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不銹鋼的耐腐蝕能力 分析

什么是腐蝕

腐蝕是一種電化學(xué)過(guò)程,其中金屬與周圍環(huán)境發(fā)生反應(yīng),所導(dǎo)致的降解引發(fā)材料性能(例如機(jī)械強(qiáng)度,外觀以及對(duì)液體和氣體的不滲透性)的損失。腐蝕的原因是金屬及其天然礦石的能量差異。從礦石中提取任何金屬都需要能量。這種“過(guò)剩的能量”推動(dòng)腐蝕,因?yàn)榻饘賹⒃噲D恢復(fù)到其自然狀態(tài)。

從電化學(xué)上講,腐蝕是電子的釋放。釋放電子的過(guò)程稱為氧化反應(yīng)或陽(yáng)極反應(yīng)。然而,這些電子需要在某處被消耗,因此需要發(fā)生還原反應(yīng)或陰極反應(yīng)。

易氧化的金屬(例如鎂)被稱為非貴(活性)金屬,而最耐腐蝕的金屬(例如金和鉑)被稱為貴(惰性)金屬。在兩者之間,我們找到了工程用途的大多數(shù)金屬,例如鐵和銅。


不銹鋼和鈍化

從本質(zhì)上講,不銹鋼不屬于金或鉑這樣的貴金屬。不銹鋼的耐腐蝕性是來(lái)自于鉻,鐵的氧化物和氫氧化物構(gòu)成的看不見(jiàn)而且不溶的薄層,通常稱為鈍化膜(圖1)。

1:不銹鋼鈍化膜的兩層模型


即使鈍化膜只有幾納米的厚度,它也可以有效地使下方的金屬與周圍環(huán)境隔離開(kāi)來(lái),有效地減緩了引起腐蝕的電化學(xué)反應(yīng),腐蝕速率較沒(méi)有鈍化膜時(shí)的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)降低。其他金屬(例如鉻,鋁和鈦)也表現(xiàn)出鈍化性,不銹鋼是利用鉻鈍化的能力。

在含有足夠氧化劑的環(huán)境中,不銹鋼表面的鈍化膜會(huì)自發(fā)形成。此外,如果鈍化膜下面的金屬由于機(jī)械損傷(例如刮擦)而暴露在外,它會(huì)自發(fā)地重新鈍化。空氣以及大多數(shù)水溶液中的氧氣含量足以形成和維持不銹鋼鈍化膜。如果能有效的保留住鈍化膜,不銹鋼幾乎可以永久使用。


均勻腐蝕

在鈍化膜不穩(wěn)定的環(huán)境中會(huì)發(fā)生均勻腐蝕,未保護(hù)的金屬表面或多或少地均勻減少,如圖2所示。在酸或熱堿性溶液中,不銹鋼的均勻腐蝕是最常見(jiàn)的。另外,氯化物和氟化物的熔鹽也可以導(dǎo)致均勻腐蝕。

2:暴露于硫酸的蒸汽管的均勻腐蝕


在溫度和化學(xué)成分恒定的環(huán)境中,期望以合理的恒定速率發(fā)生均勻腐蝕。通過(guò)在一定表面積測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)的重量損失,可以確定腐蝕速率。這通常表示為厚度隨時(shí)間的損失,例如毫米/年。根據(jù)定義,如果腐蝕速率不超過(guò)0.1毫米/年,則通常認(rèn)為不銹鋼在特定環(huán)境中具有耐均勻腐蝕的能力。


點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕

均勻腐蝕會(huì)引起鈍化膜的廣泛破壞,但點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕是由鈍化膜的局部破壞引起的。在實(shí)際情況中,不銹鋼的腐蝕失效通常是局部腐蝕,而不是均勻腐蝕的結(jié)果,請(qǐng)參見(jiàn)圖3。在這種情況下,不銹鋼表面局部形成電偶,這會(huì)導(dǎo)致快速的腐蝕蔓延。與均勻腐蝕相比,局部腐蝕的重量損失可能很小,作為腐蝕嚴(yán)重程度指標(biāo)的腐蝕速率與局部腐蝕無(wú)關(guān)。相反,點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕被認(rèn)為是一種非此即彼的情況,一旦局部腐蝕開(kāi)始,很快就會(huì)穿透材料,因此需要避免

3:管子外部的點(diǎn)蝕


在含鹵素離子的環(huán)境中,例如氯化物,不銹鋼特別容易出現(xiàn)點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。因此,存在局部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的環(huán)境包括含大量氯化物的液體,例如海水和各種工業(yè)溶液。

