表面工程-第2章-表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ)

1、第2章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),1,2,2.1 固體的表面與界面,2.2 材料磨損原理及耐磨性,第2章 表面工程技術(shù)的物理、化學(xué)基礎(chǔ),2.3 金屬腐蝕原理與防護(hù)技術(shù),3,2.1 固體的表面與界面,固體表面－固氣界面或固液界面。表面實(shí)際上由凝聚態(tài)物質(zhì)靠近氣體或真空的一個(gè)或幾個(gè)原子層(0.5～10nm)組成，是凝聚態(tài)對氣體或真空的一種過渡。,固體材料的界面有三種：,表面－固相與氣相的分界面。 相界－不同凝聚相之間的分界面

2、，即固體材料中成分、 結(jié)構(gòu)不同的兩相之間的界面。 晶界(亞晶界)－同一相中晶粒之間的分界面，即成分、 結(jié)構(gòu)相同而取向不同的晶粒(或亞晶)之間的界面。,上一頁,下一頁,4,上一頁,下一頁,晶體表面是原子排列面，有一側(cè)無固體原子的鍵合，形成了附加的表面能。從熱力學(xué)來看，表面附近的原子排列總是趨于能量最低的穩(wěn)定態(tài)。達(dá)到這個(gè)穩(wěn)定態(tài)的方式有兩種：一是自行調(diào)整，使表面原子排列情況與材料內(nèi)部明顯不同；

3、二是依靠表面的成分偏析、表面對外來原子（或分子）的吸附以及這兩者的相互作用而趨于穩(wěn)定態(tài)，因而使表面組分與材料內(nèi)部不同。,5,2.1.1 典型固體表面,上一頁,下一頁,6,（1）理想表面,指晶體的三維周期結(jié)構(gòu)和真空之間的過渡區(qū)域。盡管它所包括的所有原子層不具備體相的三維周期性，但理論上可以認(rèn)為它是結(jié)構(gòu)完整的二維點(diǎn)陣平面，其表面的原子分布位置和電子密度與體內(nèi)一樣的表面叫做理想表面。,潔凈表面—是指化學(xué)成分與體內(nèi)相同的表面。這種表面沒有催化反

4、應(yīng)或雜質(zhì)擴(kuò)散、不存在吸附(或吸附率極低)等物理和化學(xué)效應(yīng)，只有在特殊環(huán)境中經(jīng)特殊處理后才能獲得。,上一頁,下一頁,（2）潔凈表面與清潔表面,7,弛豫—表面最外層原子與第二層原子之間的距離不同于體內(nèi)間距(縮小或增大)的現(xiàn)象。,潔凈表面存在：,上一頁,跳 轉(zhuǎn),原因：晶體的三維周期性在表面處突然中斷，引起表面原子的配位情況、附近的電荷分布、所處的力場等均與體內(nèi)原子有所不同，因此使表面上的原子會發(fā)生相對于正常位置的上、下位移，以降低表面能量

5、。,圖2.1 固體表面結(jié)構(gòu)弛豫示意圖（a）,8,重構(gòu)—表面原子在水平方向的周期性不同于體內(nèi)的晶面，表面重構(gòu)能使表面結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化。臺階化—指實(shí)際晶體的外表面由許多密排面的臺階構(gòu)成。偏析—指化學(xué)組分在表面區(qū)的變化。,跳 轉(zhuǎn),下一頁,2.1 固體表面外層四個(gè)原子層的重構(gòu)示意圖（b）,2.1 固體表面臺階示意圖（c）,清潔表面—零件經(jīng)過清洗(脫脂、浸蝕等)以后的表面。 潔凈表面的“清潔程度”比清潔表面高。,9,（3）機(jī)械加

6、工表面,實(shí)際零件的加工表面是由許多微觀不規(guī)則的峰谷組成。評價(jià)其表面的微觀狀態(tài)，用粗糙度表示。,10,（4）一般表面,圖2.2 實(shí)際表面示意圖,上一頁,下一頁,固體的一般表面亦即與環(huán)境接觸的實(shí)際表面，是由“內(nèi)表面層”和“外表面層”構(gòu)成。,11,(2)晶體結(jié)構(gòu)差異形成的界面,(1)固相晶粒尺寸和微觀結(jié)構(gòu)差異形成的界面,2.1.2 典型固體界面,上一頁,下一頁,這種界面是固體材料經(jīng)切削加工后，在幾個(gè)微米或幾十個(gè)微米的表層中發(fā)生組織結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈變

7、化，導(dǎo)致最外層5～10nm范圍形成微晶層，稱為比爾比(Bilby)層(金屬研磨)。,這種界面實(shí)際上就是相界。,12,（3）固相宏觀成分差異形成的界面,上一頁,下一頁,冶金結(jié)合界面－是指熔融狀態(tài)的覆層材料與半熔化狀態(tài)的基材表面凝固結(jié)晶形成的界面。 特點(diǎn)：金屬鍵結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高。 處理方法：激光熔覆、堆焊、熱噴焊等。,擴(kuò)散結(jié)合界面－是指兩種固相直接接觸，通過抽真空、加熱、加壓、界面擴(kuò)散等途徑所形成的界面。 特點(diǎn)：覆層與基材之間

8、的成分呈梯度變化，形成 合金化表面。 處理方法：熱擴(kuò)滲,13,化學(xué)鍵結(jié)合界面－是指覆層材料與基材之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、形成成分固定的化合物時(shí)，兩種材料之間的界面。 特點(diǎn)：結(jié)合強(qiáng)度較高，缺點(diǎn)是界面的韌性較差，在沖擊載荷或熱沖擊下，容易發(fā)生脆斷或剝落。 處理方法：物理和化學(xué)氣相沉積、離子注入、熱擴(kuò)滲、化學(xué)轉(zhuǎn)化膜、陽極氧化和化學(xué)氧化技術(shù)等,上一頁,下一頁,外延生長界面－是指沿單晶的結(jié)晶軸向生成一層完整的新單晶層，

9、它與原單晶襯底表面形成的界面。 特點(diǎn)：外延長生長界面在覆層與基材之間的晶 體取向一致。 處理方法：化學(xué)氣相沉積技術(shù)；電鍍技術(shù)等。,14,分子鍵結(jié)合界面－是指涂(鍍)層與基材表面以范德瓦爾斯力結(jié)合的界面。 特點(diǎn)：覆層與基材之間不發(fā)生擴(kuò)散或化學(xué)作用。 處理方法：涂裝技術(shù)等。,上一頁,下一頁,機(jī)械結(jié)合界面－是指覆層與基材通過兩種材料相互鑲嵌的機(jī)械連接作用形成的界面。 特點(diǎn)：界面結(jié)合強(qiáng)度較低。

