腐蝕環(huán)境金屬失效分析
1 腐蝕失效的分類
金屬是最重要的工業(yè)材料。但是,金屬在外界環(huán)境影響下常遭受化學(xué)和電化學(xué)的作用而引起腐蝕失效。從熱力學(xué)的觀點(diǎn)來看,除少數(shù)的貴金屬(如金、鉑)外,各種金屬都有與周圍介質(zhì)發(fā)生作用而轉(zhuǎn)變成離子的傾向。也就是說,金屬受腐蝕是自然趨勢(shì)。因此,腐蝕失效現(xiàn)象是普遍存在的,鋼鐵結(jié)構(gòu)在大氣中生銹,海船外殼在海水中腐蝕,地下金屬管道穿孔,熱電廠鍋爐損壞,化工廠金屬容器損壞等等,都是金屬腐蝕失效的例子。據(jù)統(tǒng)計(jì),1998年美國因腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2760億美元,占美國gdp的3%以上。世界航空業(yè)因腐蝕原因造成的飛機(jī)的破壞占總破壞量的40%～60%,其中不乏因腐蝕失效造成的航空事故。
由于材料表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的材料的破壞或變質(zhì)稱為材料的腐蝕。腐蝕的分類方法很多,以下是兩種常見的分類方法。
1.1 按腐蝕機(jī)理分類
(1)化學(xué)腐蝕 金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用而引起的破壞,其特點(diǎn)是在作用過程中沒有電流產(chǎn)生。金屬在干燥氣體中的腐蝕,金屬在非電解質(zhì)中的腐蝕都屬于化學(xué)腐蝕。
(2)電化學(xué)腐蝕 金屬表面與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)作用而引起的破壞。其特點(diǎn)是介質(zhì)中有能導(dǎo)電的電解質(zhì)溶液存在,腐蝕過程中有電流產(chǎn)生。這類腐蝕,包括:大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、電解質(zhì)溶液腐蝕和熔融鹽腐蝕。
1.2 按腐蝕破壞的形式分類
(1)均勻腐蝕 在全部或大部分暴露的表面上發(fā)生的相對(duì)均勻的腐蝕,例如鋁合金在堿性溶液里發(fā)生的腐蝕。這類腐蝕容易分析和進(jìn)行壽命預(yù)測(cè),容易防護(hù)。
(2)局部腐蝕 腐蝕主要局限于微小區(qū)域中。局部腐蝕的腐蝕速度通常比均勻腐蝕大幾個(gè)數(shù)量級(jí),而且難以發(fā)現(xiàn),可能導(dǎo)致災(zāi)難性失效,因此它的危害要比均勻腐蝕大得多。局部腐蝕又可分為以下幾類:點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、應(yīng)力腐蝕、氫損傷和腐蝕疲勞。
還可以按腐蝕環(huán)境分類,如前所述的海水腐蝕、土壤腐蝕、大氣腐蝕、電解質(zhì)溶液腐蝕、熔融鹽腐蝕,以及生物腐蝕、非電解質(zhì)溶液的腐蝕、雜散電流腐蝕和高溫腐蝕(氧化、硫化)等等。
2 金屬腐蝕的形貌和分析方法
2.1 均勻腐蝕
