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不銹鋼材料

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不銹鋼材料局部腐蝕類型有哪些

來源:至德鋼業 日期:2020-03-10 00:11:24 人氣:1445

   不銹鋼的“不銹”是相對的,由于不銹鋼服役環境有時十分苛刻,一定條件下也發生腐蝕。由于不銹鋼表面存在連續致密的氧化膜,故不銹鋼腐蝕的研究重點是局部腐蝕。就腐蝕形態而言,局部腐蝕可分為以下幾種。


一、點蝕


   在腐蝕介質中,如果不銹鋼表面鈍化膜遭到破壞或有缺陷,在這些點位將會發生腐蝕,形成腐蝕小坑,這種腐蝕稱為點蝕。

 點蝕通常發生在以下幾種情況:


 1. 在某些金屬表面上存在氧化膜,且在溶液中含有腐蝕性陰離子。其原因是鈍化金屬表面的鈍化膜并不均勻,尤其是金屬組織中含有非金屬夾雜物,在活性陰離子的作用下,腐蝕小孔優先在這些部位形成;


 2. 在鍍層或涂層的孔隙處或缺陷處;


 3. 當陽極性緩蝕劑用量不足時,表面鈍化膜覆蓋不完全,也容易發生點蝕。



 二、腐蝕機理


  點蝕分為三個階段:誘導期、發生期、發展期。如圖是不銹鋼典型的陽極極化曲線,其中Eb稱為擊穿電位或點蝕電位,Ep稱為再鈍化電位(或保護電位),當外加電壓E>Eb,將發生點蝕,侵蝕性離子如Cl-、Br-等很容易吸附在鈍化膜的缺陷處,與膜中的陽離子形成可溶性的氯化物,這些氯化物便成了點蝕的成核位點;當外加電位處于Ep和Eb之間時,不會萌生新的點蝕,但原先的點蝕孔將繼續發展,此區間稱為亞穩態點蝕區;當電位低于Ep時,則不銹鋼表面不會產生點蝕。 這些反應使得孔內中介質pH值下降,同時生成的腐蝕產物堆積在孔口,液相傳質受到阻礙,構成閉塞腐蝕電池,從而導致孔內金屬腐蝕速度進一步加劇,造成穿孔的發生。

   


三、影響因素


  影響點蝕的因素主要有合金元素、溶液組成、相對濕度等。隨著鉻含量的增加,不銹鋼耐點蝕能力提高。浙江至德鋼業有限公司研究了鉻與鎳的比例對于S32304雙相不銹鋼耐點蝕性能的影響,文章指出鉻鎳對焊接處的微觀結構存在影響,比值越低,奧氏體含量越多,微觀結構越穩定,其耐點蝕的能力也增強。


 不銹鋼中除了含鉻之外,通常含有其他的合金元素,例如錳、鉬、硅、硫等。經研究發現,錳、鉬對于不銹鋼的耐點蝕性能有不同的效應。不銹鋼中添加鉬元素,能夠提高鈍化膜的穩定性,從而提高耐點蝕能力;然而添加錳元素,由于很容易生成MnS,MnS不穩定,溶解之后造成鈍化膜的不完整,從而引發點蝕。


  另外,溶液組成對點蝕也有影響。韓國人研究了在CaCl2和NaCl中,11%、17%Cr鐵素體不銹鋼的腐蝕行為,表明在NaCl溶液中的點蝕電位比在CaCl2溶液中的電位高,在CaCl2溶液中,不銹鋼發生腐蝕的傾向性更高;此外還利用循環腐蝕測試的方法,巧妙地將點蝕三個階段分開研究,更深入地研究了不銹鋼點蝕機理。日本人為了研究海洋腐蝕環境,在氯化物液滴下對430不銹鋼進行腐蝕,結果表明430不銹鋼點蝕存在臨界相對濕度和臨界Cl-濃度,分別為~80%和4 M,相比于304不銹鋼的65%和6 M,說明304不銹鋼比430不銹鋼更能適用于海洋環境。然而發現碳鋼在閉塞區的點蝕不存在臨界pH值和臨界Cl-濃度。閉塞區內Cl-離子濃度的增加,會使溶液pH下降,而腐蝕速度的對數與pH值呈線性關系。


 

四、縫隙腐蝕


   當金屬材料或制品在介質中形成微小縫隙(一般在0.025-0.1mm范圍內)時,造成縫內外物質傳遞受阻,引起的局部腐蝕稱為縫隙腐蝕。縫隙腐蝕具有如下特點:


  1. 幾乎所有的金屬和合金都有可能引起縫隙腐蝕,但是具有自鈍化的金屬或合金對縫隙腐蝕的敏感性更高。


  2. 幾乎所有腐蝕性介質都能引起金屬的縫隙腐蝕。


  3. 縫隙口常用腐蝕產物覆蓋,形成閉塞電池,具有一定的隱蔽性,容易造成金屬結構的突然失效,具有相當大的危害性。

 


五、  腐蝕機理


 a. 臨界縫隙溶液機理:臨界縫隙溶液這個概念首先是于1978年提出的,如圖所示是臨界縫隙溶液機理示意圖,他們認為縫隙腐蝕的發生分為四個階段:


  1. 縫隙內氧的耗盡


 當金屬置于含Cl-的腐蝕介質開始時,縫隙內外會發生如下的陰陽極反應: 隨著反應時間的增加,同時縫隙外本體溶液中的氧很難擴散至縫隙內,將逐漸導致縫隙內溶液的含氧量下降直至耗盡。


