机械装备失效分析小课堂—

机械装备失效分析小课堂——腐蚀失效诊断

2018-10-25 12:38:27 作者：本网整理来源：理化检验物理分册分享至：

机械装备在服役过程中的失效与其服役特点密切相关，按照失效时构件是否发生开裂或断裂，服役过程中的失效形式可分为断裂型失效和非断裂型失效两种。今天，我们将为大家介绍腐蚀失效诊断相关的内容。

腐蚀失效

1腐蚀

金属与其表面接触的介质发生反应而造成的损坏称为腐蚀。

在大多数情况下，腐蚀具有破坏性，它不仅使金属材料遭到破坏，有时甚至会危及生命。

2腐蚀失效的特点

失效形式众多，失效机理复杂。

3腐蚀的分类

根据金属腐蚀损坏的特征不同，可以把腐蚀分为全面腐蚀和局部腐蚀。全面腐蚀也称均匀腐蚀，局部腐蚀则包括穴状腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、穿晶腐蚀、表面下腐蚀等。

工程上最常见的金属腐蚀有：均匀腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀（包括气蚀和微动磨损）、应力腐蚀（SCC）、腐蚀疲劳（CF）、氢脆（HE）等。

全面腐蚀失效诊断

金属构件发生腐蚀失效后，表面一般都会存在腐蚀产物，很难观察到基体的受损情况。

在进行腐蚀诊断时，一般遵循以下程序：

（1）先用肉眼观察，根据腐蚀产物的分布和厚重程度，初步判断属于局部腐蚀还是全面腐蚀。

（2）若腐蚀特征不明显，还不能判断腐蚀性质时，可采用物理方法和超声波清洗，然后再进行观察，判断是否发生了腐蚀。

材料表面遭受腐蚀后，SEM 观察会发现，原始的机械加工痕迹消失，表面会出现一些不规则的凹坑或裂纹。

水垢是一种物理沉积，有时附着在材料表面，其外观特征与腐蚀极为相似，但经过物理清理后，水垢会脱落或局部脱落，材料表面的原始形貌不会发生变化。笔者在对核电厂的一些不锈钢管线以及世界知名牛奶加工企业的不锈钢管线进行分析时，曾多次发现用户原认定的腐蚀实际上是一层水垢。

（3）确定属于腐蚀失效后，一般都要对腐蚀区域进行剖面金相观察，确定是属于点腐蚀、应力腐蚀或者其他类型的腐蚀。

（4）采用能谱仪对腐蚀产物进行元素成分分析，如图1所示，有条件的还可以采用X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子谱仪（XPS）等对腐蚀产物进行物相分析和价态分析，以确定造成零件失效的环境介质的成分，进一步确定失效的模式和机理，找到发生腐蚀失效的真正原因，从而制定切实可行的预防措施。

图1 点腐蚀孔洞处腐蚀产物的SEM形貌及EDS谱

点腐蚀失效诊断

点腐蚀发生的首要条件是钝化膜的局部溶解或破坏，往往发生在表面有缺陷或夹杂物的位置，或钝化膜薄弱的部位，而且需要有活性阴离子的存在。氯离子容易被吸附，挤走氧原子，与钝化膜中的阳离子发生反应生成可溶性的氯化物，破坏钝化膜，形成小坑，即点腐蚀诱导阶段，形成一个闭塞电路。

含氯离子的水溶液是产生点腐蚀的主要原因，点腐蚀的特征是金属构件表面有肉眼可见的腐蚀麻坑，用金相法观察点腐蚀坑的剖面，其基本形态有7种，见图2。

图2 各种点腐蚀孔的剖面示意图

点腐蚀因其并非突发性的，故其危害性并不十分严重，但其腐蚀坑却常常成为应力腐蚀或腐蚀疲劳的起源点，其严重性就十分大了。

图3 点腐蚀形貌

图3是实际检测中观察到的点腐蚀的表面形貌和剖面形貌，点腐蚀坑中残留的腐蚀液持续腐蚀，腐蚀产物沿点腐蚀坑边界泛出，形成“蚯蚓洞”形腐蚀产物堆积。

非金属夹杂物与基体金属的化学成分不同，其电极电位也不同，当接触到腐蚀性介质时，会形成大阴极（基体）和小阳极（夹杂物）的电化学腐蚀，结果是夹杂物和基体之间形成较大的腐蚀间隙，靠近夹杂物边缘的基体也会发生腐蚀，见图4。

图4 夹杂物周围的腐蚀形貌

材料中的夹杂物经磨削后部分露出表面，腐蚀性介质进入夹杂物和基体之间的缝隙，与材料发生化学反应，反应产生的气体会将缝隙中的一些含腐蚀产物的介质带到表面，在夹杂物周围形成扇形区域，见图4a）。从缝隙中泛出的介质还会在夹杂物边缘继续产生腐蚀，腐蚀产物脱水后形成龟裂状，见图4b）。

应力腐蚀开裂失效诊断

在所有的腐蚀失效中，应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）的危害性最大，其具有突发性的特点，经常会引起火灾或有毒有害介质的泄漏，与人们的生命安全息息相关。

材料科学中，应力腐蚀开裂被定义为：由于腐蚀环境和静态或单向变化的拉应力共同作用而引起的一种局部腐蚀，引起金属结构承载性能明显下降，通常导致裂纹的形成而造成脆性开裂。它是一种较为隐蔽的局部腐蚀形式，裂纹的萌生和亚临界扩展往往在宏观上没有明显的预兆，裂纹扩展到临界长度使得应力强度因子达到材料断裂韧度时易于造成突发性的断裂失效事故。拉应力、特定的腐蚀环境、敏感材料是发生应力腐蚀开裂的三要素。

应力腐蚀开裂一般具有以下特点：

（1）材料表面腐蚀程度较轻，一般无全面腐蚀的特征。

（2）裂纹往往起源于表面的点腐蚀坑或腐蚀小孔的底部。

（3）主裂纹通常垂直于主应力方向，多半有分支，呈“树枝状”或“闪电状”，如图5所示。