前面已介紹了均勻腐蝕的特點(diǎn),它是從腐蝕的外觀來定義的,因此僅憑外觀觀察就可以做出判斷。均勻腐蝕(uniformcorrosion)中“均勻”一詞并不很恰當(dāng),有人稱為全面腐蝕(generalcorrosion),當(dāng)然“全面”應(yīng)該指被暴露的面。均勻腐蝕是見的、也是的一種腐蝕形態(tài)。耐候鋼、鎂合金、鋅合金和銅合金常發(fā)生均勻腐蝕,而鈍化金屬如不銹鋼、鋁合金或鎳2鉻合金則通常發(fā)生局部腐蝕,鋁合金在堿溶液中會(huì)發(fā)生均勻腐蝕。發(fā)生均勻腐蝕的金屬在化學(xué)成分、顯微組織和受力狀況方面在宏觀尺度上是均勻的。腐蝕介質(zhì)通常也是均勻的,而且可以無障礙地接觸金屬表面。
取決于腐蝕產(chǎn)物是附著在金屬表面還是脫離開金屬表面,發(fā)生腐蝕后的材料厚度在外觀上可以增厚,也可以減薄,但剩余的金屬厚度總是減薄的,有時(shí)候需要通過截面金相來測(cè)定。因此金屬材料的厚度損失經(jīng)常用來表征均勻腐蝕的程度。
2.2 點(diǎn)蝕
點(diǎn)蝕也是一種很常見的腐蝕形態(tài),圖1是某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)不銹鋼葉片上的點(diǎn)蝕坑的剖面金相。這種形態(tài)的腐蝕通常發(fā)生在具有鈍性的或有保護(hù)膜的金屬上,而且環(huán)境的均勻腐蝕性相對(duì)較弱。點(diǎn)蝕難以發(fā)現(xiàn),用常規(guī)的無損檢測(cè)手段也難以檢測(cè),有時(shí)蝕孔的孔口被腐蝕產(chǎn)物覆蓋,僅表現(xiàn)為一點(diǎn)微小的銹紅色,很顯然,這種情況下彩色照片比黑白照片更能顯示蝕點(diǎn)。確認(rèn)點(diǎn)蝕的方法是沿蝕孔深度方向制備金相磨片。沿縱深發(fā)展的蝕孔可能在材料絕大部分尚完整的情況下造成穿孔,引起泄漏,而危險(xiǎn)物品的泄漏可能引發(fā)災(zāi)難性事故。蝕孔處的應(yīng)力集中也可能導(dǎo)致斷裂,圖2所示是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不銹鋼葉片在蝕孔處萌生的疲勞裂紋。由于許多蝕孔彌散分布,可采用astmg46《點(diǎn)蝕的檢查和評(píng)價(jià)》對(duì)腐蝕損傷進(jìn)行定量評(píng)估。點(diǎn)蝕的生長具有自催化能力,一旦開始生長,會(huì)加速生長。蝕孔內(nèi)介質(zhì)與外界的介質(zhì)相比,氯化物濃縮,對(duì)蝕孔內(nèi)進(jìn)行成分分析,通常會(huì)發(fā)現(xiàn)明顯的氯存在。發(fā)生點(diǎn)蝕時(shí),環(huán)境介質(zhì)通常是靜止的。
鋼鐵、銅、鎂、不銹鋼、耐熱合金、鋁合金和鈦合金等在大多數(shù)含有氯離子的介質(zhì)中都有可能發(fā)生點(diǎn)蝕。含有氧化性金屬陽離子的氯化物如三氯化鐵、氯化銅和等屬于強(qiáng)烈的點(diǎn)蝕促進(jìn)劑。
2.3 晶間腐蝕