10、 處理方法：熱噴涂與包鍍技術(shù)等。,15,2.1.3 表面晶體結(jié)構(gòu),描述表面晶體結(jié)構(gòu)最著名的模型是由考塞爾（Kossel）及斯特朗斯基（Stranski）提出的單晶體表面的平臺（Terrace）－臺階（Ledge）－扭折（Kink）模型，簡稱TLK模型。,圖2.3單晶體表面的TLK模型,在溫度相當(dāng)于0K時(shí)，表面原子結(jié)構(gòu)呈靜態(tài)。可認(rèn)為表面原子層是理想平面，其中的原子作完整二維周期性排列，且不存在缺陷和雜質(zhì)。,16,TLK模型的物理意義：,

11、當(dāng)溫度從0K升到TK時(shí)，由于原子的熱運(yùn)動，在晶體表面將產(chǎn)生低晶面指數(shù)的平臺、一定密度的單分子或原子高度的臺階、單分子或原子尺度的扭折以及表面吸附的單原子和表面空位。,上一頁,下一頁,17,2.1.4 表面擴(kuò)散,平行表面的運(yùn)動—得到均質(zhì)的、理想的表面強(qiáng)化層；垂直表面向內(nèi)部的運(yùn)動—得到一定厚度的合金強(qiáng)化層。,2.1.5 表面能及表面張力,表面能(表面自由能）—其物理意義是指產(chǎn)生1cm2新表面需消耗的等溫可逆功。,表面張力—表面能的一種物理

12、表現(xiàn)，是由于原子間的作用力以及在表面和內(nèi)部的排列狀態(tài)的差別而引起的。,上一頁,下一頁,18,2.1.6 固體表面的物理吸附和化學(xué)吸附,（1）固體對氣體的吸附,物理吸附－被吸附分子靠范德瓦爾斯力吸附在固體表面，兩者之間沒有電子轉(zhuǎn)移。 化學(xué)吸附－氣體和固體之間發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，二者產(chǎn)生化學(xué)鍵力，吸附原子與固體表面之間的這種結(jié)合力比范德瓦爾斯力大的多，與化合物中原子間形成化學(xué)鍵的力相似。,吸附—當(dāng)氣體或液體分子趨近固體表面時(shí)，受到固體表面分子

13、或原子的吸引力被吸附到表面，在固體表面富集，且僅限于固體表面的現(xiàn)象。,上一頁,下一頁,任何氣體在其臨界溫度以下，都會被吸附于固體表面，即發(fā)生物理吸附。但并不是任何氣體在任何表面上都可以發(fā)生化學(xué)吸附。物理吸附和化學(xué)吸附有時(shí)會同時(shí)發(fā)生。對于一個(gè)潔凈的金屬表面，化學(xué)吸附是連續(xù)進(jìn)行直到飽和的過程，由于化學(xué)吸附是單層吸附，也就是說，當(dāng)化學(xué)吸附由局部覆蓋金屬表面直至整個(gè)表面完全被單分子層覆蓋時(shí)，化學(xué)吸附便達(dá)到飽和，化學(xué)吸附終止，進(jìn)一步輸入氣體分子

14、時(shí)，則可能發(fā)生物理吸附或者發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成某種化合物。,19,上一頁,下一頁,20,（2）固體對液體的吸附,物理吸附－液體與金屬表面發(fā)生比較弱的分子引力結(jié)合，形成了物理吸附膜(潤滑油)?；瘜W(xué)吸附－先形成物理吸附膜，然后在界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成化學(xué)吸附。,（3）固體表面之間的吸附,當(dāng)兩固體表面之間接近到表面力作用的范圍內(nèi)(即原子間距范圍內(nèi))時(shí)，固體表面之間產(chǎn)生吸附作用。,上一頁,下一頁,21,固體對固體的吸附特點(diǎn)：,a.兩種不同物質(zhì)間的

15、粘附功往往超過其中較 弱的那種物質(zhì)的內(nèi)聚力。b.表面的污染會使粘附功大大減小，而這種 污染往往是非常迅速的(Fe在水銀中斷裂)。C.固體的吸附作用只有當(dāng)固體斷面很小,并且 很清潔時(shí)才能表現(xiàn)出來。,上一頁,下一頁,22,(4)吸附對材料力學(xué)性能的影響 －萊賓杰爾效應(yīng),萊賓杰爾效應(yīng)是指因環(huán)境介質(zhì)的影響及表面自由能減少導(dǎo)致固體表面強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

16、 萊賓杰爾效應(yīng)的本質(zhì)：是金屬表面對活性介質(zhì)的吸附，使表面原子的不飽和鍵得到補(bǔ)償，表面能降低，改變了表面原子間的相互作用，使金屬的表面強(qiáng)度降低。,上一頁,下一頁,23,萊賓杰爾效應(yīng)具有以下特點(diǎn):,環(huán)境介質(zhì)的影響有明顯的化學(xué)特征，即并非任何液體金屬都會改變某一固體的金屬性能，只有對該固體表面具有活性的液體金屬才有這種效果。(如水銀降低鋅的強(qiáng)度和塑性，但對鎘無影響)溶解和腐蝕需要大量的介質(zhì)，而萊賓杰爾效應(yīng)只需少量的

17、活性物質(zhì)即可導(dǎo)致金屬的脆性破壞。萊賓杰爾效應(yīng)的影響可逆，即從固體表面去除活性物質(zhì)后，其表面機(jī)械性能一般可以恢復(fù)。萊賓杰爾效應(yīng)需要拉應(yīng)力和表面活性物質(zhì)同時(shí)作用才能出現(xiàn)。,上一頁,下一頁,萊賓杰爾效應(yīng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用及危害,一方面可利用此效應(yīng)提高金屬加工（壓力加工、切削、磨削等）效率，大量節(jié)約能源(易熔金屬作金剛砂輪的填料)。另一方面，應(yīng)注意避免因此效應(yīng)所造成的材料早期破壞(由于金屬釬焊和焊接、軸承熔化，用液體金屬作潤滑劑、原子反應(yīng)堆、

18、火箭裝置、內(nèi)燃機(jī)等均有這種接觸)。要減少其危害，應(yīng)選用敏感性小的材料或低活性的熔融物。在某些情況下，金屬經(jīng)過表面處理，如涂覆結(jié)合牢固的氧化物、碳化物和氮化物層等等，可保證固體金屬件不被熔融物浸潤，從而阻止吸附引起的強(qiáng)度降低。,24,上一頁,下一頁,25,2.1.7 固體表面的潤濕,液體在固體表面上鋪展的現(xiàn)象，稱為潤濕。,上一頁,下一頁,當(dāng)θ90º時(shí)，稱為不潤濕。θ角越大，潤濕性越不好，液體越不容易在固體表面上鋪展開，并越容易收

