腐蝕給人類社會造成的直接損失是大的。20世紀(jì)70年代前后，許多工業(yè)化國家相繼進行了系統(tǒng)的腐蝕調(diào)查，并發(fā)表了調(diào)查報告。結(jié)果表明，腐蝕侵蝕占國民生產(chǎn)總值的1% ~ 5%。
為了減少和防止腐蝕造成的損失，我們需要了解材料腐蝕的特點。本期我們將介紹金屬腐蝕及其測試的相關(guān)內(nèi)容。
金屬腐蝕試驗基本介紹
1.定義
金屬腐蝕是指金屬與周圍環(huán)境(介質(zhì))發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)相互作用而導(dǎo)致的破壞或變質(zhì)。
金屬腐蝕是常見的腐蝕形式。在腐蝕過程中，金屬界面會發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)多相反應(yīng)，使金屬變成氧化(離子)狀態(tài)。這會顯著降金屬材料的強度、塑性、韌性等力學(xué)性能，破壞金屬構(gòu)件的幾何形狀，增加零件之間的磨損，惡化電、光等物理性能，縮短設(shè)備使用壽命，甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等災(zāi)難性事故。
比如鐵制品的銹蝕(Fe2O3 xH2O)、鋁制品表面的白點(Al2O3)、銅制品表面的銅綠[Cu2(OH)2CO3]以及銀器表面的發(fā)黑(Ag2S、Ag2O)都屬于金屬腐蝕，其中大的金屬鐵制品的腐蝕為常見。
2.腐蝕的影響因素
影響腐蝕的因素有很多。由于腐蝕系統(tǒng)由材料/環(huán)境組成，影響腐蝕的因素基本上可以分為與材料有關(guān)的內(nèi)部因素和與介質(zhì)環(huán)境有關(guān)的外部因素。
3.金屬腐蝕環(huán)境
材料的使用離不開一定的工作環(huán)境，材料的環(huán)境適用性是其有效性的前提。材料使用環(huán)境的復(fù)雜性決定了材料腐蝕損傷的復(fù)雜性，不同環(huán)境下材料的腐蝕發(fā)展變化規(guī)律千差萬別。
通常，根據(jù)材料被腐蝕的環(huán)境狀態(tài)，材料的環(huán)境腐蝕可分為自然環(huán)境腐蝕(包括大氣腐蝕、淡水和海水腐蝕、土壤腐蝕)和工業(yè)環(huán)境介質(zhì)腐蝕(包括酸性溶液、堿性溶液、鹽溶液、工業(yè)水等非水介質(zhì))。
金屬腐蝕的分類
1.金屬腐蝕的分類
根據(jù)腐蝕形式的分類，金屬腐蝕可分為均勻腐蝕和局部腐蝕兩類:
2.均勻腐蝕
均勻腐蝕(也稱全腐蝕)是指在整個合金材料表面以相對均勻的方式發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。其形貌特征是當(dāng)發(fā)生整體腐蝕時，材料厚度逐漸變薄，甚至腐蝕滲透。
全腐蝕是機械設(shè)備在實際使用中失效的基本形式。總腐蝕代表材料的總重量損失。這種腐蝕可以通過簡單的浸泡試驗、查閱腐蝕文獻或生產(chǎn)經(jīng)驗來預(yù)測，便于估算設(shè)備的使用壽命。選擇耐腐蝕材料時，整體的腐蝕性能是耐腐蝕基本的要求。
3.點蝕
鈍化金屬可以抗腐蝕，因為在其表面可以形成保護性鈍化膜。然而，一旦這種鈍化膜被破壞，并且沒有自鈍化條件或能力，金屬就會腐蝕。如果腐蝕只集中在設(shè)備的某些特定的點狀區(qū)域，在這些點狀區(qū)域會形成腐蝕坑，而大部分金屬表面會保持鈍化，這就是所謂的點蝕。