  2. 縫隙溶液的酸化和Cl-濃度的富集


 當縫隙內溶液中氧耗盡時,此時陰陽極反應將分開,縫隙外主要發生陰極反應,縫隙內發生陽極溶解反應,形成腐蝕微電池。縫隙內的金屬陽離子逐漸增加直至飽和,沉淀出金屬的氫氧化物,使得縫隙內溶液H+增加,pH值下降。為了保持縫隙內溶液的電中性,縫隙外的Cl-和OH-通過電遷移進入到縫隙中,與金屬陽離子形成氯化物并水解,從而進一步加劇縫隙內陽極溶解速率,如此循環便形成了具有自催化效應的閉塞電池。當縫隙內的溶液pH值、Cl-濃度達到足以破裂縫隙內鈍化膜時,稱此時的溶液狀態為臨界縫隙溶液。當鈍化膜破裂時,金屬基體的溶解速率增加,快速腐蝕開始。


 3. 縫隙腐蝕的發展


    當經過一段時間后,縫隙腐蝕將發展至非常嚴重的地步,此時金屬材料失效,導致嚴重的后果。需要注意的是,如果縫隙寬度大于0.1 mm,縫隙內的介質不會形成滯留,往往不會導致縫隙腐蝕。


  4. 臨界歐姆降機理


   如果按照臨界縫隙溶液機理,縫隙腐蝕存在誘導期,縫隙最底部應該是腐蝕最嚴重的區域,但是有研究發現外加電壓足夠的話,腐蝕不需要經過誘導期而直接發生,并且腐蝕最嚴重的部位是縫隙中部,鈍化溶解機理不能很好的解釋此現象。提出了臨界歐姆降理論。該理論認為如果縫隙內電壓大于臨界電壓差,縫隙內腐蝕就能發生,其中是縫隙內電流;

 


六、影響因素


  1. 縫隙的寬度和深度以及縫內外面積比等幾何因素。例如,浙江至德鋼業有限公司研究了在NaCl溶液中不銹鋼的縫隙腐蝕行為,發現縫隙的開口寬度a和縫外陰極區面積與縫內陽極區面積之比r對于腐蝕有影響。a越大,阻塞效應越小,縫內溶液體積就越大,需要更長的酸化時間(即Fe的水解作用降低pH的時間)來引發腐蝕。r越大,誘導期越長,但一旦腐蝕開始,腐蝕速率也越大。


  2. 溶液中的含氧量、溶液pH值、Cl-濃度等環境因素。例如,澳大利亞人研究了生物膜和含氧量對于雙相UNS S31803和UNSN08825的縫隙腐蝕的影響。研究結果表明,在氧氣和生物膜存在時,鈍化膜破裂擊穿,從而發生縫隙腐蝕。


 3. 材料因素主要是指不銹鋼隨著鉻、鉬、鎳元素含量的增高,耐縫隙腐蝕性能有所提高。日本人研究了奧氏體不銹鋼中氮對于縫隙腐蝕的影響。高氮不銹鋼在氯化物溶液中有很好的耐縫隙腐蝕的能力,氮消耗H質子生成NH3,能夠降低pH下降的趨勢,減緩孔內溶液的酸化,從而提高耐縫隙腐蝕的能力。同時,氮在鈍化膜金屬界面的富集能夠抵御Cl-的侵蝕。



 七、晶間腐蝕

 

   目前科學界公認的不銹鋼晶界腐蝕機理是貧鉻理論,該理論認為在一定的條件下,不銹鋼晶界析出新相碳化物(Cr23C6),但由于在晶粒中C的擴散速度遠大于Cr的擴散速度,因而過量的碳只能與晶界附近的Cr形成碳化物,造成晶界附近形成貧Cr區域,這些區域的Cr含量低于耐晶界腐蝕所必須的12%,故發生晶間腐蝕。故此控制不銹鋼中碳化物在晶界的析出可以防止晶間腐蝕的發生,一般有如下幾種方法:

 

  1. 通過提高冶煉技術降低碳在鋼材中的含量,可以減少碳化物在晶界析出的量,根本上防止晶間腐蝕,但是超低碳鋼的冶煉難度大,成本高。


  2. 穩定化處理。為了防止碳在晶界析出,可以在冶煉時加入與碳親和力較大的元素,例如鈦、鈮,這樣碳優先與這些元素生成穩定化合物,降低貧鉻區域的發生。



 八、應力腐蝕


    應力腐蝕開裂(SCC)是一個需要腐蝕性物質和持續的拉應力同時作用造成的破裂過程,它會導致韌性金屬的突然失效,尤其是在高溫情況下。目前為止關于應力腐蝕開裂的機理還沒有形成統一的認識。文獻中提出了一些機理模型用來解釋SCC,包括以下內容:


 1. 吸附模型:特定化學物質吸附在表面裂紋,降低了材料的斷裂應力。


 2. 膜破裂模式:應力導致鈍化膜局部破裂,并形成了活性溶解-鈍化的腐蝕電池,新形成的鈍化膜又在應力的作用下破裂,如此一直循環到材料失效。


 3. 敏感路徑模型:金屬間化合物和混合物在晶界形成,當材料收到拉應力的時候,這些位置將導致應力集中從而使材料破裂失效。

 

  4. 脆化模型:氫脆是鋼材和其他合金SCC的主要機制。材料中的氫原子聚合到一起形成應力集中導致裂紋的出現。


 

   由于應力腐蝕開裂是由三部分聯合作用的結果:敏感材料;特定的化學物質(環境)和拉伸應力。故此防止應力腐蝕開裂可通過如下幾個途徑:(1)避免材料接觸到容易導致SCC的化學物質;(2)控制硬度和應力水平(剩余或負載);(3)通過噴丸硬化等手段引入壓應力;(4)在指定的環境中使用公認的不開裂材料;(5)控制工作溫度或合金的電化學電勢。



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