19、縮至圓球狀。 當(dāng)θ=0º和180º時(shí)，則相應(yīng)的稱為完全潤濕和完全不潤濕。,圖2.4 材料表面的潤濕現(xiàn)象,26,2.2 材料磨損原理及耐磨性,2.2.1 固體材料的摩擦與磨損（1）摩擦摩擦—兩個(gè)相互接觸物體在外力作用下發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的阻力。,上一頁,下一頁,潤濕理論在表面工程技術(shù)上的應(yīng)用主要是調(diào)整潤濕角。比如加入表面活性物質(zhì)，可使θ減小，潤濕程度增大；反之，加入表面惰性物質(zhì)，可使θ增大，潤濕程度降低。

20、,27,干摩擦－又稱無潤滑摩擦，它是指在大氣條件下，摩擦表面之間沒有潤滑劑存在時(shí)的摩擦。邊界潤滑摩擦－是指摩擦表面間有一層極薄的潤滑膜存在時(shí)的摩擦。流體潤滑摩擦－是指相對運(yùn)動的兩物體表面完全被流體隔開時(shí)的摩擦。流體可以是氣體或液體。當(dāng)為液體時(shí)稱為液體摩擦；為氣體時(shí)稱為氣體摩擦。滾動摩擦－是指在力矩作用下，物體沿接觸表面滾動時(shí)產(chǎn)生的摩擦。,上一頁,下一頁,28,摩擦過程的溫度效應(yīng),金屬在互相摩擦過程中，由于產(chǎn)生塑性變形，將消耗很大的

21、能量，這些能量至少有90％轉(zhuǎn)變成熱，如果這些熱量保留在金屬表層，則產(chǎn)生相當(dāng)高的瞬時(shí)溫度，這種影響稱為摩擦過程的溫度效應(yīng)。如果溫度高于相變點(diǎn)，則會引起表層組織的相變。如果低于相變溫度則會引起回火軟化、發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶等現(xiàn)象。,上一頁,下一頁,29,（2）磨損,磨損—是指物體相對運(yùn)動時(shí)相對運(yùn)動表面的物質(zhì)不斷損失，產(chǎn)生殘余變形或其它損傷的現(xiàn)象。,,磨損的三個(gè)階段：跑合階段（也稱磨合階段）－開始運(yùn)行時(shí)，原始的、新的摩擦副表面具有一定的粗糙度

22、，真實(shí)接觸面積較小。經(jīng)過短時(shí)間跑合后，表面微凸體逐漸磨平，真實(shí)接觸面積逐漸增大，磨損速率減慢且趨于穩(wěn)定。 穩(wěn)定磨損階段－屬于正常磨損，磨損比較緩慢和穩(wěn)定。,上一頁,下一頁,30,劇烈磨損階段－磨損表面狀態(tài)發(fā)生變化或因存在著硬顆粒，使磨損速率急劇增長。這時(shí)機(jī)械效率下降，還有可能產(chǎn)生異常噪聲或振動，摩擦副溫度迅速升高，導(dǎo)致零件失效甚至機(jī)器損壞。 磨損分類(按磨損機(jī)理)：粘著磨損－是指相互接觸表面上的微凸體不斷地形成

23、粘著結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)斷裂并形成磨屑而導(dǎo)致摩擦表面破壞的過程。,上一頁,下一頁,特點(diǎn)—沿滑動方向有程度不同的磨損痕跡，方向很明顯。粘著磨損時(shí)的物質(zhì)轉(zhuǎn)移可以由摩擦產(chǎn)生，也可以由焊合產(chǎn)生。,31,原因—當(dāng)摩擦界面強(qiáng)烈的粘著超過較軟金屬的臨界剪切應(yīng)力，便產(chǎn)生局部滑移帶，反復(fù)運(yùn)動的結(jié)果使滑移帶處出現(xiàn)開裂，進(jìn)而發(fā)生翹起。翹起部位經(jīng)過多次反復(fù)摩擦，最后被剪斷，產(chǎn)生磨粒導(dǎo)致磨損。,上一頁,下一頁,32,磨粒磨損－是指硬的顆?；蛴驳耐黄鹞镌谀Σ吝^程中引起物體界

24、面材料脫落的現(xiàn)象。,原因—當(dāng)磨粒與塑性材料表面接觸時(shí)，主要發(fā)生以顯微切削和顯微犁溝塑性變形為主的磨損；當(dāng)磨粒和脆性材料表面接觸時(shí)，主要發(fā)生以表面斷裂為主的磨損。材料的去除通常是塑性變形機(jī)制和斷裂機(jī)制綜合作用的結(jié)果。,影響磨粒磨損過程的因素除與磨粒的特性(磨粒的硬度、形狀和粒度)有關(guān)外，還受到材料的力學(xué)性能與微觀組織的影響以及工況和環(huán)境條件的影響。材料耐磨粒磨損性能主要決定于硬度，但耐磨性與硬度之間沒有單值對應(yīng)關(guān)系。,上一頁,下一頁,33

25、,疲勞磨損－由于交變應(yīng)力使表面材料疲勞而產(chǎn)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)移。有時(shí)也稱為接觸疲勞。,上一頁,下一頁,原因—一是認(rèn)為裂紋從接觸表面層下最大切應(yīng)力處產(chǎn)生，因此處的塑性變形最為劇烈，在載荷反復(fù)作用下首先出現(xiàn)裂紋，并沿最大切應(yīng)力方向擴(kuò)展到表面，形成疲勞磨損。 二是認(rèn)為裂紋首先從表面產(chǎn)生，表層材料受到反復(fù)作用的接觸應(yīng)力引起塑性變形，導(dǎo)致表面硬化而產(chǎn)生初始裂紋，并且由表及里逐漸深入，最后擴(kuò)展到一定的深度裂紋折斷，形成痘斑狀凹坑。,特點(diǎn)— 一般

26、出現(xiàn)在滾動接觸的機(jī)械零件表面，如滾動軸承、齒輪、車輪和軋輥等。,34,腐蝕磨損－是指摩擦表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成腐蝕產(chǎn)物，進(jìn)一步摩擦后這些腐蝕產(chǎn)物會被磨去，如此重復(fù)所造成的材料損傷。,上一頁,下一頁,腐蝕磨損的類型： a.氧化磨損，即在磨損過程中的化學(xué)反應(yīng)是以氧化或氧化作用占優(yōu)勢的一種磨損形式。 b.特殊介質(zhì)腐蝕磨損，即摩擦副金屬與除氧以外的如酸、堿、鹽等各種介質(zhì)發(fā)生作用，生成各種產(chǎn)物，又在摩擦過程中不斷去