特點:腐蝕集中在金屬表面的一小塊區(qū)域，并深入金屬內(nèi)部；高度局部化的腐蝕形式，也稱為點蝕；通常，它的腐蝕深度大于它的孔徑，在嚴(yán)重的情況下，金屬會被穿孔。
4.粒間腐蝕
晶界是結(jié)晶方向不同的晶粒間無序位錯的邊界，因此是金屬中溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物(如碳化物、σ)析出沉淀的有利區(qū)域。在一些腐蝕性介質(zhì)中，晶界可能首先被腐蝕。這種先沿材料晶界發(fā)生，使晶粒失去結(jié)合力的局部破壞現(xiàn)象，稱為晶間腐蝕。
奧氏體中鉻含量低引起的不銹鋼晶間腐蝕很常見。
特征:晶間腐蝕沿晶界向內(nèi)發(fā)展，表面無腐蝕跡象，但晶界上有腐蝕產(chǎn)物沉積；從金相顯微鏡可以看出，晶界呈現(xiàn)網(wǎng)狀腐蝕。晶間腐蝕是在一定條件下(溫度、成分、腐蝕溶液等)晶界的化學(xué)和結(jié)構(gòu)變化引起的。)，導(dǎo)致耐腐蝕性下降。
5.隙間腐蝕
間隙腐蝕是指在電介質(zhì)溶液(尤其是含鹵素離子的介質(zhì))中，金屬與金屬或非金屬表面之間的狹窄間隙。間隙內(nèi)溶液中的氧氣耗盡后，氯離子從間隙外遷移到間隙內(nèi)，由于金屬氯化物的水解自催化酸化過程，鈍化膜被破壞，產(chǎn)生類似自催化點蝕的局部腐蝕。
特點:縫隙腐蝕是點蝕的一種特殊形式；出現(xiàn)在間隙中(如焊接、鉚接、墊圈下的間隙或沉積物)；失效模式為狹縫狀，可被嚴(yán)重穿透。
6.金屬超應(yīng)力引起的腐蝕
在應(yīng)力(拉應(yīng)力)和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，機械設(shè)備零件會出現(xiàn)低于材料強度上下限的脆性開裂現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備和零件失效。這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力腐蝕開裂。
根據(jù)介質(zhì)的主要成分如氯化物、氫氧化物、硝酸鹽和含氧水，分別稱為氯裂(氯脆或氯化物裂)、堿裂(堿脆)、硝酸鹽裂(硝酸鹽脆)和氧裂(氧脆)等。
機械和部件的應(yīng)力腐蝕開裂必須同時滿足材料、環(huán)境和應(yīng)力的特定條件。主要有以下金屬材料和環(huán)境的組合會產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕損傷:
(1)奧氏體不銹鋼-氯離子、氯離子+蒸汽、硫化氫、堿液等。；
(2)碳鋼和低合金鋼——堿液、硝酸溶液、無水液氨、濕硫化氫和醋酸；
(3)含鉬堿液、氯化物水溶液、硫酸+硫酸銅水溶液等的奧氏體不銹鋼。；
(4)黃銅-氨氣和溶液、氯化鐵、濕二氧化硫等。；
(5)含鹽酸和熔融氯化鈉的鈦-甲酸或乙醇；
(6)鋁濕硫化氫、含氫硫化氫和海水。
金屬腐蝕試驗
1.金屬腐蝕試驗
腐蝕試驗的目的是:
在給定的環(huán)境下，確定各種防腐措施的適應(yīng)性、佳選擇、質(zhì)量控制途徑以及采取這些措施后構(gòu)件的預(yù)期使用壽命；評估材料的耐腐蝕性；確定環(huán)境的腐蝕性，研究環(huán)境中的雜質(zhì)和添加劑對腐蝕速率和腐蝕形式的影響；研究腐蝕產(chǎn)物對環(huán)境的污染；分析部件失效原因時進行再現(xiàn)性試驗；研究腐蝕機理。