縫隙腐蝕(見(jiàn)圖4)發(fā)生在縫隙和其他密閉空間中,以及在使用過(guò)程中形成的沉積物下。在水性環(huán)境中,不銹鋼表面自然發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)會(huì)消耗氧氣。在縫隙內(nèi)部停滯的溶液中,新氧化劑的供應(yīng)受到限制。縫隙內(nèi)溶液的成分逐漸變得不同于周圍溶液的成分。當(dāng)形成濃差電池時(shí),這種成分差異就增加了腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

4:暴露于氯化海水的法蘭密封下的縫隙腐蝕


越來(lái)越強(qiáng)的腐蝕性環(huán)境最終會(huì)破壞縫隙內(nèi)部的鈍化膜,而小面積裸露的金屬表面將充當(dāng)縫隙周圍更大鈍化區(qū)域的陽(yáng)極。

對(duì)于任何類型的腐蝕,點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)取決于環(huán)境因素和合金的耐腐蝕性。高氯化物濃度,低pH值和高溫都會(huì)增加點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的可能性。其他鹵化物(如溴化物和碘化物)也可能引起點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。


應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂

應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)是一種脆性破壞模式,由機(jī)械應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用引起。在預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕、縫隙或均勻腐蝕的環(huán)境中,可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度快速損失,并可能導(dǎo)致破裂的災(zāi)難性故障,這使其成為隱蔽的腐蝕形式。應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生,必須滿足三個(gè)要求:

?易感材料

?材料對(duì)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感的環(huán)境

?足夠的拉應(yīng)力

 

如果除去這三個(gè)因素之一,則不會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。與點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕一樣,不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕最常見(jiàn)的原因是含氯化物的溶液和高溫。隨著氯化物濃度的增加,溫度的升高和pH值的降低,應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加。不銹鋼的應(yīng)力腐蝕通常以細(xì)小、分支裂紋的形式出現(xiàn),見(jiàn)圖5

5:不銹鋼管的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂


由于裂紋的快速擴(kuò)展,應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起的失效通常會(huì)突然發(fā)生而沒(méi)有預(yù)警。在最嚴(yán)重的情況下,組件的故障可能會(huì)在幾天甚至幾小時(shí)內(nèi)發(fā)生。

 

腐蝕疲勞

當(dāng)材料承受周期性載荷時(shí),它能夠在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料極限拉伸應(yīng)力的載荷下失效。如果材料同時(shí)暴露在腐蝕性環(huán)境中,則即使在更低的負(fù)載下,也可能在較短的時(shí)間后發(fā)生失效。這是由一種稱為腐蝕疲勞的腐蝕引起的,該腐蝕與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂相似、導(dǎo)致脆性破壞。但是因腐蝕疲勞而產(chǎn)生的裂紋分支較少,見(jiàn)圖6。腐蝕疲勞通常發(fā)生在常溫環(huán)和中溶液中

6:造紙機(jī)吸水輥殼中的腐蝕疲勞裂紋

 

晶間腐蝕

晶間腐蝕是指材料晶界及鄰近部位優(yōu)先受到腐蝕, 而晶粒本身不被腐蝕或腐蝕很輕微的一種局部腐蝕,見(jiàn)圖7。在不銹鋼中,碳化鉻或金屬間相的沉淀可能導(dǎo)致晶間腐蝕。由于以前不銹鋼的高碳含量(0.05-0.15%),這種腐蝕是潛在危險(xiǎn)。現(xiàn)代不銹鋼的生產(chǎn)過(guò)程中使用AOD(氬氧精煉爐),已使碳含量降低,因此晶間腐蝕在今天已很少成為問(wèn)題。

圖7:不銹鋼管的晶間腐蝕


電偶腐蝕

電偶腐蝕是兩種不同的金屬相互接觸而同時(shí)處于電解質(zhì)中所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。通常,比較活潑的金屬(陽(yáng)極)會(huì)受到更嚴(yán)重的腐蝕,而惰性的金屬(陰極)則受到保護(hù)。通常在兩種金屬的結(jié)合處附近最易發(fā)生這種電偶腐蝕,見(jiàn)圖8

8:連接到不銹鋼的鍍鋅螺栓的電偶腐蝕


只要不銹鋼保持鈍化狀態(tài),它們?cè)诖蠖鄶?shù)環(huán)境中都會(huì)比其他金屬材料更有惰性,因此在大多數(shù)電偶中都是陰極。另一方面,與不銹鋼的電阻偶合可能會(huì)增加諸如高碳鋼、鍍鋅鋼、銅和黃銅等非貴金屬的腐蝕速率。不同不銹鋼鋼種之間的電偶腐蝕通常不是問(wèn)題,前提是每種不銹鋼在特定環(huán)境中都是鈍化的。

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