晶間腐蝕是指晶界相或與之緊鄰的區(qū)域作為陽極優(yōu)先溶解,而晶內(nèi)很少或沒有腐蝕。發(fā)生晶界腐蝕后從材料的外觀上有可能看不出任何變化。確認(rèn)晶間腐蝕的方法是金相檢驗(yàn),拋光后無需侵蝕即可看到因腐蝕變粗變黑的晶界(圖3)。發(fā)生晶間腐蝕的原因常常是在金屬的熱經(jīng)歷中曾經(jīng)在某一溫度段停留過一定時(shí)間,在此期間合金成分或雜質(zhì)元素在晶界上富化或貧化,或者出現(xiàn)晶界析出物,使得晶界或晶界附近相對(duì)于晶內(nèi)為陽極優(yōu)先腐蝕,晶內(nèi)為陰極。這種熱經(jīng)歷稱為敏化。消除敏化的措施是進(jìn)行所謂穩(wěn)定化處理,讓晶界析出物重新溶解。焊接中焊縫兩側(cè)一定距離處的材料會(huì)正好處于敏化溫度范圍,接觸腐蝕介質(zhì)后,會(huì)在這個(gè)平行于焊縫的狹長區(qū)域中發(fā)生晶間腐蝕,稱為焊縫腐蝕。構(gòu)件發(fā)生晶界腐蝕后,很難用肉眼發(fā)現(xiàn),但構(gòu)件的強(qiáng)度已大大降低,在一個(gè)小載荷下就可能發(fā)生沿晶分離。
可能發(fā)生晶間腐蝕的金屬有不銹鋼、鎳合金、鋁合金和銅合金。一般地講,含有常規(guī)碳含量(>0.04%)、且不含碳化物穩(wěn)定元素鈦、鈮的不銹鋼對(duì)晶間腐蝕敏感,把碳含量降低至0.03%以下,或添加一定量的鈦、鈮,則可降低敏感性。
變形鋁合金有一種特殊形式的晶間腐蝕———?jiǎng)儗痈g或簡稱剝蝕。當(dāng)鋁合金被軋制、鍛壓或擠壓成型材時(shí),晶粒變形成為長條狀,大量的晶界相互平行,并平行于材料的長度方向。當(dāng)晶間腐蝕沿著長度方向進(jìn)行時(shí),材料被一層一層地分離。腐蝕產(chǎn)物堆積在晶界上,如同在晶界上打入了無數(shù)的小楔子,使構(gòu)件在厚度方向發(fā)生膨脹,因此,構(gòu)件表面鼓包和鉚釘頭斷掉都是剝層腐蝕的癥狀。對(duì)剝蝕的確認(rèn)方法仍然是金相檢驗(yàn)。
3 應(yīng)力腐蝕斷裂的失效分析
3.1 應(yīng)力腐蝕的條件
應(yīng)力腐蝕斷裂(簡稱scc或應(yīng)力腐蝕)是對(duì)scc敏感的材料在環(huán)境和拉應(yīng)力的同時(shí)作用下發(fā)生的脆性斷裂。這里特別強(qiáng)調(diào)共同作用,先受拉應(yīng)力再去掉應(yīng)力單純受腐蝕或先腐蝕后再去除腐蝕環(huán)境單純受拉應(yīng)力所引起的破壞都不是應(yīng)力腐蝕斷裂。應(yīng)力腐蝕斷裂是一種亞臨界裂紋生長現(xiàn)象,分為裂紋萌生、裂紋亞臨界擴(kuò)展和剩余截面最終過載斷裂三個(gè)階段。發(fā)生scc時(shí),環(huán)境的腐蝕性較弱,應(yīng)力水平也低于材料的屈服強(qiáng)度,因此材料表面一般沒有明顯的腐蝕現(xiàn)象,材料也沒有塑性變形,加之scc裂紋很纖細(xì),很難被發(fā)現(xiàn),從而易發(fā)生突發(fā)性的斷裂,造成災(zāi)難性后果。工程實(shí)踐表明,scc是很常見的同時(shí)也是很危險(xiǎn)的一種斷裂失效模式。
發(fā)生scc需要同時(shí)滿足兩個(gè)條件:
(1)拉伸應(yīng)力 雖然有學(xué)者認(rèn)為在壓應(yīng)力作用下也能發(fā)生scc,但是絕大多數(shù)scc發(fā)生在拉應(yīng)力作用下。應(yīng)力可以來自工作載荷、冷加工或熱加工的殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力及腐蝕產(chǎn)物的楔力等。對(duì)于光滑試樣或工件存在一個(gè)scc門限應(yīng)力,對(duì)于預(yù)裂試樣或工件,存在一個(gè)scc門限應(yīng)力強(qiáng)度因子kⅰscc,低于它們則不發(fā)生scc。