通常，金屬腐蝕可分為均勻腐蝕和局部腐蝕(點蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕和應(yīng)力腐蝕)。
對于均勻腐蝕，腐蝕速率可用重量法表征。對于局部腐蝕，需要分析具體問題。電化學(xué)測試方法是均勻腐蝕和局部腐蝕的通用測試方法。
2.重量腐蝕試驗
重量法是根據(jù)腐蝕前后樣品重量的變化來測量金屬的腐蝕速率，判斷材料的耐蝕性。
在測試過程中，如果金屬溶解在介質(zhì)中，樣品的重量會減少，這可以通過損失法來測量。如果腐蝕產(chǎn)物的成分已知，并且牢固地附著在金屬表面，或者腐蝕產(chǎn)物可以全收集，可以用增重法測量。
優(yōu)缺點:重量腐蝕試驗簡單、方便、直觀，仍然是測量腐蝕速率基本的方法。但也有一定的局限性:只適合綜合腐蝕；結(jié)果試驗受樣品制備、環(huán)境介質(zhì)特性、試驗操作、腐蝕產(chǎn)物去除方法等多種因素影響，重現(xiàn)性不好。測試時間更長。
3.晶間腐蝕的試驗方法
測試金屬材料在特定介質(zhì)條件下晶間腐蝕有感性的加速金屬腐蝕試驗方法，旨在了解材料的化學(xué)成分、熱處理和加工是否合理。其原理是利用各種能使金屬腐蝕電位在恒電位陽極極化曲線特定范圍內(nèi)的測試溶液，利用金屬晶粒與晶界在該電位范圍內(nèi)腐蝕電流的顯著差異，加速晶間腐蝕的顯示。不銹鋼和鋁合金的晶間腐蝕試驗方法在許多國家已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。
晶間腐蝕試驗方法大致可分為三類:化學(xué)試驗方法、電化學(xué)試驗方法和物理試驗方法。化學(xué)試驗方法很多，成熟且應(yīng)用廣泛，部分已列入國家標(biāo)準(zhǔn)。電化學(xué)測試方法是一種尚未標(biāo)準(zhǔn)化的方法。它大的優(yōu)點是速度快，不破壞樣品。金相法和彎曲法在物理實驗中應(yīng)用廣泛。
4.氣蝕試驗方法
通常，點蝕試驗的方法可分為兩類，一類是化學(xué)浸泡法，另一類是電化學(xué)測量法。
化學(xué)浸泡法是將樣品浸泡在某種加速或自然的腐蝕環(huán)境中，測量腐蝕孔的重量損失、數(shù)量、深度和尺寸，以確定金屬或合金抗點蝕的必要性，或通過測量點蝕臨界溫度和點蝕成核所需的小氯離子濃度來確定金屬和合金的點蝕有感性。這種方法大的優(yōu)點是陽極-陰極工藝，符合實際生產(chǎn)情況。
常用的化學(xué)浸泡方法有:三氯化鐵試驗，將按要求處理后的樣品置于6%三氯化鐵溶液中，在一定溫度(35℃或50℃)和一定試驗時間(7.2h)下測量樣品的失重、蝕孔數(shù)量和尺寸，評價材料的抗點蝕能力；電化學(xué)測量是通過測量金屬和合金的點蝕特征電位(臨界點蝕電位和點蝕保護電位)來確定金屬和合金的點蝕傾向。這種方法雖然具有電化學(xué)快速測量的獨特優(yōu)勢，但與實際生產(chǎn)情況有所不同。
5.應(yīng)力腐蝕試驗
根據(jù)加載方式的不同，可分為恒應(yīng)變法、恒載荷法和恒速率法。
在實踐中，殘余應(yīng)力往往是由冷熱加工產(chǎn)生的。焊接殘余應(yīng)力是常見的一種，因此，焊接件也可以作為應(yīng)力腐蝕開裂的試樣。
根據(jù)試驗介質(zhì)的不同，可分為3.5%氯化鈉溶液交替浸泡法、沸騰氯化鎂溶液法、聚硫酸法、高溫高壓試驗法等。
