機械裝備在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，我們將為大家介紹服役過程中的腐蝕失效診斷相關內容。

    腐蝕失效

    1 腐蝕

    金屬與其表面接觸的介質發生反應而造成的損壞稱為腐蝕。

    在大多數情況下，腐蝕具有破壞性，它不僅使金屬材料遭到破壞，有時甚至會危及生命。

    2 腐蝕失效的特點

    失效形式眾多，失效機理復雜。

    3 腐蝕的分類

    根據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）、應力腐蝕（SCC）、腐蝕疲勞（CF）、氫脆（HE）等。

    全面腐蝕失效診斷

    金屬構件發生腐蝕失效后，表面一般都會存在腐蝕產物，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，根據腐蝕產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，判斷是否發生了腐蝕。

    材料表面遭受腐蝕后，SEM 觀察會發現，原始的機械加工痕跡消失，表面會出現一些不規則的凹坑或裂紋。

    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的不銹鋼管線進行分析時，曾多次發現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，一般都要對腐蝕區域進行剖面金相觀察，確定是屬于點腐蝕、應力腐蝕或者其他類型的腐蝕。

    （4）采用能譜儀對腐蝕產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）等對腐蝕產物進行物相分析和價態分析，以確定造成零件失效的環境介質的成分，進一步確定失效的模式和機理，找到發生腐蝕失效的真正原因，從而制定切實可行的預防措施。

圖1 點腐蝕孔洞處腐蝕產物的SEM形貌及EDS譜

    點腐蝕失效診斷

    點腐蝕發生的首要條件是鈍化膜的局部溶解或破壞，往往發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生反應生成可溶性的氯化物，破壞鈍化膜，形成小坑，即點腐蝕誘導階段，形成一個閉塞電路。

    含氯離子的水溶液是產生點腐蝕的主要原因，點腐蝕的特征是金屬構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性的，故其危害性并不十分嚴重，但其腐蝕坑卻常常成為應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腐蝕，腐蝕產物沿點腐蝕坑邊界泛出，形成“蚯蚓洞”形腐蝕產物堆積。

    非金屬夾雜物與基體金屬的化學成分不同，其電極電位也不同，當接觸到腐蝕性介質時，會形成大陰極（基體）和小陽極（夾雜物）的電化學腐蝕，結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

    材料中的夾雜物經磨削后部分露出表面，腐蝕性介質進入夾雜物和基體之間的縫隙，與材料發生化學反應，反應產生的氣體會將縫隙中的一些含腐蝕產物的介質帶到表面，在夾雜物周圍形成扇形區域，見圖4a）。從縫隙中泛出的介質還會在夾雜物邊緣繼續產生腐蝕，腐蝕產物脫水后形成龜裂狀，見圖4b）。

    應力腐蝕開裂失效診斷

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

    材料科學中，應力腐蝕開裂被定義為：由于腐蝕環境和靜態或單向變化的拉應力共同作用而引起的一種局部腐蝕，引起金屬結構承載性能明顯下降，通常導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兆，裂紋擴展到臨界長度使得應力強度因子達到材料斷裂韌度時易于造成突發性的斷裂失效事故。拉應力、特定的腐蝕環境、敏感材料是發生應力腐蝕開裂的三要素。

    應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不銹鋼換熱管內壁應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境中為穿晶開裂，在硫離子環境中為沿晶開裂。

    （6）應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，SCC按介質類型又可分為堿脆、氫脆、氯脆、氦脆、硝脆等。

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

    （9）可根據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失效預測預防研究。

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責任編輯：殷鵬飛

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