腐蚀给人类社会造成的直接损失是大的。20世纪70年代前后,许多工业化国家相继进行了系统的腐蚀调查,并发表了调查报告。结果表明,腐蚀侵蚀占国民生产总值的1% ~ 5%。
为了减少和防止腐蚀造成的损失,我们需要了解材料腐蚀的特点。本期我们将介绍金属腐蚀及其测试的相关内容。
金属腐蚀试验基本介绍
1.定义
金属腐蚀是指金属与周围环境(介质)发生化学或电化学相互作用而导致的破坏或变质。
金属腐蚀是常见的腐蚀形式。在腐蚀过程中,金属界面会发生化学或电化学多相反应,使金属变成氧化(离子)状态。这会显著降金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能,破坏金属构件的几何形状,增加零件之间的磨损,恶化电、光等物理性能,缩短设备使用寿命,甚至引发火灾、爆炸等灾难性事故。
比如铁制品的锈蚀(Fe2O3 xH2O)、铝制品表面的白点(Al2O3)、铜制品表面的铜绿[Cu2(OH)2CO3]以及银器表面的发黑(Ag2S、Ag2O)都属于金属腐蚀,其中大的金属铁制品的腐蚀为常见。
2.腐蚀的影响因素
影响腐蚀的因素有很多。由于腐蚀系统由材料/环境组成,影响腐蚀的因素基本上可以分为与材料有关的内部因素和与介质环境有关的外部因素。
3.金属腐蚀环境
材料的使用离不开一定的工作环境,材料的环境适用性是其有效性的前提。材料使用环境的复杂性决定了材料腐蚀损伤的复杂性,不同环境下材料的腐蚀发展变化规律千差万别。
通常,根据材料被腐蚀的环境状态,材料的环境腐蚀可分为自然环境腐蚀(包括大气腐蚀、淡水和海水腐蚀、土壤腐蚀)和工业环境介质腐蚀(包括酸性溶液、碱性溶液、盐溶液、工业水等非水介质)。
金属腐蚀的分类
1.金属腐蚀的分类
根据腐蚀形式的分类,金属腐蚀可分为均匀腐蚀和局部腐蚀两类:
2.均匀腐蚀
均匀腐蚀(也称全腐蚀)是指在整个合金材料表面以相对均匀的方式发生的腐蚀现象。其形貌特征是当发生整体腐蚀时,材料厚度逐渐变薄,甚至腐蚀渗透。
全腐蚀是机械设备在实际使用中失效的基本形式。总腐蚀代表材料的总重量损失。这种腐蚀可以通过简单的浸泡试验、查阅腐蚀文献或生产经验来预测,便于估算设备的使用寿命。选择耐腐蚀材料时,整体的腐蚀性能是耐腐蚀基本的要求。
3.点蚀
钝化金属可以抗腐蚀,因为在其表面可以形成保护性钝化膜。然而,一旦这种钝化膜被破坏,并且没有自钝化条件或能力,金属就会腐蚀。如果腐蚀只集中在设备的某些特定的点状区域,在这些点状区域会形成腐蚀坑,而大部分金属表面会保持钝化,这就是所谓的点蚀。
特点:腐蚀集中在金属表面的一小块区域,并深入金属内部;高度局部化的腐蚀形式,也称为点蚀;通常,它的腐蚀深度大于它的孔径,在严重的情况下,金属会被穿孔。
4.粒间腐蚀
晶界是结晶方向不同的晶粒间无序位错的边界,因此是金属中溶质元素偏析或金属化合物(如碳化物、σ)析出沉淀的有利区域。在一些腐蚀性介质中,晶界可能首先被腐蚀。这种先沿材料晶界发生,使晶粒失去结合力的局部破坏现象,称为晶间腐蚀。
奥氏体中铬含量低引起的不锈钢晶间腐蚀很常见。
特征:晶间腐蚀沿晶界向内发展,表面无腐蚀迹象,但晶界上有腐蚀产物沉积;从金相显微镜可以看出,晶界呈现网状腐蚀。晶间腐蚀是在一定条件下(温度、成分、腐蚀溶液等)晶界的化学和结构变化引起的。),导致耐腐蚀性下降。
5.隙间腐蚀
间隙腐蚀是指在电介质溶液(尤其是含卤素离子的介质)中,金属与金属或非金属表面之间的狭窄间隙。间隙内溶液中的氧气耗尽后,氯离子从间隙外迁移到间隙内,由于金属氯化物的水解自催化酸化过程,钝化膜被破坏,产生类似自催化点蚀的局部腐蚀。
特点:缝隙腐蚀是点蚀的一种特殊形式;出现在间隙中(如焊接、铆接、垫圈下的间隙或沉积物);失效模式为狭缝状,可被严重穿透。
6.金属超应力引起的腐蚀
在应力(拉应力)和腐蚀介质的共同作用下,机械设备零件会出现低于材料强度上下限的脆性开裂现象,导致设备和零件失效。这种现象称为应力腐蚀开裂。
