应力作用下的腐蚀

1.应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂（Stress Corrosion Cracking，SCC）是指受拉伸应力作用的金属材料在某些特定的介质中，由于腐蚀介质和应力的协同作用而产生滞后开裂或滞后断裂的现象。材料由环境因素和力学因素共同引起的断裂，也称之为环境断裂。通常，在某种特定的腐蚀介质中，材料在不受应力时腐蚀速度很小，而受到一定的拉伸应力（可远低于材料的屈服强度）下，经过一段时间后，即使是延展性很好的金属也会发生低应力脆性断裂。常见的SCC有：锅炉钢在热碱溶液中的“碱脆”、低碳钢在硝酸盐中的“硝脆”、奥氏体不锈钢在氯化物溶液中的“氯脆”和铜合金在氨水溶液中的“氨脆”等。

一般认为发生SCC需要同时具备三个条件，即：敏感材料、特定介质和拉伸应力。具体来说：

（1）材料本身对SCC具有敏感性。几乎所有的金属或合金在特定的介质中都有一定的SCC敏感性，合金和含有杂质的金属比纯金属更容易产生SCC。

（2）存在能引起该金属发生SCC的介质。对每种材料，并不是任何介质都能引起SCC，只有某些特定的介质才产生SCC。如下表：

表  一些金属和合金产生应力腐蚀的特定介质

（3）发生SCC必须有一定的拉伸应力的作用。这种拉伸应力可以是工作状态下材料承受外加载荷造成的工作应力；也可以是在生产、制造、加工和安装过程中形成的热应力、形变应力等残余应力；或表面腐蚀产物膜（钝化膜或脱合金疏松层）引起的附加应力，裂纹内腐蚀产物的体积效应造成的楔入作用也会产生拉应力。

2.腐蚀疲劳

疲劳腐蚀是指金属材料在循环应力或脉动应力和腐蚀介质共同作用下，所产生的脆性断裂的腐蚀形态。在腐蚀介质和交变应力的共同作用下，金属的疲劳极限大大降低，因而会过早地破裂。这种破坏要比单纯交变应力造成的破坏（即疲劳）或单纯腐蚀造成的破坏严重得多，而且有时腐蚀环境不需要有明显的侵蚀性。

产生腐蚀疲劳的金属材料中有碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢以及镍基合金和其他非铁合金等。腐蚀疲劳一般按腐蚀介质进行分类，有气相腐蚀疲劳（化学腐蚀）和液相腐蚀疲劳（电化学腐蚀）；按试验控制的参数，又分为应变腐蚀疲劳和应力腐蚀疲劳。

腐蚀疲劳的特点如下：

（1）腐蚀疲劳不存在疲劳极限。一般以预指的循环周次下不发生断裂的最大应力作为腐蚀疲劳强度，用以评价材料的腐蚀疲劳性能。

（2）与应力腐蚀相比，腐蚀疲劳没有这种选择性，几乎所有的金属在任何腐蚀介质中都会产生腐蚀疲劳，发生腐蚀疲劳不需要材料-环境的特殊组合。金属在腐蚀介质中可以处于钝态，也可以处于活化态。

（3）金属的腐蚀疲劳强度与其耐蚀性有关。耐蚀材料的腐蚀疲劳强度随抗拉强度的提高而提高，耐蚀性差的材料腐蚀疲劳强度与抗拉强度无关。

（4）腐蚀疲劳裂纹多起源于表面腐蚀坑或缺陷，裂纹源数量较多。腐蚀疲劳裂纹主要是穿晶的，有时也可能出现沿晶的或混合的，只有主干，没有分支。

（5）腐蚀疲劳断裂是脆性断裂，没有明显的宏观塑性变形。断口有腐蚀的特征，如腐蚀坑、腐蚀产物、二次裂纹等，又有疲劳特征，如疲劳辉纹。

3.氢致开裂

一般情况下，进入材料的氢是极其有害的，使材料产生氢损伤。它包括两类：一类是和外载荷无关的氢压裂纹（如钢中白点，焊接冷裂纹、H₂S中浸泡裂纹等）；另一类是外载荷下氢通过扩散、富集而引起的滞后开裂或滞后断裂。氢损伤也称为氢脆，包括氢压引起的微裂纹、高温高压氢腐蚀、氢化物相或氢致马氏体相变、氢致塑性损失等。严格来说，氢脆主要涉及金属韧性的降低，而氢损伤除涉及韧性降低和开裂外，还包括金属材料其他物理性能或化学性能的下降，因此含义更为广泛。有时氢脆、氢损伤和氢致开裂三个名词并不仔细区分，而是混淆使用。

