第六章-选择性腐蚀应力腐蚀PPT推荐.pptx

1、,4,5,（1）黄铜脱锌,从腐蚀形态看，黄铜脱锌有两种形式，即栓式脱 锌和层式脱锌。,6,栓式腐蚀,腐蚀沿着局部区域向 深处发展，构件呈针 孔式腐蚀特征，局部 腐蚀速率可达5mm/y，而真空周围的区域却 没有明显的腐蚀迹象。这种腐蚀易导致黄铜 管穿孔或引起突发性 脆性断裂。,7,层式脱锌,层式（或层状）脱锌是在铜合金材料的整个表面上发生锌 元素的优先脱除，构件整体减薄，强度逐渐减弱，通常较 栓式脱锌的破坏性低。,层式脱锌一般含锌量较低的黄铜在高于室温的高盐含量的中性、碱 性弱酸性介质中易发生栓式脱锌，而含锌量较高的黄铜则 易在低盐含量的酸性或弱酸性介质中发生层式脱锌。,8,组织结构的影响,由铜

2、锌二元合金组成的简单黄铜 包括 黄铜（wZn），两相黄铜（wZn为-）和黄铜（wZn为-）。相含锌量高，腐蚀电位比含锌 量低的 相低，因此 黄铜的脱锌 腐蚀的倾向较大。两相黄铜的脱锌倾向比单相黄铜严重，并且因 相阳极性高，脱锌往往从 相开始，待 相已被 腐蚀至几乎消失，然后再发展到相。,9,（2）铸铁的石墨化腐蚀,灰口铸铁的铁素体相对石墨是阳极，石墨为阴极。铁被溶解下来，只剩下粉末状的石墨 沉积在铸铁的表面上，称此现象为“石 墨化”腐蚀。石墨化腐蚀是一个缓慢而均匀的过程，但仍具有一定的危险性。如长期埋在土 壤中的灰口铸铁管道发生的石墨化腐蚀，可使铸铁丧失强度和金属特性。灰铸铁的典型石墨形态a）

3、片状石墨b）蠕虫状石墨c）团絮状石墨d）球状石墨,10,3.5.3 选择性腐蚀的机理,（1）选择性溶解理论黄铜的脱锌机理是黄铜中的锌发生选择性溶解，合金内 部的锌通过表层上的复合空位迅速扩散并达到溶解反应 的地点，从而继续保持溶解，由此导致表层留下疏松的 同层。但也有人认为该理由不够充分，其根据是溶液或离子要 通过复杂而曲折的空位是相当困难的，要么不易使脱锌 达到相当深度，要么造成脱锌相当缓慢。,11,（2）溶解-再沉积理论,该理论认为，黄铜的脱锌由黄铜 的整体溶解、锌离子留在溶液和 铜反镀回基体等步骤组成。（1）黄铜的整体溶解:,（2）铜的反镀（或再沉积）:由于Zn的 活性高，阳极溶解出的Z

4、n2+留在水 溶液中，而富集在基体表面的Cu2+将产生置换反应（阴极），即,选择性腐蚀的机理,12,一些研究者认为，在不同的介质环境条件下，选择性腐蚀的机理不同。例如，在弱酸性介质中或温度较低的条件下，选择性溶解起主导作用；而在强酸性介质、海水或高温条件下，溶解再沉积机理起作 用。另一些研究者认为，在选择性腐蚀发展的不同阶段可以有不同的机理起主导作用。观点之一是，在黄铜脱锌初期，以锌的优先溶解为主，产生的富铜位置对后期的铜再沉积起阴极区作用；随着腐蚀进程的发展，转 化为以合金溶解和铜再沉积为主的腐蚀，这些观点也得到了一些直接或间接试验的支持。,（3）综合作用机理,13,选择性腐蚀的机理,在不同

5、的介质环境条件下，选择性腐蚀的机理不同。例如，在弱酸性介质中或温度较低的条件下，选择性溶解起主 导作用；而在强酸性介质、海水或高温条件下，溶解再沉积机理起 作用。在选择性腐蚀发展的不同阶段可以有不同的机理起主 导作用。在黄铜脱锌初期，以锌的优先溶解为主，产生的富铜位置对后 期的铜再沉积起阴极区作用；随着腐蚀进程的发展，转化为以合金 溶解和铜再沉积为主的腐蚀，这些观点也得到了一些直接或间接试 验的支持。,3.5.4 选择性腐蚀的影响因素与控制措施,合金中活性组元的含量越高，脱合金元素的倾向就越大，因此，为了控制选择性腐蚀，有效方法之一就是尽可能选 择含活性组元低的合金。除了主加合金组元外，添加少