27、除。,35,c.微動磨損，當(dāng)兩個(gè)承載件的相互接觸表面經(jīng)歷相對往復(fù)切向振動時(shí)，由于振動或循環(huán)應(yīng)力的作用而導(dǎo)致的微動損傷。,,上一頁,下一頁,特點(diǎn)--是一種復(fù)合形式的磨損，粘著磨損、腐蝕磨損和磨粒磨損同時(shí)存在。但起主要作用的是表面間粘結(jié)點(diǎn)處因外界微動而引起的氧化過程。原因－當(dāng)相互接觸表面之間的一定壓力使表面凸峰粘著，粘結(jié)點(diǎn)因外界小振幅振動而不斷地被剪切氧化產(chǎn)生Fe2O3磨屑，粘著點(diǎn)被破壞。這些磨屑又起到磨粒的作用，在接觸表面產(chǎn)生磨粒磨損，

28、以致磨損區(qū)不斷擴(kuò)大，最后引起接觸表面完全破壞。,36,沖蝕磨損－指粒子沖擊材料表面造成材料的破壞(“粒子”是廣義的，它包括固體、液滴和氣泡) (水輪機(jī)葉片和汽輪機(jī)末級葉片)。,上一頁,下一頁,原因： 對于延性材料粒子猶如一把微型刀具，當(dāng)其劃過材料表面時(shí)，便把材料切除而產(chǎn)生磨損。 對于塑性很低的脆性材料，在粒子沖擊下幾乎不產(chǎn)生塑性變形，發(fā)生沖蝕磨損是因?yàn)榱Ｗ拥臎_擊使材料表面存在缺陷的地方產(chǎn)生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展而形成碎片剝落

29、。,37,2.2.2 提高零件耐磨性的途徑,（1）工程結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)（2）預(yù)測、分析零件磨損機(jī)理，選擇合適的 耐磨材料 （3）材料表面耐磨與減摩處理,,上一頁,下一頁,38,2.3 金屬腐蝕原理與防護(hù)技術(shù),2.3.1 化學(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕原理,上一頁,下一頁,化學(xué)腐蝕 化學(xué)腐蝕是指金屬表面與非電解質(zhì)直接發(fā)生純化學(xué)作用而引起的破壞。,特點(diǎn)：金屬表面的原子與非電解質(zhì)中的氧化劑直接發(fā)

30、生氧化還原反應(yīng)，形成腐蝕產(chǎn)物。腐蝕過程中電子的傳遞是在金屬與氧化劑之間直接進(jìn)行的，沒有電流產(chǎn)生。 金屬在無水的有機(jī)液體和氣體中以及在干燥氣體中的腐蝕均屬于化學(xué)腐蝕。,39,特點(diǎn)：在腐蝕過程中同時(shí)存在兩個(gè)相對獨(dú)立的反應(yīng)過程－陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)。在反應(yīng)過程中伴有電流產(chǎn)生。,上一頁,下一頁,電化學(xué)腐蝕 電化學(xué)腐蝕是指金屬表面與電解質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞。,40,電化學(xué)腐蝕原理腐蝕原電池的構(gòu)成 陽極反應(yīng)：

31、 Zn→Zn2+＋2e 陰極反應(yīng)： 2H++2e→2H 2H→H2↑ 整個(gè)電極反應(yīng)： Zn＋ 2H+→Zn2+＋H2↑銅鋅電池接通后，鋅片溶解，電子沿導(dǎo)線流向銅片，在銅片上方有氫氣逸出。,圖2.5 銅鋅原電池,41,短路原電池將銅和鋅兩塊金屬直接接觸并浸入稀硫酸中，也將構(gòu)成腐蝕電池。 特點(diǎn)：原電池的兩極短路不經(jīng)過負(fù)載，兩極間的電位差為零。 作為陽極的金屬材料被氧化而溶解腐蝕掉。,圖

32、2.6 腐蝕原電池,上一頁,下一頁,42,一種金屬或合金形成的腐蝕微電池 碳鋼在酸中的腐蝕：陽極 Fe→Fe2+＋2e陰極 2H++2e→H2↑腐蝕電池和丹尼爾電池的區(qū)別在于：腐蝕電池是一種短路電池，不能將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能，氧化還原反應(yīng)所釋放出來的化學(xué)能全部以熱能方式散發(fā)，而不能轉(zhuǎn)化為電功。腐蝕電池只能導(dǎo)致金屬的腐蝕。,圖2.7 腐蝕微電池,上一頁,下一頁,43,陽極過程：金屬溶解以離子形式進(jìn)入溶液中，并把等量電子留在

33、金屬上;電子轉(zhuǎn)移過程：電子通過電路從陽極移動到陰極；陰極過程：溶液中的氧化劑接受從陽極流過來的電子后本身被還原。,金屬的電化學(xué)腐蝕實(shí)質(zhì)上是短路電池中電偶電池作用的結(jié)果。,腐蝕電池工作的基本過程：,44,金屬腐蝕速度的表示法,（1）失重法和增重法,,,（2）深度法,,（3）容量法,,(g/m2?h),(cm3/cm2·h),(mm/a),45,2.3.2 金屬表面的極化、鈍化及活化,金屬表面的極化現(xiàn)象,,圖2.9 原電池接通

34、前后電極電位的變化,圖2.8 Cu-Zn原電池,上一頁,下一頁,46,圖2.10 典型極化曲線,a) 陰極極化曲線 b) 陽極極化曲線,當(dāng)電極上有凈電流通過時(shí)，電極電位顯著偏離了未通電時(shí)的開路電位(平衡電位或非平衡的穩(wěn)態(tài)電位)，這種現(xiàn)象叫做電極的極化。,47,曲線的傾斜程度表示極化程度，叫做極化度。曲線越陡，極化程度就越大，表示電極過程受阻滯程度越大，腐蝕進(jìn)行越困難。金屬在活化狀態(tài)下，陽極極化程度不大，陽極極化曲線較

35、為平坦。如果金屬發(fā)生鈍化，則陽極極化曲線很陡，極化程度很大。,上一頁,下一頁,48,極化機(jī)理,（1）電化學(xué)極化 電化學(xué)極化是指因電極上的電化學(xué)反應(yīng)速度小于電子運(yùn)動速度而造成的極化。,（2）濃差極化 濃差極化是指因溶液中的物質(zhì)擴(kuò)散速度小于電化學(xué)反應(yīng)速度而造成的極化。,（3）電阻極化 電阻極化是指因在電極表面形成了具有保護(hù)作用的氧化膜、鈍化膜或不溶性的腐蝕產(chǎn)物等而導(dǎo)致的極化。,上一頁,下一頁,49,陽極極化可減

36、緩金屬腐蝕 陽極去極化—加快陽極過程－加速金屬腐蝕攪拌溶液，加速金屬離子的擴(kuò)散；加入活化離子(如Cl-)，消除陽極鈍化等，都可加速陽極去極化過程。,上一頁,下一頁,50,金屬表面的鈍化現(xiàn)象,由于金屬表面狀態(tài)的改變引起金屬表面活性的突然變化，使表面反應(yīng)速度急劇降低的現(xiàn)象，稱為鈍化。,圖2.11 純Fe溶解速度與硝酸濃度的關(guān)系,上一頁,下一頁,51,除Fe外，金屬Al、Cr、Nb、Co、Mo、Ti、W等也具有這種鈍化現(xiàn)象。 除濃硝酸