主要分为三类：

1）氢诱导开裂（HIC），也称氢致开裂。没有外加应力作用下由氢导致的开裂。

2）硫化物应力开裂（SSC）。是氢和外加应力共同作用导致的开裂。

3）应力导向氢致开裂（SOHIC）。可被看作是HIC和SSC共同作用结果。

4.磨损腐蚀

磨损是金属同固体、液体或气体接触进行相对运动时，由于摩擦的机械作用引起表层材料的剥离而造成金属表面以至基体的损伤。腐蚀环境中摩擦表面出现的材料流失现象称为磨损腐蚀，简称磨蚀。本文介绍磨损腐蚀中的冲刷腐蚀、空泡腐蚀、摩擦副磨损腐蚀和微动腐蚀。

4.1 冲刷腐蚀

冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动引起的金属损伤。通常在静止的或低速流动的腐蚀介质中，腐蚀并不严重，而当腐蚀流体高速运动时，破坏了金属表面能够提供保护的表面膜或腐蚀产物膜，表面膜的减薄或去除加速了金属的腐蚀过程，因而冲刷腐蚀是流体的冲刷与腐蚀协同作用的结果。

4.2 空泡腐蚀

空泡腐蚀[也称空蚀，气蚀]是一种特殊形式的冲刷腐蚀，是由于金属表面附近的液体中空泡溃灭造成表面粗化、出现大量直径不等的火山口状的凹坑，最终丧失使用性能的一种破坏。空泡腐蚀只发生在高速的湍流状态下，特别是液体流经复杂的金属表面，液体压强发生很大变化的场合，如汽轮机叶片、船用螺旋桨、泵叶轮、阀门及换热器的集束管口等。

4.3 摩擦副磨损腐蚀

摩擦副磨损腐蚀是摩擦接触表面的机械磨损与周围环境介质发生的化学或电化学腐蚀的共同作用，导致表层材料流失的现象。常发生在矿山机械、工程机械、农业机械、冶金机械等接触部件或直接与砂、石、煤、灰渣等摩擦的部件，如磨煤机、矿石破碎机、球磨机、溜槽、振动筛、螺旋加料器、刮板运输机、旋风除尘器等。

在不发生机械磨损的情况下，材料在腐蚀环境中由于受到表面保护膜的保护，腐蚀很轻微；在存在机械磨损作用时，而且摩擦热会加快腐蚀速度。另一方面，剥落的保护膜通常以固体碎屑形式存在于两个表面之间，会引起磨料磨损。因此，在很多场合下，腐蚀磨损总的损失量往往大于纯腐蚀与纯磨损损失量之和。

4.4 微动腐蚀

微动腐蚀（又称微振腐蚀）是腐蚀磨损的一种形式，是指两个相互接触、名义上相对静止而实际上处于周期性小幅相对滑动（通常为振动）的固体表面因磨损与腐蚀交互作用所导致的材料表面破坏现象。

产生微动腐蚀的相对滑动极小，振幅一般为2~20μm。反复的相对运动是产生微动腐蚀的必要条件，在连续运动的表面上并不产生微动腐蚀。微动腐蚀一般使金属表面出现麻坑或沟槽，并且周围往往有氧化物或腐蚀产物。在各种压配合的轴与轴套、铆接接头、螺栓连接、键销固定等连接固定部位，钢丝绳股与股、丝与丝之间，矿井下的轨道与道钉之间，都可能发生微动腐蚀。在有交变应力的情况下，还可因微动腐蚀诱发疲劳裂纹形核、扩展，以致断裂。