6、量的辅加合金元素，也会对 选择性腐蚀产生重要影响。例如，在黄铜中加入砷、锑、锡、磷、镍和铝均可有效地抑制 其脱锌腐蚀，基于此原因目前发展了一些含这类辅加合金元素的新型 合金以控制黄铜的脱锌，从综合效果和经济上考虑，则以加入砷和 磷最为有利。在环境介质中加入缓蚀剂则是控制选择性腐蚀的另一种重 要手段。,14,第三章,15,第3章 全面腐蚀与局部腐蚀,第六节 应力腐蚀,3.6 主要内容,应力腐蚀,1,应力腐蚀的特征,2,应力腐蚀机理,3,影响应力腐蚀断裂的因素,4,应力腐蚀的控制措施,5,3.6.1 应力腐蚀,材料在应力（外加的、残余的、化学变 化或相交引起的）和环境介质协同作用下 发生的开裂或断

7、裂现象，称为材料的环境 断裂。如果环境介质为腐蚀性环境，则称之为 应力作用下的腐蚀。应力腐蚀开裂（SCC）是指受应力的材料 在特定腐蚀环境下产生滞后开裂，甚至发 生滞后断裂的现象。发生SCC的材料不受应力的作用时，其 腐蚀非常轻微；当承受的应力超过某一临 界值时，会在腐蚀并不严重的情况下发生 开裂或断裂。材料、应力和腐蚀环境是发生应力腐蚀 的三要素。,17,3.6.2 应力腐蚀特征,tF趋于无穷，此应力值称为应力腐蚀的临界应力（,18,SCC）。,对于存在欲裂纹的试样或构件，则存在一临界应力强度因 子（KISCC）,（1）应力特征1）应力性质通常认为应力腐蚀只有在拉应力条件下才能发生，这 种应

8、力可以是外加应力，或是加工（铸造、锻造、轧制、挤压、机加工、焊接等）、热处理、表面处理、磨削、装 配等过程中引入的残余应力，也可以是腐蚀产物的楔人作 用而引起的扩张应力。2）临界应力应力腐蚀开裂是一种与时间有关的滞后破坏，材料所 受应力愈小，断裂时间tF愈长。在应力小于某一临界值后,（1）应力的特征,当应变速率 大于某一临界值后，其塑性损失不明显，表明应力腐 蚀敏感性较低（因高应变速率时，断裂时间太短，应力腐蚀裂纹来 不及形核就发生机械过载断裂）；当应变速率小于其一临界值后，其塑性损失也不明显，同样表明 应力腐蚀敏感性较低（原因是应 变速率过低，拉伸使金属表面膜 破裂的速率低于新鲜金属重新形

9、成钝化膜的速率，这时新鲜金属 来不及溶解又被膜覆盖、因此不 发生应力腐蚀开裂）。具有这种应力腐蚀规律的体系其SCC机理属于阳极溶解型。,3）应变速率的作用,19,应力腐蚀特征,（2）环境特性,1）特定的材料/环境介质组合,应力腐蚀特征,20,特定的电位范围材料与特定介质的偶合是导致SCC的 必要条件，可以从电化学的角度找到原 因，即金属材料SCC往往发生在电化学 极化曲线的活化-阴极保护过渡区、钝 化-活化过渡区或钝化-过钝化过渡区。在这种条件下，表面膜处于不稳定状 态、局部易出现活化的点蚀核心，而大 部分区域处于钝化状态，从而构成大阴 极-小阳极电化学腐蚀结构，为局部应 力腐蚀裂纹萌生提供了

10、必要的条件。温度愈高，其SCC敏感的电位范围愈 大。,21,应力腐蚀特征,（2）环境特性,3）局部环境与整体环境间的差异,以“闭塞电池”机制为推动 力，裂纹内部电位较外部电 位通常低数十毫伏到数百毫 伏，即裂尖是局部阳极区。,22,应力腐蚀特征,（2）环境特性,（3）材料学特性,1）材料成分的作用材料的成分对SCC通常有明显的影响。一般讲，合金比纯金属更易产生SCC，原因是合金元素的 加入能够影响材料表面的电化学均匀性和稳定性，可能促 进选择性腐蚀。2）组织结构的作用材料的微观组织结构对SCC有重要影响。例如，面心立方的奥氏体不锈钢在氯化物溶液中很容易产 生SCC，但体心立方的铁素体不锈钢则对