(2)特定的材料/環(huán)境組合 scc的一大特點(diǎn)是需要材料和環(huán)境的特定組合。表1列出了常見的能發(fā)生scc的材料/環(huán)境組合。scc通常只發(fā)生在合金上,純金屬很少發(fā)生。
航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪段的材料主要是鎳基或鈷基高溫合金,材料承受著高溫、熔融態(tài)的氯化物或硫化物的腐蝕以及工作應(yīng)力。在高溫、腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力三者的共同作用下,可能發(fā)生熔融鹽的scc。這一失效機(jī)理曾造成近年來某型發(fā)動(dòng)機(jī)多次發(fā)生渦輪葉片斷裂。
3.2 應(yīng)力腐蝕斷口的特征
scc裂紋和斷口有一些的特征,按宏觀和微觀分別歸納如下,所謂宏觀是指靠肉眼或光學(xué)放大的尺寸范圍內(nèi),微觀是指應(yīng)用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察的尺寸范圍內(nèi)。需要注意的是,這些特征只是多數(shù)scc裂紋和斷口的一般規(guī)律,某些材料/環(huán)境組合發(fā)生scc時(shí),會(huì)有一些例外。
3.2.1 scc的宏觀特征
由于scc的發(fā)生需要腐蝕介質(zhì)的參與,因此scc裂紋多萌生于材料表面,裂紋源一般為局部腐蝕(比如點(diǎn)蝕或縫隙腐蝕)的蝕坑或其它類型的裂紋(如焊接和熱處理裂紋)。scc裂紋在宏觀上是脆性的,即使原本韌性很好的材料發(fā)生scc時(shí)也是脆性的,宏觀上很少有塑性變形。微觀上裂尖塑性變形很小,裂尖尖銳,導(dǎo)致很大的應(yīng)力集中。許多scc裂紋在宏觀上分叉,裂紋平面與主應(yīng)力基本垂直。與疲勞斷裂相似,從裂紋亞臨界擴(kuò)展區(qū)尺寸與過載瞬斷區(qū)尺寸的比例關(guān)系可以推測(cè)應(yīng)力水平的高低。由于環(huán)境條件的變化或scc/過載的交替進(jìn)行,scc斷口上會(huì)出現(xiàn)海灘花樣,應(yīng)與疲勞區(qū)分開來。由于scc斷口常常由于腐蝕或介質(zhì)污染而變色,這為區(qū)分scc與疲勞提供了一條途徑。
scc主裂紋或主斷口附近常出現(xiàn)表面裂紋,這些表面裂紋基本平行于主斷口,其機(jī)理也是scc。在主斷口上還會(huì)出現(xiàn)二次裂紋,圖6就是垂直于主斷口的剖面所看到的二次裂紋,仍然呈現(xiàn)分叉、沿晶的特點(diǎn)。因此,當(dāng)主斷口因腐蝕無法觀察的情況下,打開表面裂紋或垂直于斷口作剖面也許可以發(fā)現(xiàn)scc的特點(diǎn)。由于表面裂紋和二次裂紋沒有打開,不受試樣清洗的影響,裂縫里保存了在發(fā)生scc時(shí)的介質(zhì)成分,某些組分還可能被濃縮,因此,對(duì)裂縫里進(jìn)行微區(qū)成分分析可以較好地了解當(dāng)時(shí)介質(zhì)的真實(shí)成分。
