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合金材料的“慢性杀手”,破坏力惊人。

日期: 2017-02-09
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    &nb应力腐蚀,也称为应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking,SSC)一般是指受到拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介质中,由于腐蚀介质和应力的协同作用而产生滞后开裂或滞后断裂的现象。

 

哎呦,有没有发现应力腐蚀有那么点艺术创作的味道,所以小编任性地多放了几张图。咳咳,言归正传,通常,在某种特定的腐蚀介质中,材料在不受应力时腐蚀速度很小,而受到一定的拉伸应力(可远低于材料的屈服强度)后经过一段时间,即使是延展性很好的金属也会发生低应力脆性断裂。

2应力腐蚀的要素 

应力腐蚀一共有三个要素:拉伸(或压缩)应力、腐蚀环境和敏感合金材料,如下图所示。
 

 

首先,在拉伸(或压缩)应力下才能引起应力腐蚀开裂,这种应力包括外加载荷和内部残余应力等。一般情况下,产生应力腐蚀的拉应力往往都比较小。其次,产生应力腐蚀还需要特定的腐蚀介质,但对于某种材料来说,它仅对某些特殊的介质敏感,而非所有的介质,下表展示了不同材料对应的敏感介质。

表格 各合金发生应力腐蚀对应的敏感介质


再者,一般只有合金才产生应力腐蚀,往往纯金属不会产生这种现象。这是因为纯金属中成分单一,难以形成原电池的缘故,后面会进行分析。

3应力腐蚀的分类   

按照电化学的观点,应力腐蚀基本上可以分为两大类。

第一类是裂纹尖端位于阳极区,以阳极快速溶解占主导地位,一般被称为应力-阳极开裂,通常也把这类破裂形式叫做应力腐蚀破裂。

 

 

第二类是裂纹尖端处于阴极区,阴极反应产生大量的原子氢,这些原子氢涌入金属内部而产生破坏,一般被称为应力-阴极开裂,也就是大家所熟知的环境氢脆。

 

 

4应力腐蚀的机理

关于应力腐蚀断裂的机理有多种理论,他们虽然都能解释应力腐蚀的某些现象,但目前尚无一种理论可以解释所有的腐蚀断裂现象。这里我们介绍两种认可度较高的腐蚀机理。

1.保护膜破坏机理

当应力腐蚀敏感的材料置于腐蚀介质中,首先在金属的表面形成一层保护膜,它阻止了腐蚀的进行,即所谓“钝化”。

由于拉应力和保护膜增厚带来的附加应力使得局部地区出现保护膜破裂,破裂处基体金属便直接暴露在腐蚀介质中,该处的电极电位比保护膜部分低而成为了微电池的阳极因而产生阳极溶解。

 

 

溶解到一定程度又形成保护膜,但在拉应力作用下再次被破坏,再次出现阳极溶解,这种保护膜反复形成和破裂的过程,会导致某些局部地区腐蚀加深,最后形成孔洞,孔洞的存在造成应力集中,加速了附近材料的塑性变形和保护膜破裂,慢慢形成应力腐蚀裂纹。

2.吸氢变脆机理

这种理论认为裂纹的形成与发展主要与裂纹尖端氢被引入晶格有关。合金在阳极生成高价氧化物,导致溶液的酸度变大,例如奥氏体不锈钢,阳极发生化学反应:2Cr+3H2O→Cr2O3+6H++6e。

当裂纹尖端的电位低于氢的平衡电位时,氢离子有可能在裂纹尖端处被还原,即编程吸附的氢原子,同时向金属内部扩展。金属内部的过饱和氢必然会再次逸出,直到建立起平衡压力。

 

 

而几乎所有的金属材料内部都包含许多宏观的和微观的缺陷,由晶格中逸出的氢原子往往容易聚集在这些地方。随着氢原子的增加,这些地方的压力越来越大,当氢的压力加上应力的作用超过某一临界值(一般是接近晶体的弹性强度)时,材料发生氢脆。

5飞机上的应力腐蚀危害 

应力腐蚀的微观结构虽然那么美,但它的破坏力可是惊人的。应力腐蚀类似于疲劳破坏,往往发生得不知不觉,已经成为危害最大的灾难性的腐蚀之一,不仅会造成直接或间接的经济损失,而且容易造成重大的飞行事故。在飞机上,应力腐蚀的危害主要集中于飞机结构零部件和航空发动机零部件两大方面。

首先是机身及蒙皮连接、框架、桁条、压力隔框、面梁、舱门平衡弹簧等部件。这些部件的共同特点是容易接触冷凝水,甚至是冷凝水的聚集区域,同时长时间承受拉伸应力;这些因素使得这些结构零部件容易发生应力腐蚀断裂。

 

 

例如2002年5月华航空难造成225人死亡,罪魁祸首就是飞机尾部的裂纹在应力腐蚀作用下的快速扩展。

 

 

其次是航空发动机。特别是对于海上飞机的发动机,压气机叶片长时间处于空气湿度大、温度高、盐雾重的环境里,海洋大气中的含盐离子沉积在压气机叶片表面,加上氯离子本身具有很强的侵蚀性,在汽轮机叶片高速旋转承受离心力时,加速了应力腐蚀。例如从下面的一系列途中可以看到飞机发动机叶片的腐蚀情况。

 

 

6应力腐蚀的防护  

应力腐蚀中,自裂纹的形成之始,我们就要关注部件的损伤容限(即剩余强度)。一般而言,应力腐蚀与疲劳破坏是交互作用的,随着飞机使用年限的增长,往往危害会越来越大。由于应力腐蚀涉及到环境、应力和材料三个方面,因此往往从这三方面入手,采取相应的对策。

1.应力方面

改进结构设计,避免或减少局部应力集中,同时结构设计中应尽量避免缝隙和可能造成腐蚀液残留的死角,防止有害物质(如Cl-,OH-)的浓缩;

 

 

在加工、制造、装配中应尽量避免产生较大的残余应力,采用热处理退火、喷丸处理等方法消除残余应力进行规避。

 

2.环境方面

首先考虑加入缓蚀剂,每种材料-介质体系都有某些能抑制或减缓应力腐蚀的物质,它们能够改变电位、促进成膜、阻止氢的侵入或有害物质吸附、影响电化学反应动力学等而起到缓蚀作用,减缓或防止应力腐蚀。

 

 

其次是使用有机涂层,使得材料表面与环境隔离,或者使用对环境不敏感的金属作为敏感材料的涂层,减少材料应力腐蚀的敏感性。

 

由于应力腐蚀发生在敏感的电位区间,因此可通过控制电位进行阴极或阳极保护,防止应力腐蚀。sp;

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