11、该环境有很高的SCC抗力。材料的显微组织结构取决于材料成分、热处理 制度，因此显微组织对SCC的影响与材料成分、热处理制 度的作用相联系。,23,应力腐蚀特征,刃型滑动模型：位移方向平行于断裂面，并垂直于裂缝前沿。螺型滑动模型：位移方向平行于断裂面和断裂前沿。,（4）应力腐蚀裂纹扩展特征,SCC的发生与发展可分为裂纹的孕育期和扩展期两个阶段。SCC裂纹孕育期的长短取决于三要素：材料性能、环境状 况和力学条件，可以从几分钟到几年，甚至几十年。断裂模型就是指裂纹扩展的方式。断裂模型一般可分为：开口模型（模型）也称为拉开型，刃型滑动模型（模型）也叫滑 开型，螺型滑动模型（模型）又叫撕 开型。,24,

12、应力腐蚀特征,式中：a分别表示远离裂纹的均匀拉应力和裂纹长度；Y，形状因子是与裂纹形状、加载方式及试祥几何有关的量。K是应力场强度因子，当它达到临界值KIC时，金属中裂纹 会迅速扩展而导致断裂，因此KIC是反应金属抵抗脆性断裂 的能力。,应力腐蚀特征,（4）应力腐蚀裂纹扩展特征,从应力的角度来看，模型是垂直于断裂面拉应力引起的断裂，而 模型和则是剪切应力引起的断裂。对于 型裂纹,25,应力腐蚀特征,26,（4）应力腐蚀裂纹扩展特征,从裂纹扩展速率（da/dt）与裂纹尖端的应力场强度因子K 的 关系，可以将SCC裂纹扩展过程划分为三个阶段：区域 当K稍大于KISCC时，裂纹经过一 段孕育突然加速

13、发展，即在区内，裂纹生长 速率对K值较敏感。区域 da/dt与K无关，通常说的裂纹 扩展速率就是指该区速率，因为它主要是由电 化学过程控制，较强烈的依赖于溶液的pH值、黏度和温度。区域 失稳断裂区，裂纹深度已接近临 界尺寸acr，当超过这个值时，应力强度因子KIC达到时，裂纹生长率迅速增加直至发生失稳 断裂。,3.6.3 应力腐蚀的机理,（1）阳极溶解SCC理论（APC-SCC）阳极溶解SCC理（APC-SCC）论认为，应力腐蚀要经过膜破 裂-溶解-断裂这三个阶段1）膜破裂只有膜遭受破坏，裂纹形核，才有可能沿某一择优路 径溶解，最终导致应力腐蚀断裂。膜的局部破坏可能是由 于化学原因或机械原因造

14、成的。2）溶解阳极溶解控制的活性通道腐蚀型应力腐蚀断裂的裂纹是 通过裂纹尖端的阳极溶解过程而推进的。裂纹扩展的可能途径有两个，即预先存在活性通道和应 变产生的活性通道。,27,2）溶解裂纹扩展的可能途径有两个，即预先存在活性通道和应变产生的活 性通道。,28,预先存在活性通道的电化学机理认为，发生SCC需要两个基本条件：首先是材料中预先存在着对腐蚀敏感的、多少带有连续性的通道，这种通道在特定环境下相对于周围组织是阳极；其次是要有足够大的、基本上垂直于活性通道的拉应力。应变产生活性通道认为，应力的作用不仅是造成膜的破裂，更重 要的是使裂尖局部区域迅速屈服，出现很多的化学活性点，或降低了 溶解的活化能即应变造成新的活性溶解途径。,3）断裂应力腐蚀裂纹扩展达到临界尺寸，便会在机械力作用下发生失稳 快速断裂致。,（1）阳极溶解SCC理论（APC-SCC）,应力腐蚀的机理,（2）氢致开裂型理论（HE-SCC）,氢致开裂型理论（HE-SCC）认为：如果阳极金属溶解腐蚀所对应的阴极过程是析氢反应，而且原子氢能扩散进入金属并控制了裂纹的形核与扩展，这一类的应力腐蚀就称为氢致开裂型应力腐蚀（HE-SCC）。,29,应力腐蚀的机理,APC-SCC的裂纹是通过裂纹尖 端的阳极溶解过程而推进的。活性通道可以是合金中原先已 经存在的一些连续或准