3.2.2 scc的微觀特征
scc裂紋在材料中的路徑有沿晶,也有穿晶,還有混合的,取決于材料、熱處理和環(huán)境。鋁合金、低碳鋼、高強(qiáng)鋼和α黃銅等材料的scc斷口為沿晶的,而鎂合金和γ不銹鋼出現(xiàn)穿晶分叉的scc裂紋。沿晶斷口常被輕微腐蝕或被少量腐蝕產(chǎn)物覆蓋,以致電鏡下沿晶小刻面的平面不光滑、棱角不銳利(圖7),或者小刻面上有腐蝕坑,嚴(yán)重時(shí)小刻面上有腐蝕溝槽,即所謂“核桃紋”。用ac紙粘取斷口表面的附著物后,可用電子探針、能譜或x射線熒光分析等進(jìn)行成分分析,從中獲取環(huán)境成分信息。穿晶scc的斷口呈現(xiàn)解理花樣。由于腐蝕,scc斷口上有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“泥紋花樣”,這實(shí)際是腐蝕產(chǎn)物干燥后的龜裂,應(yīng)注意區(qū)分是斷裂后斷口的腐蝕還是在腐蝕和應(yīng)力共同作用下的斷裂,后者才是scc。
4 氫脆斷裂的失效分析
4.1 氫損傷的特點(diǎn)和分類
氫損傷指在金屬中發(fā)生的一些過程,這些過程導(dǎo)致金屬的承載能力因氫的出現(xiàn)而下降。氫損傷可以按照不同方式分類。按照氫損傷敏感性與應(yīng)變速度的關(guān)系可分為兩大類。類氫損傷的敏感性隨應(yīng)變速度的增加而增加,其本質(zhì)是在加載前材料內(nèi)部已存在某種裂紋源,故加載后在應(yīng)力作用下加快了裂紋的形成和擴(kuò)展。第二類氫損傷的敏感性隨應(yīng)變速度的增加而降低,其本質(zhì)是加載前材料內(nèi)部并不存在裂紋源,加載后由于應(yīng)力與氫的交互作用逐漸形成裂紋源,最終導(dǎo)致材料的脆性斷裂。
4.1.1 類氫損傷
類氫損傷包括以下幾種形式:
(1)
氫腐蝕 由于氫在高溫高壓下與金屬中第二相夾雜物或合金添加物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成的高壓氣體,這些高壓氣體造成材料的內(nèi)裂紋和鼓泡,使晶界結(jié)合力減弱,最終使金屬失去強(qiáng)度和韌性。
(2) 氫鼓泡 過飽和的氫原子在缺陷位置(如夾雜)析出后,形成氫分子,在局部造成很高氫氣壓,引起表面鼓泡或內(nèi)部裂紋。
(3) 氫化物型氫脆 氫與周期表中ⅳb或ⅴb族金屬親和力較大,容易生成脆性的氫化物相,這些氫化物在隨后受力時(shí)成為裂紋源和擴(kuò)展途徑。
氫在上述三種情況下造成了金屬的性損傷,使材料的塑性或強(qiáng)度降低,即使從金屬中除氫,這些損傷也不能消除,塑性或強(qiáng)度也不能恢復(fù),故稱為不可逆氫損傷。
4.1.2 第二類氫損傷
第二類氫損傷包括以下幾種形式:
(1)
應(yīng)力誘發(fā)氫化物型氫脆 在稀土、堿土及某些過渡族金屬中,當(dāng)氫含量不高時(shí),氫在固溶體中的過飽和度較低,尚不能自發(fā)形成氫化物。在加載后,由于應(yīng)力作用,使氫在應(yīng)力集中處富集,最終形成氫化物。這種應(yīng)力應(yīng)變作用誘發(fā)的氫化物相變,只是在較低的應(yīng)變速度下出現(xiàn)的。然而,一旦出現(xiàn)氫化物,即使去載荷除氫,靜止一段時(shí)間后,再高速變形,塑性也不能恢復(fù),故也屬于不可逆氫脆。