根据介质的主要成分如氯化物、氢氧化物、硝酸盐和含氧水,分别称为氯裂(氯脆或氯化物裂)、碱裂(碱脆)、硝酸盐裂(硝酸盐脆)和氧裂(氧脆)等。
机械和部件的应力腐蚀开裂必须同时满足材料、环境和应力的特定条件。主要有以下金属材料和环境的组合会产生应力腐蚀损伤:
(1)奥氏体不锈钢-氯离子、氯离子+蒸汽、硫化氢、碱液等。;
(2)碳钢和低合金钢——碱液、硝酸溶液、无水液氨、湿硫化氢和醋酸;
(3)含钼碱液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸铜水溶液等的奥氏体不锈钢。;
(4)黄铜-氨气和溶液、氯化铁、湿二氧化硫等。;
(5)含盐酸和熔融氯化钠的钛-甲酸或乙醇;
(6)铝湿硫化氢、含氢硫化氢和海水。
金属腐蚀试验
1.金属腐蚀试验
腐蚀试验的目的是:
在给定的环境下,确定各种防腐措施的适应性、佳选择、质量控制途径以及采取这些措施后构件的预期使用寿命;评估材料的耐腐蚀性;确定环境的腐蚀性,研究环境中的杂质和添加剂对腐蚀速率和腐蚀形式的影响;研究腐蚀产物对环境的污染;分析部件失效原因时进行再现性试验;研究腐蚀机理。
通常,金属腐蚀可分为均匀腐蚀和局部腐蚀(点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀)。
对于均匀腐蚀,腐蚀速率可用重量法表征。对于局部腐蚀,需要分析具体问题。电化学测试方法是均匀腐蚀和局部腐蚀的通用测试方法。
2.重量腐蚀试验
重量法是根据腐蚀前后样品重量的变化来测量金属的腐蚀速率,判断材料的耐蚀性。
在测试过程中,如果金属溶解在介质中,样品的重量会减少,这可以通过损失法来测量。如果腐蚀产物的成分已知,并且牢固地附着在金属表面,或者腐蚀产物可以全收集,可以用增重法测量。
优缺点:重量腐蚀试验简单、方便、直观,仍然是测量腐蚀速率基本的方法。但也有一定的局限性:只适合综合腐蚀;结果试验受样品制备、环境介质特性、试验操作、腐蚀产物去除方法等多种因素影响,重现性不好。测试时间更长。
3.晶间腐蚀的试验方法
测试金属材料在特定介质条件下晶间腐蚀有感性的加速金属腐蚀试验方法,旨在了解材料的化学成分、热处理和加工是否合理。其原理是利用各种能使金属腐蚀电位在恒电位阳极极化曲线特定范围内的测试溶液,利用金属晶粒与晶界在该电位范围内腐蚀电流的显著差异,加速晶间腐蚀的显示。不锈钢和铝合金的晶间腐蚀试验方法在许多国家已经标准化。
晶间腐蚀试验方法大致可分为三类:化学试验方法、电化学试验方法和物理试验方法。化学试验方法很多,成熟且应用广泛,部分已列入国家标准。电化学测试方法是一种尚未标准化的方法。它大的优点是速度快,不破坏样品。金相法和弯曲法在物理实验中应用广泛。
4.气蚀试验方法
通常,点蚀试验的方法可分为两类,一类是化学浸泡法,另一类是电化学测量法。
化学浸泡法是将样品浸泡在某种加速或自然的腐蚀环境中,测量腐蚀孔的重量损失、数量、深度和尺寸,以确定金属或合金抗点蚀的必要性,或通过测量点蚀临界温度和点蚀成核所需的小氯离子浓度来确定金属和合金的点蚀有感性。这种方法大的优点是阳极-阴极工艺,符合实际生产情况。
常用的化学浸泡方法有:三氯化铁试验,将按要求处理后的样品置于6%三氯化铁溶液中,在一定温度(35℃或50℃)和一定试验时间(7.2h)下测量样品的失重、蚀孔数量和尺寸,评价材料的抗点蚀能力;电化学测量是通过测量金属和合金的点蚀特征电位(临界点蚀电位和点蚀保护电位)来确定金属和合金的点蚀倾向。这种方法虽然具有电化学快速测量的独特优势,但与实际生产情况有所不同。
5.应力腐蚀试验
根据加载方式的不同,可分为恒应变法、恒载荷法和恒速率法。
在实践中,残余应力往往是由冷热加工产生的。焊接残余应力是常见的一种,因此,焊接件也可以作为应力腐蚀开裂的试样。
根据试验介质的不同,可分为3.5%氯化钠溶液交替浸泡法、沸腾氯化镁溶液法、聚硫酸法、高温高压试验法等。