腐蝕環境金屬彈簧失效分析

腐蝕環境金屬彈簧失效分析(上)
1　腐蝕失效的分類
金屬是最重要的工業材料。但是,金屬在外界環境影響下常遭受化學和電化學的作用而引起腐蝕失效。從熱力學的觀點來看,除少數的貴金屬(如金、鉑)外,各種金屬都有與周圍介質發生作用而轉變成離子的傾向。也就是說,金屬受腐蝕是自然趨勢。因此,腐蝕失效現象是普遍存在的,鋼鐵結構在大氣中生銹,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。據統計,1998年美國因腐蝕帶來的經濟損失高達2760億美元,占美國GDP的3%以上。世界航空業因腐蝕原因造成的民航飛機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。
由于材料表面與環境介質發生化學或電化學反應而引起的材料的破壞或變質稱為材料的腐蝕。腐蝕的分類方法很多,以下是兩種常見的分類方法。
1.1　按腐蝕機理分類
(1)化學腐蝕　金屬表面與周圍介質發生化學作用而引起的破壞,其特點是在作用過程中沒有電流產生。金屬在干燥氣體中的腐蝕,金屬在非電解質中的腐蝕都屬于化學腐蝕。
(2)電化學腐蝕　金屬表面與周圍介質發生電化學作用而引起的破壞。其特點是介質中有能導電的電解質溶液存在,腐蝕過程中有電流產生。這類腐蝕最普遍,包括:大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、電解質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生的相對均勻的腐蝕,例如鋁合金在堿性溶液里發生的腐蝕。這類腐蝕容易分析和進行壽命預測,容易防護。
(2)局部腐蝕　腐蝕主要局限于微小區域中。局部腐蝕的腐蝕速度通常比均勻腐蝕大幾個數量級,而且難以發現,可能導致災難性失效,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:點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕、晶間腐蝕、選擇性腐蝕、磨損腐蝕、應力腐蝕、氫損傷和腐蝕疲勞。
還可以按腐蝕環境分類,如前所述的海水腐蝕、土壤腐蝕、大氣腐蝕、電解質溶液腐蝕、熔融鹽腐蝕,以及生物腐蝕、非電解質溶液的腐蝕、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,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,有人稱為全面腐蝕(GeneralCorrosion),當然“全面”應該指被暴露的面。均勻腐蝕是最常見的、也是最簡單的一種腐蝕形態。耐候鋼、鎂合金、鋅合金和銅合金常發生均勻腐蝕,而鈍化金屬如不銹鋼、鋁合金或鎳2鉻合金則通常發生局部腐蝕,鋁合金在堿溶液中會發生均勻腐蝕。發生均勻腐蝕的金屬在化學成分、顯微組織和受力狀況方面在宏觀尺度上是均勻的。腐蝕介質通常也是均勻的,而且可以無障礙地接觸金屬表面.彈簧
取決于腐蝕產物是附著在金屬表面還是脫離開金屬表面,發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,有時候需要通過截面金相來測定。因此金屬材料的厚度損失經常用來表征均勻腐蝕的程度。
2.2　點蝕
點蝕也是一種很常見的腐蝕形態,圖1是某型航空發動機不銹鋼葉片上的點蝕坑的剖面金相。這種形態的腐蝕通常發生在具有鈍性的或有保護膜的金屬上,而且環境的均勻腐蝕性相對較弱。點蝕難以發現,用常規的無損檢測手段也難以檢測,有時蝕孔的孔口被腐蝕產物覆蓋,僅表現為一點微小的銹紅色,很顯然,這種情況下彩色照片比黑白照片更能顯示蝕點。確認點蝕的方法是沿蝕孔深度方向制備金相磨片。沿縱深發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,而危險物品的泄漏可能引發災難性事故。蝕孔處的應力集中也可能導致斷裂,圖2所示是航空發動機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《點蝕的檢查和評價》對腐蝕損傷進行定量評估。點蝕的生長具有自催化能力,一旦開始生長,會加速生長。蝕孔內介質與外界的介質相比,氯化物濃縮,對蝕孔內進行成分分析,通常會發現明顯的氯存在。發生點蝕時,環境介質通常是靜止的。不銹鋼彈簧
鋼鐵、銅、鎂、不銹鋼、耐熱合金、鋁合金和鈦合金等在大多數含有氯離子的介質中都有可能發生點蝕。含有氧化性金屬陽離子的氯化物如三氯化鐵、氯化銅和氯化汞等屬于強烈的點蝕促進劑。
