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機械裝備失效分析小課堂——腐蝕失效診斷

2018-10-25 12:38:27 作者：本網(wǎng)整理來源：理化檢驗物理分冊分享至：

機械裝備在服役過程中的失效與其服役特點密切相關(guān)，按照失效時構(gòu)件是否發(fā)生開裂或斷裂，服役過程中的失效形式可分為斷裂型失效和非斷裂型失效兩種。今天，我們將為大家介紹腐蝕失效診斷相關(guān)的內(nèi)容。

腐蝕失效

1腐蝕

金屬與其表面接觸的介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而造成的損壞稱為腐蝕。

在大多數(shù)情況下，腐蝕具有破壞性，它不僅使金屬材料遭到破壞，有時甚至?xí)＜吧?/span>

2腐蝕失效的特點

失效形式眾多，失效機理復(fù)雜。

3腐蝕的分類

根據(jù)金屬腐蝕損壞的特征不同，可以把腐蝕分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕也稱均勻腐蝕，局部腐蝕則包括穴狀腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、穿晶腐蝕、表面下腐蝕等。

工程上最常見的金屬腐蝕有：均勻腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕、點腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕（包括氣蝕和微動磨損）、應(yīng)力腐蝕（SCC）、腐蝕疲勞（CF）、氫脆（HE）等。

全面腐蝕失效診斷

金屬構(gòu)件發(fā)生腐蝕失效后，表面一般都會存在腐蝕產(chǎn)物，很難觀察到基體的受損情況。

在進行腐蝕診斷時，一般遵循以下程序：

（1）先用肉眼觀察，根據(jù)腐蝕產(chǎn)物的分布和厚重程度，初步判斷屬于局部腐蝕還是全面腐蝕。

（2）若腐蝕特征不明顯，還不能判斷腐蝕性質(zhì)時，可采用物理方法和超聲波清洗，然后再進行觀察，判斷是否發(fā)生了腐蝕。

材料表面遭受腐蝕后，SEM 觀察會發(fā)現(xiàn)，原始的機械加工痕跡消失，表面會出現(xiàn)一些不規(guī)則的凹坑或裂紋。

水垢是一種物理沉積，有時附著在材料表面，其外觀特征與腐蝕極為相似，但經(jīng)過物理清理后，水垢會脫落或局部脫落，材料表面的原始形貌不會發(fā)生變化。筆者在對核電廠的一些不銹鋼管線以及世界知名牛奶加工企業(yè)的不銹鋼管線進行分析時，曾多次發(fā)現(xiàn)用戶原認定的腐蝕實際上是一層水垢。

（3）確定屬于腐蝕失效后，一般都要對腐蝕區(qū)域進行剖面金相觀察，確定是屬于點腐蝕、應(yīng)力腐蝕或者其他類型的腐蝕。

（4）采用能譜儀對腐蝕產(chǎn)物進行元素成分分析，如圖1所示，有條件的還可以采用X射線衍射儀（XRD）、X射線光電子譜儀（XPS）等對腐蝕產(chǎn)物進行物相分析和價態(tài)分析，以確定造成零件失效的環(huán)境介質(zhì)的成分，進一步確定失效的模式和機理，找到發(fā)生腐蝕失效的真正原因，從而制定切實可行的預(yù)防措施。

圖1 點腐蝕孔洞處腐蝕產(chǎn)物的SEM形貌及EDS譜

點腐蝕失效診斷

點腐蝕發(fā)生的首要條件是鈍化膜的局部溶解或破壞，往往發(fā)生在表面有缺陷或夾雜物的位置，或鈍化膜薄弱的部位，而且需要有活性陰離子的存在。氯離子容易被吸附，擠走氧原子，與鈍化膜中的陽離子發(fā)生反應(yīng)生成可溶性的氯化物，破壞鈍化膜，形成小坑，即點腐蝕誘導(dǎo)階段，形成一個閉塞電路。

含氯離子的水溶液是產(chǎn)生點腐蝕的主要原因，點腐蝕的特征是金屬構(gòu)件表面有肉眼可見的腐蝕麻坑，用金相法觀察點腐蝕坑的剖面，其基本形態(tài)有7種，見圖2。

圖2 各種點腐蝕孔的剖面示意圖

點腐蝕因其并非突發(fā)性的，故其危害性并不十分嚴重，但其腐蝕坑卻常常成為應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的起源點，其嚴重性就十分大了。