37、外，其他強(qiáng)氧化劑如硝酸鉀、重鉻酸鉀、高錳酸鉀、硝酸銀、氯酸鉀等也能引起一些金屬的鈍化。金屬與鈍化劑間自然作用而產(chǎn)生的鈍化現(xiàn)象稱為自然鈍化或化學(xué)鈍化。 如果外接電源(控制電位法)，金屬陽極將發(fā)生活化－鈍化的變化。,上一頁,下一頁,52,2.12 可鈍化金屬的典型陽極極化曲線,53,AB段：此區(qū)間是金屬的活性溶解區(qū)，金屬以低價(jià)的形式溶解為離子，溶解速度受活化極化控制。BC段：B點(diǎn)的電位稱為初始鈍化電位Epp(致鈍

38、電位)，對應(yīng)的電流稱為臨界電流密度ipp(致鈍電流密度)。當(dāng)電流密度一旦超過ipp，電位大于Epp，金屬就開始鈍化，電流密度急劇下降。此階段金屬處于活化－鈍化過渡區(qū)，在金屬表面可能生成二到三價(jià)的過渡氧化物。CD段：電位達(dá)到C點(diǎn)后，金屬轉(zhuǎn)入完全鈍態(tài)，C點(diǎn)的電位稱為初始穩(wěn)態(tài)鈍化電位Ep,對應(yīng)的電流密度稱為維鈍電流密度ip。此階段金屬處于穩(wěn)定鈍化區(qū),在金屬表面可能生成耐蝕性好的高價(jià)氧化膜。,上一頁,下一頁,54,DE段：電位超過D點(diǎn)，電流密

39、度又開始增大。D點(diǎn)的電位稱為過鈍電位Etp。DE段稱為過鈍化區(qū)，在此區(qū)段內(nèi)電流密度又增大的原因是金屬表面形成了可溶性的高價(jià)金屬離子所致。EF段：為析氧區(qū)，F(xiàn)點(diǎn)是氧的析出電位，電流密度的繼續(xù)增大是由于氧的析出反應(yīng)動力學(xué)造成的。由此得出：外加電流可促使某些金屬發(fā)生陽極鈍化，如果將金屬的電位控制在穩(wěn)定的鈍化區(qū)內(nèi)，就可防止金屬發(fā)生活性溶解或過鈍化溶解，使金屬得到保護(hù)。,上一頁,下一頁,55,金屬鈍化是一種界面現(xiàn)象，它沒有改變金屬本體的性能。

40、只是使金屬表面在介質(zhì)中的穩(wěn)定性發(fā)生了變化。（1）成膜理論 當(dāng)金屬陽極溶解時(shí)，可在金屬表面生成一層完整致密的固體產(chǎn)物薄膜。這種固相膜層把金屬表面與介質(zhì)隔離開來，阻礙陽極過程的進(jìn)行，導(dǎo)致金屬溶解速度大大降低，使金屬轉(zhuǎn)入鈍態(tài)。,鈍化理論,上一頁,下一頁,56,（2）吸附理論 金屬鈍化并不需要表面生成固相的成相膜，而只要在金屬表面的一部分生成氧或含氧粒子的吸附層就足夠了。一旦這些粒子吸附在金屬表面上就改變了金屬－

41、溶液界面的結(jié)構(gòu)，并使陽極的活化能顯著提高而產(chǎn)生鈍化。,金屬表面的原子－離子價(jià)鍵處于未飽和狀態(tài)，含氧粒子易于吸附在金屬表面，使表面的價(jià)鍵飽和，改變金屬／溶液界面結(jié)構(gòu)。提高陽極反應(yīng)的活化能，致使金屬同腐蝕介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)能力顯著降低。由于氧吸附層在形成過程中不斷地把原來吸附在金屬表面的H2O分子層排擠掉，降低了金屬離子的離子化過程。,上一頁,下一頁,57,（3）兩種理論的比較共同點(diǎn)－金屬表面生成的鈍化膜阻礙金屬的溶解。 不同點(diǎn)－吸附理

42、論認(rèn)為，只要形成單分子層的二維膜就能導(dǎo)致金屬產(chǎn)生鈍化；成相膜理論認(rèn)為，要使金屬得到保護(hù)不溶解，至少要形成幾個(gè)分子層厚的三維膜，最初形成的單分子吸附膜只能輕微降低金屬的溶解，增厚的成相膜才能達(dá)到完全鈍化。,上一頁,下一頁,58,金屬表面的活化,（1）金屬表面凈化 處理方法：氫氣還原、機(jī)械拋光、噴砂、酸洗等去除金屬表面氧化膜，消除金屬表面的鈍態(tài)。加熱或抽真空減少金屬表面的吸附，提高金屬表面的化學(xué)活性。,上一頁,下一頁,59,（2）

43、增加金屬表面的化學(xué)活性區(qū) 處理方法:用噴砂等機(jī)械手段增加金屬表面缺陷，使化學(xué)活性區(qū)增多，實(shí)現(xiàn)金屬表面活化。用離子轟擊使金屬表面凈化并增加化學(xué)活性區(qū)，達(dá)到活化效果。,上一頁,下一頁,60,2.3.3 腐蝕的主要形式,按腐蝕形態(tài)：全面腐蝕和局部腐蝕兩大類。,,(1) 全面腐蝕 腐蝕分布于整個(gè)金屬表面。特點(diǎn)-腐蝕電池的陰、陽極面積非常小，微陰極和微陽極的位置是變幻不定的。腐蝕結(jié)果使金屬變薄。 原因-整個(gè)金屬表面在溶液

44、中處于活化狀態(tài)，各點(diǎn)隨時(shí)間有能量起伏，能量高處為陽極，能量低處為陰極，因而腐蝕分布于金屬整個(gè)表面。,上一頁,下一頁,61,,(2) 局部腐蝕 腐蝕僅局限或集中在金屬的某一特定部位。特點(diǎn)-陽極和陰極區(qū)截然分開，腐蝕電池中的陽極溶解反應(yīng)和陰極區(qū)腐蝕劑的還原反應(yīng)在不同區(qū)域發(fā)生。,上一頁,下一頁,62,a）電偶腐蝕,當(dāng)兩種電極電位不同的金屬或合金相接觸并放入電解質(zhì)溶液中時(shí)，產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕稱為電偶腐蝕或雙金屬腐蝕，也叫接觸腐蝕。 電

