[航空航天]腐蚀环境作用下金属的失效分析.doc

腐蚀环境作用下金属的失效分析 1 腐蚀失效的分类 金属是最重要的工业材料。但是，金属在外界环境影响下常遭受化学和电化学的作用而引起腐蚀失效。从热力学的观点来看，除少数的贵金属(如金、铂)外，各种金属都有与周围介质发生作用而转变成离子的倾向。也就是说，金属受腐蚀是自然趋势。因此，腐蚀失效现象是普遍存在的，钢铁结构在大气中生锈，海船外壳在海水中腐蚀，地下金属管道穿孔，热电厂锅炉损坏，化工厂金属容器损坏等等，都是金属腐蚀失效的例子。据统计，1998年美国因腐蚀带来的经济损失高达2760亿美元，占美国GDP的3%以上。世界航空业因腐蚀原因造成的民航飞机的破坏占总破坏量的40%～60%，其中不乏因腐蚀失效造成的航空事故。 由于材料表面与环境介质发生化学或电化学反应而引起的材料的破坏或变质称为材料的腐蚀。腐蚀的分类方法很多，以下是两种常见的分类方法。 1.1 按腐蚀机理分类 (1)化学腐蚀金属表面与周围介质发生化学作用而引起的破坏，其特点是在作用过程中没有电流产生。金属在干燥气体中的腐蚀，金属在非电解质中的腐蚀都属于化学腐蚀。 (2)电化学腐蚀金属表面与周围介质发生电化学作用而引起的破坏。其特点是介质中有能导电的电解质溶液存在，腐蚀过程中有电流产生。这类腐蚀最普遍，包括：大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、电解质溶液腐蚀和熔融盐腐蚀。 1.2按腐蚀破坏的形式分类 (1)均匀腐蚀在全部或大部分暴露的表面上发生的相对均匀的腐蚀，例如铝合金在碱性溶液里发生的腐蚀。这类腐蚀容易分析和进行寿命预测，容易防护。 (2)局部腐蚀腐蚀主要局限于微小区域中。局部腐蚀的腐蚀速度通常比均匀腐蚀大几个数量级，而且难以发现，可能导致灾难性失效，因此它的危害要比均匀腐蚀大得多。局部腐蚀又可分为以下几类：点蚀、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、晶间腐蚀、选择性腐蚀、磨损腐蚀、应力腐蚀、氢损伤和腐蚀疲劳。 还可以按腐蚀环境分类，如前所述的海水腐蚀、土壤腐蚀、大气腐蚀、电解质溶液腐蚀、熔融盐腐蚀，以及生物腐蚀、非电解质溶液的腐蚀、杂散电流腐蚀和高温腐蚀(氧化、硫化)等等。 2 金属腐蚀的形貌和分析方法 2.1 均匀腐蚀 前面已介绍了均匀腐蚀的特点，它是从腐蚀的外观来定义的，因此仅凭外观观察就可以做出判断。均匀腐蚀(UniformCorrosion)中“均匀”一词并不很恰当，有人称为全面腐蚀(GeneralCorrosion)，当然“全面”应该指被暴露的面。均匀腐蚀是最常见的、也是最简单的一种腐蚀形态。耐候钢、镁合金、锌合金和铜合金常发生均匀腐蚀，而钝化金属如不锈钢、铝合金或镍2铬合金则通常发生局部腐蚀，铝合金在碱溶液中会发生均匀腐蚀。发生均匀腐蚀的金属在化学成分、显微组织和受力状况方面在宏观尺度上是均匀的。腐蚀介质通常也是均匀的，而且可以无障碍地接触金属表面。 取决于腐蚀产物是附着在金属表面还是脱离开金属表面，发生腐蚀后的材料厚度在外观上可以增厚，也可以减薄，但剩余的金属厚度总是减薄的，有时候需要通过截面金相来测定。因此金属材料的厚度损失经常用来表征均匀腐蚀的程度。 2.2 点蚀 点蚀也是一种很常见的腐蚀形态，图1是某型航空发动机不锈钢叶片上的点蚀坑的剖面金相。 图1 航空发动机不锈钢叶片上的点蚀，表面有镍镀层 这种形态的腐蚀通常发生在具有钝性的或有保护膜的金属上，而且环境的均匀腐蚀性相对较弱。点蚀难以发现，用常规的无损检测手段也难以检测，有时蚀孔的孔口被腐蚀产物覆盖，仅表现为一点微小的锈红色，很显然，这种情况下彩色照片比黑白照片更能显示蚀点。确认点蚀的方法是沿蚀孔深度方向制备金相磨片。沿纵深发展的蚀孔可能在材料绝大部分尚完整的情况下造成穿孔，引起泄漏，而危险物品的泄漏可能引发灾难性事故。蚀孔处的应力集中也可能导致断裂，图2所示是航空发动机的不锈钢叶片在蚀孔处萌生的疲劳裂纹。由于许多蚀孔弥散分布，可采用ASTMG46《点蚀的检查和评价》对腐蚀损伤进行定量评估。点蚀的生长具有自催化能力，一旦开始生长，会加速生长。蚀孔内介质与外界的介质相比，氯化物浓缩，对蚀孔内进行成分分析，通常会发现明显的氯存在。发生点蚀时，环境介质通常是静止的。 图2 航空发动机的不锈钢叶片在蚀孔处萌生疲劳裂纹 钢铁、铜、镁、不锈钢、耐热合金、铝合金和钛合金等在大多数含有氯离子的介质中都有可能发生点蚀。含有氧化性金属阳离子的氯化物如三氯化铁、氯化铜和氯化汞等属于强烈的点蚀促进剂。 2.3 晶间腐蚀 晶间腐蚀是指晶界相或与之紧邻的区域作为阳极优先溶解，而晶内很少或没有腐蚀。发生晶界腐蚀后从材料的外观上有可能看不出任何变化。确认晶间腐蚀的方法是金相检验，抛光后无需侵蚀即可看到因腐蚀变粗变黑的晶界(图3)。 图3 航空发动机排气管1Cr18Ni9Ti不锈钢的晶间腐蚀 发生晶间腐蚀的原因常