(2)
可逆氫脆 含氫金屬在緩慢的變形中逐漸形成裂紋源,裂紋擴(kuò)展后最終發(fā)生脆斷。但在未形成裂紋前,去載荷除氫,靜止一段時(shí)間后再高速變形,材料的塑性可以得到恢復(fù),為可逆氫脆。加載之前材料若已含有氫則稱為內(nèi)部氫脆,而在致氫環(huán)境中加載則稱為外氫脆。人們通常所說的氫脆主要是指可逆氫脆,這是氫損傷中最主要的一種破壞形式,因此有時(shí)把氫損傷簡單地稱為氫脆。本文主要針對(duì)這種形式的氫損傷。
4.2 氫脆斷口的特征
4.2.1 裂紋起源
工件如果不承受高水平的外加拉伸應(yīng)力或殘余拉伸應(yīng)力,則氫脆裂紋通常起源于工件內(nèi)部或近表面處。工件如果存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中,比如表面有尖銳的缺口,開裂可能起源于近表面處。
4.2.2 裂紋形貌
氫脆斷口與其它脆性斷口很相似,容易混淆,因此在進(jìn)行失效分析時(shí)應(yīng)慎重對(duì)待斷口花樣。氫脆裂紋通常是單一裂紋,沒有明顯的分叉。裂紋可以是穿晶的,也可以是沿晶的,還可以是混合的,有時(shí)隨擴(kuò)展的進(jìn)行從一種花樣轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N花樣。高強(qiáng)材料和有雜質(zhì)的材料出現(xiàn)沿晶斷口的可能性大,這時(shí)的晶界面相對(duì)于scc的晶界面來講,非常干凈光潔。在延性不太好的合金中(體心立方),穿晶裂紋的花樣可能是解理或準(zhǔn)解理。在延性好的低強(qiáng)度鋼或面心立方金屬中,斷口花樣可能是韌窩,隨著延性下降,韌窩尺寸變小。
對(duì)于有預(yù)裂紋的高強(qiáng)度鋼的氫致延遲斷裂,斷口花樣與kⅰ/kⅰc的比值有關(guān)。比值大,機(jī)械斷裂的比重大,斷口呈現(xiàn)韌性花樣(韌窩、準(zhǔn)解理)的可能性大;比值小,則氫有充分的機(jī)會(huì)起作用,斷口上出現(xiàn)脆性花樣(沿晶、解理)的可能性增加。
低碳鋼的氫致沿晶斷口很。材料變形時(shí)空洞首先在fec3上形核,但優(yōu)先沿晶界擴(kuò)展,這樣就獲得了所謂的“韌性沿晶斷口”,即斷口是沿晶的,但晶界面是由韌窩構(gòu)成;或在沿晶小刻面上出現(xiàn)細(xì)小的、發(fā)育不完整的韌窩(圖9),即所謂“雞爪痕”。有人認(rèn)為這可能是氫氣或甲烷氣在晶界處形核的結(jié)果,也可能是氫增強(qiáng)局部塑性流變的結(jié)果。還有一種情況就是沿晶(或解理)與撕裂棱上的韌窩共存,這也是氫脆斷口的特征之一。
4.2.3 斷口上的沉積
對(duì)于內(nèi)部氫脆,斷口上沒有腐蝕產(chǎn)物,除非斷開后斷口接觸過腐蝕介質(zhì)。斷口上的外來物質(zhì)即使有也是痕量的,除非斷口被污染過。對(duì)于痕量的斷口表面物質(zhì),需要應(yīng)用俄歇譜儀進(jìn)行分析。