45、偶腐蝕機(jī)理 是兩種金屬或合金的電位差提供了電偶效應(yīng)的動力。電極電位高的被保護(hù)，電極電位低的被腐蝕。,上一頁,下一頁,63,影響因素：,面積效應(yīng)。電偶腐蝕率與陰、陽極相的面積比有關(guān)。增加陽極面積可以降低腐蝕率。 環(huán)境因素。在一定的環(huán)境中耐蝕性較低的金屬是電偶的陽極，在不同的環(huán)境中同一電偶的電位會出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，從而改變材料的極性。,上一頁,下一頁,例如，鋼和鋅偶合后在一些水溶液中鋅被腐蝕，鋼得到了保護(hù)。若水溫較高(80℃

46、以上)時(shí)，電偶的極性就會逆轉(zhuǎn)，鋼成為陽極而被腐蝕。,64,盡量避免異種金屬材料直接接觸。避免大陰極和小陽極的不利面積效應(yīng)。對螺釘、螺帽、焊接點(diǎn)等應(yīng)采用比基體穩(wěn)定的材料；或采用犧牲陽極保護(hù)法，接上比兩接觸金屬更不耐蝕的第三塊金屬。隔絕或消除陰極去極化劑。因?yàn)镺2和H+是腐蝕體系中進(jìn)行陰極過程所不可缺少的，減少這類物質(zhì)（溶解O2和H+）有利于陰極極化，較好地防止電偶腐蝕。,防止措施：,上一頁,下一頁,65,（b）點(diǎn)蝕,點(diǎn)蝕是指在點(diǎn)或孔穴

47、處小面積上的腐蝕。,點(diǎn)蝕產(chǎn)生的條件：點(diǎn)蝕的發(fā)生需在某一臨界電位以上，該電位稱作點(diǎn)蝕電位(或稱擊穿電位)。點(diǎn)蝕一般發(fā)生在表面有鈍化膜或有保護(hù)膜的金屬上。且處于Cl-、Br-、S-、O-、S2O3-、I-、ClO3-過氯酸鹽等環(huán)境中。,2.13 金屬點(diǎn)蝕照片,上一頁,下一頁,66,點(diǎn)蝕產(chǎn)生的原因：,當(dāng)金屬或合金材料表面鈍化膜有機(jī)械裂縫、擦傷、露頭位錯(cuò)，或內(nèi)部有硫化物夾雜，晶界上有碳化物沉淀等缺陷造成膜的厚薄不勻時(shí)，缺陷處易顯露基體金屬，

48、形成活性一鈍性腐蝕電池。 在基體金屬上鍍陰極性鍍層(如鋼上鍍鉻、鍍銀、鍍錫、鍍銅等)時(shí)，當(dāng)這些鍍層上某點(diǎn)發(fā)生破壞，破壞區(qū)下的金屬基體與鍍層未破壞區(qū)形成電偶腐蝕電池，這種大陰極小陽極狀態(tài)使腐蝕迅速向深處發(fā)展，以致形成孔穴。,上一頁,下一頁,67,點(diǎn)蝕機(jī)理：,由于處在鈍態(tài)的金屬仍有一定的反應(yīng)能力，鈍化膜的溶解和修復(fù)(再鈍化)處于動態(tài)平衡狀態(tài)，因而當(dāng)介質(zhì)中存在活性陰離子(尤其是Cl-)時(shí)，平衡即被破壞，使溶解占優(yōu)勢。蝕核的形成：在金屬表面

49、氯離子和氧競相吸附時(shí)，氧的吸附點(diǎn)被氯離子取代后，使氯離子有一定幾率和氧化膜中的陽離子形成可溶性氯化物，促使金屬溶解，在新露出的金屬特定點(diǎn)上生成小蝕坑成為點(diǎn)蝕核。蝕核的長大：當(dāng)蝕核長到一定的臨界尺寸(一般孔徑大于30μm)時(shí)，出現(xiàn)宏觀蝕坑。 點(diǎn)蝕機(jī)理實(shí)質(zhì)上就是以氧化物破壞區(qū)域?yàn)殛枠O，未破壞區(qū)域?yàn)殛帢O，構(gòu)成腐蝕電池的破壞形式。,上一頁,下一頁,68,從選材入手，加入合適的抗點(diǎn)蝕的合金元素，如不銹鋼中增加Cr、Mo、Nb、Ni等

50、的含量，提高點(diǎn)蝕電位，降低點(diǎn)蝕速度。提高合金的均勻性，減少有害元素的含量，如不銹鋼中降低硫化物夾雜，降低碳含量。選擇合適的熱處理制度，如對鋁合金應(yīng)避免在500℃左右退火，因?yàn)樵谶@種條件下得到的沉淀相增多?？刂骗h(huán)境因素，降低介質(zhì)中鹵素離子的含量(如Cl-和Br-)。,防止措施：,上一頁,下一頁,69,對循環(huán)體系，可加入緩蝕劑。對緩蝕劑的要求是，增加鈍化膜的穩(wěn)定性或有利于受損的鈍化膜得以再鈍化。例如在0.1的NaCl溶液中加如0.4g

51、/L-0.5g/L的NaNO2，可以完全抑制OCrNi9不銹鋼的孔蝕；或在10%FeCl3溶液中加入3% NaNO2，也可長期防止1Cr18Ni9Ti的孔蝕。當(dāng)沒有加入NaNO2時(shí)，觀察到幾個(gè)小時(shí)后就發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，但NaNO2這類緩蝕劑屬于氧化性腐蝕劑，必須保證其添加量。 降低介質(zhì)的溫度和增加介質(zhì)的流速，也可減緩孔蝕的發(fā)生。 用陽極保護(hù)法抑制孔蝕。把金屬的極化電位控制在臨界孔蝕電位以下。,如果金屬材料表面的某一部分與另一固體的表面

52、形成縫隙(一般在0.025~0.1mm范圍內(nèi))，不論另一固體是同種金屬還是異種金屬，或其它非金屬材料，處于縫隙中的金屬表面就會遭受嚴(yán)重的腐蝕破壞，這種金屬腐蝕破壞稱為縫隙腐蝕。,70,（c）縫隙腐蝕,幾乎所有的金屬、所有的腐蝕性介質(zhì)都有可能引起金屬的縫隙腐蝕，其中以依賴鈍化而耐蝕的金屬材料和以含Cl-的溶液最易發(fā)生此類腐蝕。,71,,當(dāng)縫隙腐蝕起源于點(diǎn)蝕時(shí)，是由于Cl-濃度增高，使鈍化金屬的點(diǎn)蝕電位降低；一旦腐蝕電位超過點(diǎn)蝕電位，縫隙內(nèi)