圖3 點腐蝕形貌

圖3是實際檢測中觀察到的點腐蝕的表面形貌和剖面形貌，點腐蝕坑中殘留的腐蝕液持續(xù)腐蝕，腐蝕產(chǎn)物沿點腐蝕坑邊界泛出，形成“蚯蚓洞”形腐蝕產(chǎn)物堆積。

非金屬夾雜物與基體金屬的化學(xué)成分不同，其電極電位也不同，當接觸到腐蝕性介質(zhì)時，會形成大陰極（基體）和小陽極（夾雜物）的電化學(xué)腐蝕，結(jié)果是夾雜物和基體之間形成較大的腐蝕間隙，靠近夾雜物邊緣的基體也會發(fā)生腐蝕，見圖4。

圖4 夾雜物周圍的腐蝕形貌

材料中的夾雜物經(jīng)磨削后部分露出表面，腐蝕性介質(zhì)進入夾雜物和基體之間的縫隙，與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)生的氣體會將縫隙中的一些含腐蝕產(chǎn)物的介質(zhì)帶到表面，在夾雜物周圍形成扇形區(qū)域，見圖4a）。從縫隙中泛出的介質(zhì)還會在夾雜物邊緣繼續(xù)產(chǎn)生腐蝕，腐蝕產(chǎn)物脫水后形成龜裂狀，見圖4b）。

應(yīng)力腐蝕開裂失效診斷

在所有的腐蝕失效中，應(yīng)力腐蝕開裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）的危害性最大，其具有突發(fā)性的特點，經(jīng)常會引起火災(zāi)或有毒有害介質(zhì)的泄漏，與人們的生命安全息息相關(guān)。

材料科學(xué)中，應(yīng)力腐蝕開裂被定義為：由于腐蝕環(huán)境和靜態(tài)或單向變化的拉應(yīng)力共同作用而引起的一種局部腐蝕，引起金屬結(jié)構(gòu)承載性能明顯下降，通常導(dǎo)致裂紋的形成而造成脆性開裂。它是一種較為隱蔽的局部腐蝕形式，裂紋的萌生和亞臨界擴展往往在宏觀上沒有明顯的預(yù)兆，裂紋擴展到臨界長度使得應(yīng)力強度因子達到材料斷裂韌度時易于造成突發(fā)性的斷裂失效事故。拉應(yīng)力、特定的腐蝕環(huán)境、敏感材料是發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的三要素。

應(yīng)力腐蝕開裂一般具有以下特點：

（1）材料表面腐蝕程度較輕，一般無全面腐蝕的特征。

（2）裂紋往往起源于表面的點腐蝕坑或腐蝕小孔的底部。

（3）主裂紋通常垂直于主應(yīng)力方向，多半有分支，呈“樹枝狀”或“閃電狀”，如圖5所示。

圖5 304不銹鋼換熱管內(nèi)壁應(yīng)力腐蝕裂紋形貌和黑夜里的閃電形貌

（4）裂紋端部尖銳，裂紋內(nèi)壁及金屬外面的腐蝕程度通常很輕。

（5）裂紋有沿晶、穿晶及混合型3種擴展形式。一般情況下，碳鋼、低合金鋼、α-黃銅為沿晶開裂；奧氏體不銹鋼在氯離子環(huán)境中為穿晶開裂，在硫離子環(huán)境中為沿晶開裂。

（6）應(yīng)力腐蝕斷口具有脆性斷裂的宏觀形貌特征，一般比較粗糙，有腐蝕色，有時能觀察到放射狀條紋。通常情況下，應(yīng)力腐蝕是多源的。斷口微觀形貌穿晶型為河流花樣，沿晶型為冰糖顆粒狀。

（7）特定的合金有特定的腐蝕敏感介質(zhì)，SCC按介質(zhì)類型又可分為堿脆、氫脆、氯脆、氦脆、硝脆等。

（8）發(fā)生開裂所需的拉應(yīng)力一般低于材料的屈服強度，但存在一個臨界應(yīng)力，應(yīng)力來源包括工作應(yīng)力和殘余應(yīng)力，臨界應(yīng)力與腐蝕性介質(zhì)的含量有關(guān)，腐蝕性介質(zhì)含量高，則臨界應(yīng)力低，反之亦然。

（9）可根據(jù)工件服役時的工況和受力特點，在試驗室進行模擬和驗證試驗，展開SCC失效預(yù)測預(yù)防研究。

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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