對(duì)于在水介質(zhì)中發(fā)生的外氫脆,斷口和整個(gè)暴露表面通常發(fā)生程度不一的腐蝕,腐蝕的陰極過程為氫脆的發(fā)生提供了氫。
5 腐蝕疲勞的失效分析
5.1 腐蝕疲勞的特點(diǎn)
材料在交變應(yīng)力和腐蝕環(huán)境共同作用下發(fā)生的脆性斷裂稱為腐蝕疲勞。交變應(yīng)力與腐蝕環(huán)境共同作用所造成的破壞要比單純的交變應(yīng)力造成的破壞(即疲勞)或單純腐蝕作用造成的破壞要嚴(yán)重得多。嚴(yán)格地講,除真空中的疲勞是真正的機(jī)械疲勞外,其它任何環(huán)境(包括大氣)中的疲勞都是腐蝕疲勞,但人們常把大氣中的疲勞排除在腐蝕疲勞之外。腐蝕疲勞具有以下特點(diǎn):
(1)任何金屬在交變應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下都會(huì)發(fā)生腐蝕疲勞。換句話說,腐蝕疲勞不像scc那樣需要材料與環(huán)境的特定組合。
(2)腐蝕疲勞裂紋很容易在材料表面形成,所以腐蝕疲勞的裂紋擴(kuò)展壽命占總壽命的絕大部分,這一特點(diǎn)與scc以及大氣中的光滑疲勞試驗(yàn)正好相反。
(3)腐蝕疲勞的s2n曲線無水平段,即沒有疲勞極限,只得把人為規(guī)定的循環(huán)次數(shù)(107)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力稱為條件疲勞極限。在相同條件下腐蝕疲勞s2n曲線總是位于機(jī)械疲勞s2n曲線的下方。
(4)交變應(yīng)力變化頻率對(duì)機(jī)械疲勞影響不大,但對(duì)腐蝕疲勞影響極大。如果循環(huán)次數(shù)一定,頻率越低,腐蝕介質(zhì)與金屬作用的時(shí)間就越長,腐蝕疲勞就越嚴(yán)重。
(5)在海水中金屬的腐蝕疲勞強(qiáng)度與其抗拉強(qiáng)度之間沒有明顯的關(guān)系,或者說提高材料的強(qiáng)度水平并不能提高它的腐蝕疲勞強(qiáng)度,但在空氣中卻有明顯的關(guān)系。
(6)腐蝕疲勞對(duì)應(yīng)力集中不及大氣中的疲勞敏感,尺寸因素對(duì)腐蝕疲勞的影響則與大氣中的疲勞相反。
5.2 腐蝕疲勞斷口的特征
由于機(jī)理上的關(guān)聯(lián)性,腐蝕疲勞斷口與機(jī)械疲勞、scc和氫脆斷口有相似之處,應(yīng)注意區(qū)分。在起源和擴(kuò)展的不同階段,可能發(fā)生腐蝕疲勞與其它斷裂機(jī)理之間的轉(zhuǎn)變,或者多種機(jī)理同時(shí)起作用。腐蝕疲勞裂紋起始于表面腐蝕坑或表面缺陷處,往往成群出現(xiàn)。腐蝕疲勞和機(jī)械疲勞都可能有多個(gè)起始點(diǎn)并擴(kuò)展匯合成一條單一裂紋,但有時(shí)可區(qū)分兩者:腐蝕疲勞經(jīng)常有多條裂紋形成并同時(shí)平行擴(kuò)展(圖11);機(jī)械疲勞可能在工件的一個(gè)區(qū)域中的幾個(gè)點(diǎn)上萌生出多條裂紋,但常是一條裂紋成為主裂紋,其它裂紋沒擴(kuò)展多遠(yuǎn)就匯入這條裂紋中。