53、金屬鈍化膜就會發(fā)生破裂。當(dāng)金屬表面存在縫隙時(shí)，由于內(nèi)部易于存留腐蝕溶液，使縫隙內(nèi)溶液中與腐蝕有關(guān)的物質(zhì)(如氧或某些腐蝕性物質(zhì))遷移困難，造成腐蝕溶液中的金屬離子和溶解氣體在縫隙內(nèi)外濃度不均勻，形成濃差電池所致(同一種金屬的不同部位所接觸的介質(zhì)濃度不同而形成的電池)。,縫隙腐蝕機(jī)理,72,縫隙腐蝕初期：陽極溶解M→Mn+ + ne陰極還原O2 + 2H2O + 4e→4OH-,2.14 縫隙腐蝕機(jī)理示意圖,上述反應(yīng)均勻出現(xiàn)在整個(gè)

54、金屬表面上，但縫隙內(nèi)的O2很快耗盡。氧要擴(kuò)散到縫隙深處很難，于是縫隙內(nèi)的陰極反應(yīng)中止，使縫隙內(nèi)金屬表面和縫隙外自由暴露表面之間組成宏觀電池－氧濃差電池。,上一頁,下一頁,73,腐蝕發(fā)展階段：缺乏氧的區(qū)域(縫隙內(nèi))電勢較低為陽極區(qū)，氧易到達(dá)的區(qū)域(縫隙外)電勢較高為陰極區(qū)。結(jié)果縫隙內(nèi)金屬溶解，金屬陽離子不斷增多，吸引縫隙外的負(fù)離子(如Cl-)移向縫隙內(nèi)，以維持電荷平衡。所生成的金屬氯化物在水中水解成不溶的金屬氫氧化物和游離酸：

55、 水解反應(yīng) M+Cl-+H2O→MOH↓+ H+Cl-其結(jié)果使縫隙內(nèi)PH值下降，腐蝕產(chǎn)物在縫口堆積，由此形成了閉塞電池。(是指由于特殊的幾何形狀使腐蝕產(chǎn)物在縫隙、蝕坑或裂紋出口處堆積，造成通道閉塞，限制了腐蝕介質(zhì)的擴(kuò)散，使腔內(nèi)的介質(zhì)組分、濃度和PH值與整體介質(zhì)有很大差異，造成閉塞電池腐蝕)。,上一頁,下一頁,74,閉塞電池的形成標(biāo)志腐蝕進(jìn)入了發(fā)展階段，金屬氯化物的水解使縫隙內(nèi)介質(zhì)酸化，加速了陽極溶解。陽極的加速

56、溶解又引起更多的Cl-遷入，氯化物的濃度又增加，氯化物的水解又使介質(zhì)的酸性增強(qiáng)。于是形成了一個(gè)自催化過程，使縫內(nèi)金屬的溶解速度加速進(jìn)行下去。,綜上所述，氧濃差電池的形成，對腐蝕的開始起促進(jìn)作用。但蝕坑的加深和擴(kuò)展是從閉塞電池開始的。酸化自催化是造成腐蝕加速進(jìn)行的根本原因。換言之，只有氧濃差而沒有自催化，不致于構(gòu)成嚴(yán)重的縫隙腐蝕。,因此，是Cl-離子和低PH值共同加速了縫隙腐蝕。由于縫內(nèi)金屬溶解速度的增加，也使相應(yīng)縫外鄰近表面的陰極極化過

57、程（氧的還原反應(yīng)）速度增加，從而保護(hù)了外部表面。,75,縫隙腐蝕與孔蝕的區(qū)別,從腐蝕發(fā)生的條件看，孔蝕起源于金屬表面的孔蝕核，縫隙腐蝕起源于金屬表面的極小縫隙。前者必須在含有活性陰離子的介質(zhì)中才會發(fā)生，后者即使在不含活性陰離子的介質(zhì)中也能發(fā)生。 從腐蝕過程來看，孔蝕是通過腐蝕逐漸形成電偶電池，然后才加速腐蝕的。而縫隙腐蝕由于先有縫隙，腐蝕一旦開始，就很快形成閉塞電池而加速腐蝕。前者閉塞程度較大，后者閉塞程度較小。 從發(fā)生腐蝕的電位看

58、，縫隙腐蝕的電位低于孔蝕電位，縫隙腐蝕較孔蝕容易。 從腐蝕形態(tài)看，孔蝕的蝕坑窄而深，縫隙腐蝕的相對寬而淺。,76,防止措施：,設(shè)計(jì)要合理，盡量避免縫隙結(jié)構(gòu)和液體滯留區(qū)。 焊接比鉚接或螺釘連結(jié)好。 螺釘接合結(jié)構(gòu)中可采用低硫橡膠墊片，不吸水的墊片(聚四氟乙烯)，或在接合面上涂以環(huán)氧、聚胺酯或硅橡膠密封膏，或涂有緩蝕劑的油漆，以保護(hù)連接處。,如果縫隙難以避免時(shí)，則采用陰極保護(hù)。選用耐縫隙腐蝕的材料。一般Cr、Mo含量高的合金以

59、及Cu-Zn等合金，抗縫隙腐蝕性較好。 采用高濃度緩蝕劑法防止縫隙腐蝕。,上一頁,下一頁,77,（d）晶間腐蝕,晶間腐蝕是一種由微電池作用而引起的局部破壞現(xiàn)象，是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著材料的晶界產(chǎn)生的腐蝕。,圖2.15 00Cr25Ni20Nb晶間腐蝕照片,晶間腐蝕特征：,從表面開始，沿晶界向內(nèi)部發(fā)展，直至成為潰瘍性腐蝕，整個(gè)金屬強(qiáng)度幾乎完全喪失。,上一頁,下一頁,78,晶間腐蝕原因,晶界處合金元素貧乏化(18-8不銹鋼析出

60、 Cr23C6)。晶界析出不耐蝕的陽極相(Al-Si析出Mg2Si)。雜質(zhì)或溶質(zhì)原子在晶界區(qū)偏析(鋁中含有少量鐵)。晶界處相鄰晶粒間的晶向不同，且富集大量的位錯(cuò)和空位。造成晶界處較正常晶體組織松散的過渡性組織。新相析出或轉(zhuǎn)變，造成晶界處具有較大內(nèi)應(yīng)力。,晶間腐蝕產(chǎn)生的條件,晶界的物理化學(xué)狀態(tài)與晶粒不同。 特定的環(huán)境因素，如潮濕大氣、電解質(zhì)溶液、過熱水蒸氣、高溫水或熔融金屬等。,79,防止措施：,煉鋼時(shí)減少含碳量，增加Ti和Nb

61、的含量；采用表面工程技術(shù)使不銹鋼表面與腐蝕介質(zhì)隔離。,晶間腐蝕作用機(jī)制 當(dāng)晶界行為因某些原因而受到強(qiáng)烈影響時(shí)，晶界就會變得非?；顫姡捎诰Ы缧袨榘l(fā)生變化造成晶界、晶界附近和晶粒之間很大的電化學(xué)不均勻性，一旦遇到合適的腐蝕介質(zhì)，這種電化學(xué)不均勻性就會引起金屬晶界和晶粒本體的不等速溶解，引起晶間腐蝕。,,采取正確的熱處理制度(對奧氏體不銹鋼采用固溶處理＋穩(wěn)定化處理)； 固溶處理：將鋼加熱至1050-1150℃，使碳化物充分溶

