zhì)和拉伸應力。具體來說：

（1）材料本身對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)生應力腐蝕的特定介質(zhì)

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

2.腐蝕疲勞

疲勞腐蝕是指金屬材料在循環(huán)應力或脈動應力和腐蝕介質(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)和交變應力的共同作用下，金屬的疲勞極限大大降低，因而會過早地破裂。這種破壞要比單純交變應力造成的破壞（即疲勞）或單純腐蝕造成的破壞嚴重得多，而且有時腐蝕環(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)進行分類，有氣相腐蝕疲勞（化學腐蝕）和液相腐蝕疲勞（電化學腐蝕）；按試驗控制的參數(shù)，又分為應變腐蝕疲勞和應力腐蝕疲勞。

腐蝕疲勞的特點如下：

（1）腐蝕疲勞不存在疲勞極限。一般以預指的循環(huán)周次下不發(fā)生斷裂的最大應力作為腐蝕疲勞強度，用以評價材料的腐蝕疲勞性能。

（2）與應力腐蝕相比，腐蝕疲勞沒有這種選擇性，幾乎所有的金屬在任何腐蝕介質(zhì)中都會產(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）金屬的腐蝕疲勞強度與其耐蝕性有關。耐蝕材料的腐蝕疲勞強度隨抗拉強度的提高而提高，耐蝕性差的材料腐蝕疲勞強度與抗拉強度無關。

（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，有時也可能出現(xiàn)沿晶的或混合的，只有主干，沒有分支。

（5）腐蝕疲勞斷裂是脆性斷裂，沒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.氫致開裂

一般情況下，進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：一類是和外載荷無關的氫壓裂紋（如鋼中白點，焊接冷裂紋、H₂S中浸泡裂紋等）；另一類是外載荷下氫通過擴散、富集而引起的滯后開裂或滯后斷裂。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。嚴格來說，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裂外，還包括金屬材料其他物理性能或化學性能的下降，因此含義更為廣泛。有時氫脆、氫損傷和氫致開裂三個名詞并不仔細區(qū)分，而是混淆使用。

主要分為三類：

1）氫誘導開裂（HIC），也稱氫致開裂。沒有外加應力作用下由氫導致的開裂。

2）硫化物應力開裂（SSC）。是氫和外加應力共同作用導致的開裂。

3）應力導向氫致開裂（SOHIC）?？杀豢醋魇荋IC和SSC共同作用結(jié)果。

4.磨損腐蝕

磨損是金屬同固體、液體或氣體接觸進行相對運動時，由于摩擦的機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運動引起的金屬損傷。通常在靜止的或低速流動的腐蝕介質(zhì)中，腐蝕并不嚴重，而當腐蝕流體高速運動時，破壞了金屬表面能夠提供保護的表面膜或腐蝕產(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)復雜的金屬表面，液體壓強發(fā)生很大變化的場合，如汽輪機葉片、船用螺旋槳、泵葉輪、閥門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械磨損與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生的化學或電化學腐蝕的共同作用，導致表層材料流失的現(xiàn)象。常發(fā)生在礦山機械、工程機械、農(nóng)業(yè)機械、冶金機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、礦石破碎機、球磨機、溜槽、振動篩、螺旋加料器、刮板運輸機、旋風除塵器等。

在不發(fā)生機械磨損的情況下，材料在腐蝕環(huán)境中由于受到表面保護膜的保護，腐蝕很輕微；在存在機械磨損作用時，而且摩擦熱會加快腐蝕速度。另一方面，剝落的保護膜通常以固體碎屑形式存在于兩個表面之間，會引起磨料磨損。因此，在很多場合下，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 微動腐蝕

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

產(chǎn)生微動腐蝕的相對滑動極小，振幅一般為2~20μm。反復的相對運動是產(chǎn)生微動腐蝕的必要條件，在連續(xù)運動的表面上并不產(chǎn)生微動腐蝕。微動腐蝕一般使金屬表面出現(xiàn)麻坑或溝槽，并且周圍往往有氧化物或腐蝕產(chǎn)物。在各種壓配合的軸與軸套、鉚接接頭、螺栓連接、鍵銷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)生微動腐蝕。在有交變應力的情況下，還可因微動腐蝕誘發(fā)疲勞裂紋形核、擴展，以致斷裂。