與機(jī)械疲勞相似,腐蝕疲勞斷口呈貝殼狀,裂紋通常只有主干,很少分叉。裂紋平面垂直于主應(yīng)力,多是穿晶擴(kuò)展,但也有可能出現(xiàn)沿晶的或混合的。斷口上既有腐蝕的特點(diǎn),如腐蝕坑、腐蝕產(chǎn)物和二次裂紋等,又有疲勞的特點(diǎn),如疲勞條帶,但由于腐蝕的作用而比較模糊,有時(shí)由于腐蝕太嚴(yán)重以致斷口上沒有細(xì)節(jié)。要注意區(qū)分腐蝕是在開裂之后發(fā)生的還是與開裂同時(shí)發(fā)生的。如果斷口局部區(qū)域有腐蝕,而四周無腐蝕,并且存在截然分明的邊界,則應(yīng)是開裂之后發(fā)生的腐蝕。
6 綜合分析實(shí)例
飛機(jī)主起落架輪軸(材料:4340m鋼)從中部斷裂,斷口圓周3點(diǎn)鐘位至10點(diǎn)鐘位區(qū)間腐蝕嚴(yán)重,已無法進(jìn)行斷口分析。對(duì)無腐蝕的10點(diǎn)鐘位至3點(diǎn)鐘位區(qū)間進(jìn)行的斷口分析結(jié)論為快速撕裂,人字紋的方向表明撕裂從10點(diǎn)鐘位以下順時(shí)針發(fā)展而來。根據(jù)輪軸承受三點(diǎn)彎曲載荷的特點(diǎn),可以斷定斷裂起源于6點(diǎn)鐘位附近。為弄清起源處的斷裂機(jī)理,在6點(diǎn)鐘位垂直于斷口做剖面磨制金相試樣,可見尖銳、沿晶、分叉的二次裂紋,是典型的scc特點(diǎn),由此可以確定斷裂的起源為scc。飛機(jī)滑跑時(shí)輪軸承受動(dòng)態(tài)三點(diǎn)彎曲載荷,但這個(gè)時(shí)間很短。飛機(jī)升空后輪軸即卸載。每天飛機(jī)地面停放的時(shí)間相當(dāng)長,輪軸承受長時(shí)間的靜態(tài)三點(diǎn)彎曲載荷,輪軸長度方向中部的6點(diǎn)鐘位承受的拉伸應(yīng)力,該應(yīng)力與積存于此處的腐蝕介質(zhì)的共同作用,造成scc。scc裂紋從輪軸底部沿兩側(cè)圓周向上擴(kuò)展,達(dá)到臨界尺寸后發(fā)生輪軸的快速過載斷裂。輪軸開裂后繼續(xù)接觸腐蝕介質(zhì),造成斷口嚴(yán)重腐蝕。對(duì)斷口上的鐵銹和二次裂紋縫內(nèi)進(jìn)行edax分析,發(fā)現(xiàn)除輪軸材料成分和氧外還有鈉、鉀、鈣、鋁、銅和磷,這些成分與飛機(jī)清洗水的成分相符。
輪軸的內(nèi)、外表面有腐蝕,集中在輪軸長度方向的中部并圓周方向的正下方(6點(diǎn)鐘位)。這正是輪軸受載后的點(diǎn),可以斷定腐蝕介質(zhì)確實(shí)進(jìn)入了輪軸內(nèi)部和輪軸外表面與軸套之間的間隙處,積存于這些部位,導(dǎo)致了這些部位的腐蝕。為弄清腐蝕介質(zhì)的進(jìn)入途徑,查圖紙知,在斷口附近有一個(gè)供電纜穿出的孔,位于輪軸圓周方向的2點(diǎn)鐘位,孔斜向上通往外部大氣,靠橡膠密封。從圖13可見,孔壁的下表面和孔口下方有腐蝕,表明腐蝕介質(zhì)由該孔流入?？梢詳喽芊庀鹉z失效導(dǎo)致飛機(jī)清洗水或雨水從此孔流入。
輪軸外表面有硬鉻鍍層,應(yīng)該為輪軸基體提供良好的保護(hù)。但是,由于硬鉻鍍層在拉應(yīng)力作用下開裂,腐蝕介質(zhì)沿裂縫到達(dá)基體材料,由于鉻相對(duì)于鋼為陰極性鍍層,從而導(dǎo)致基體材料的腐蝕。鉻不腐蝕,但基體的腐蝕導(dǎo)致鍍層的剝落。這一現(xiàn)象表明輪軸的防腐體系存在不足。