62、解，然后水冷，獲得單相奧氏體組織。 穩(wěn)定化處理：主要用于含Nb或Ti的鋼，一般在固溶處理后進(jìn)行。將鋼加熱到850-880 ℃，使鉻的碳化物完全溶解，而鈦等的碳化物不會溶解，然后緩慢冷卻，讓溶于奧氏體的碳化鈦充分析出，于是碳幾乎全部形成碳化鈦，不太可能形成碳化鉻，因而可有效阻止晶間腐蝕的產(chǎn)生。,80,81,(5) 應(yīng)力腐蝕斷裂,應(yīng)力腐蝕斷裂是指金屬結(jié)構(gòu)在拉伸應(yīng)力和腐蝕環(huán)境的共同作用下引起的破壞。,圖2.16 0Cr18Ni5Mo3Si

63、2鋼應(yīng)力腐蝕裂紋形貌示意圖,上一頁,下一頁,82,產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂的條件：,特定環(huán)境(指介質(zhì)成分、濃度、雜質(zhì)和溫度)。足夠大的拉伸應(yīng)力(超過某極限值)。拉伸應(yīng)力來源于： a.金屬構(gòu)件在制備過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力； b.工作時(shí)產(chǎn)生的外應(yīng)力和使用中所承受的載荷； C.由體積效應(yīng)(腐蝕產(chǎn)物的體積往往大于其金屬的體積)而造成的不均勻應(yīng)力。 特定的合金(奧氏體不銹鋼、銅合金、鈦合金及高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度鋁合金和低碳鋼等)和組織(包括晶

64、粒大小、晶粒取向、形態(tài)、相結(jié)構(gòu)、各類缺陷、加工狀態(tài)等)。,83,應(yīng)力腐蝕斷裂機(jī)理：,陽極溶解理論認(rèn)為在已有陽極溶解的活化通道上，腐蝕沿這些途徑優(yōu)先進(jìn)行，而應(yīng)力又使之張開，協(xié)同地加速金屬的破壞。應(yīng)力腐蝕過程一般分為三個(gè)階段：第一階段為孕育期，金屬或合金表面缺陷部位或薄弱點(diǎn)由于電位比其他部位低，成為活性點(diǎn)，形成裂紋核心。如果材料表面已有劃痕、小孔或縫隙處存在，它們就是現(xiàn)成的裂紋核心。 材料表面的裂紋核心，在特定介質(zhì)和拉應(yīng)力的聯(lián)合

65、作用下，產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致表面鈍化膜破裂，新裸露的金屬表面相對于鈍化表面的電位變負(fù)，形成一個(gè)小陽極，以較大的腐蝕電流迅速溶解成為蝕坑。蝕坑沿著滑移線與拉應(yīng)力垂直的方向擴(kuò)展，完成了裂紋的孕育期。,第二階段為腐蝕裂紋發(fā)展期，微觀裂紋形成后，裂紋尖端的應(yīng)力集中，使其附近區(qū)域屈服變形，微觀滑移再次破壞尖端表面膜，使尖端又一次加速溶解。這一過程連續(xù)交替進(jìn)行，裂紋便不斷向深處發(fā)展。第三階段為材料的破壞，隨著裂紋擴(kuò)展階段的進(jìn)行，拉應(yīng)力逐漸增大，由于

66、拉應(yīng)力的局部集中，裂紋急劇生長導(dǎo)致腐蝕斷裂。,84,上一頁,下一頁,85,防止措施：,降低或消除應(yīng)力改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免或減少局部應(yīng)力集中。消除應(yīng)力處理，如退火對焊接件尤為重要。按照斷裂力學(xué)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)使用條件確定構(gòu)件允許的臨界裂紋尺寸。,上一頁,下一頁,控制環(huán)境 改善使用條件?？刂骗h(huán)境溫度，減少工件內(nèi)外 溫差，避免反復(fù)加熱、冷卻，可防止熱應(yīng)力帶來的危害。,86,改善材質(zhì)正確選材。碳鋼對應(yīng)力腐蝕的敏感性低(換熱器)。開發(fā)

67、耐應(yīng)力腐蝕的新材料。采用保護(hù)涂層。使用有機(jī)涂層可使材料表面與環(huán)境隔離，或使用對環(huán)境不敏感的金屬作為敏感材料的鍍層，以減少材料的應(yīng)力腐蝕敏感性。冶煉和熱處理工藝。采用冶金新工藝，減少材料中的雜質(zhì)，提高純度；通過熱處理改變組織，消除有害物質(zhì)偏析、減少材料應(yīng)力腐蝕敏感性。,上一頁,下一頁,加入緩蝕劑。通過改變電位、阻止氫的侵入或有 害物質(zhì)的吸附等起到緩蝕作用。 電化學(xué)保護(hù)?？赏ㄟ^控制電位進(jìn)行陽極或陰極保護(hù)。,87,（6）腐蝕疲勞斷裂,

68、腐蝕疲勞斷裂是指在腐蝕與循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用下所引起的破壞。,上一頁,下一頁,腐蝕疲勞造成的事故： 英國北海油田基蘭德號鉆井平臺因腐蝕疲勞開裂造成123人死亡； 波蘭747波音飛機(jī)也因腐蝕疲勞斷裂使機(jī)組人員全部喪生。,88,腐蝕疲勞斷裂機(jī)理,滑移帶優(yōu)先溶解理論認(rèn)為由于交變應(yīng)力的作用，使晶內(nèi)產(chǎn)生的駐留滑移帶在晶界擠入擠出，破壞了原有晶體結(jié)構(gòu)，滑移帶上的高位錯(cuò)密度或雜質(zhì)沉積形成了電化學(xué)不均勻性，促使其優(yōu)先腐蝕，產(chǎn)生腐蝕疲勞裂紋

69、源。應(yīng)變部分的金屬為陽極，未應(yīng)變的金屬為陰極，在交變應(yīng)力作用下，不斷地促進(jìn)裂紋擴(kuò)展直至開裂。,上一頁,下一頁,89,吸附電化學(xué)理論，認(rèn)為在交變應(yīng)力作用下，由于滑移所生成的顯微凹坑和表面處位錯(cuò)的堆積產(chǎn)生微裂紋。腐蝕介質(zhì)的作用使金屬表面發(fā)生了表面活性粒子的吸附，在微裂紋中產(chǎn)生楔入作用。這種活性組分的楔入吸附引起金屬強(qiáng)度降低，在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生吸附疲勞。 若腐蝕過程形成氫，氫容易擴(kuò)散滲入金屬，在特定條件下氫可導(dǎo)致疲勞，在塑性變形時(shí)氫