2.3　晶間腐蝕
晶間腐蝕是指晶界相或與之緊鄰的區域作為陽極優先溶解,而晶內很少或沒有腐蝕。發生晶界腐蝕后從材料的外觀上有可能看不出任何變化。確認晶間腐蝕的方法是金相檢驗,拋光后無需侵蝕即可看到因腐蝕變粗變黑的晶界(圖3)。發生晶間腐蝕的原因常常是在金屬的熱經歷中曾經在某一溫度段停留過一定時間,在此期間合金成分或雜質元素在晶界上富化或貧化,或者出現晶界析出物,使得晶界或晶界附近相對于晶內為陽極優先腐蝕,晶內為陰極。這種熱經歷稱為敏化。消除敏化的措施是進行所謂穩定化處理,讓晶界析出物重新溶解。焊接中焊縫兩側一定距離處的材料會正好處于敏化溫度范圍,接觸腐蝕介質后,會在這個平行于焊縫的狹長區域中發生晶間腐蝕,稱為焊縫腐蝕。構件發生晶界腐蝕后,很難用肉眼發現,但構件的強度已大大降低,在一個小載荷下就可能發生沿晶分離。
可能發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,含有常規碳含量(>0.04%)、且不含碳化物穩定元素鈦、鈮的不銹鋼對晶間腐蝕敏感,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———剝層腐蝕或簡稱剝蝕。當鋁合金被軋制、鍛壓或擠壓成型材時,彈簧廠,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。當晶間腐蝕沿著長度方向進行時,材料被一層一層地分離。腐蝕產物堆積在晶界上,如同在晶界上打入了無數的小楔子,使構件在厚度方向發生膨脹,因此,構件表面鼓包和鉚釘頭斷掉都是剝層腐蝕的癥狀。對剝蝕的確認方法仍然是金相檢驗。
3　應力腐蝕斷裂的失效分析
3.1　應力腐蝕的條件
應力腐蝕斷裂(簡稱SCC或應力腐蝕)是對SCC敏感的材料在環境和拉應力的同時作用下發生的脆性斷裂。這里特別強調共同作用,先受拉應力再去掉應力單純受腐蝕或先腐蝕后再去除腐蝕環境單純受拉應力所引起的破壞都不是應力腐蝕斷裂。應力腐蝕斷裂是一種亞臨界裂紋生長現象,分為裂紋萌生、裂紋亞臨界擴展和剩余截面最終過載斷裂三個階段。發生SCC時,環境的腐蝕性較弱,應力水平也低于材料的屈服強度,因此材料表面一般沒有明顯的腐蝕現象,材料也沒有塑性變形,加之SCC裂紋很纖細,很難被發現,從而易發生突發性的斷裂,造成災難性后果。工程實踐表明,SCC是很常見的同時也是很危險的一種斷裂失效模式。
發生SCC需要同時滿足兩個條件:
(1)拉伸應力　雖然有學者認為在壓應力作用下也能發生SCC,但是絕大多數SCC發生在拉應力作用下。應力可以來自工作載荷、冷加工或熱加工的殘余應力、裝配應力及腐蝕產物的楔力等。對于光滑試樣或工件存在一個SCC門限應力,對于預裂試樣或工件,存在一個SCC門限應力強度因子KⅠSCC,低于它們則不發生SCC。
(2)特定的材料/環境組合　SCC的一大特點是需要材料和環境的特定組合。表1列出了常見的能發生SCC的材料/環境組合。SCC通常只發生在合金上,純金屬很少發生。
航空渦輪發動機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、熔融態的氯化物或硫化物的腐蝕以及工作應力。在高溫、腐蝕介質和應力三者的共同作用下,可能發生熔融鹽的SCC。這一失效機理曾造成近年來某型發動機多次發生渦輪葉片斷裂。
3.2　應力腐蝕斷口的特征
SCC裂紋和斷口有一些獨特的特征,按宏觀和微觀分別歸納如下,所謂宏觀是指靠肉眼或光學放大的尺寸范圍內,微觀是指應用掃描電子顯微鏡進行觀察的尺寸范圍內。需要注意的是,這些特征只是多數SCC裂紋和斷口的一般規律,某些材料/環境組合發生SCC時,會有一些例外。
3.2.1　SCC的宏觀特征
由于SCC的發生需要腐蝕介質的參與,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生SCC時也是脆性的,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,導致很大的應力集中。許多SCC裂紋在宏觀上分叉,裂紋平面與主應力基本垂直。與疲勞斷裂相似,從裂紋亞臨界擴展區尺寸與過載瞬斷區尺寸的比例關系可以推測應力水平的高低。由于環境條件的變化或SCC/過載的交替進行,SCC斷口上會出現海灘花樣,應與疲勞區分開來。由于SCC斷口常常由于腐蝕或介質污染而變色,這為區分SCC與疲勞提供了一條途徑。
SCC主裂紋或主斷口附近常出現表面裂紋,這些表面裂紋基本平行于主斷口,其機理也是SCC。在主斷口上還會出現二次裂紋,圖6就是垂直于主斷口的剖面所看到的二次裂紋,仍然呈現分叉、沿晶的特點。因此精密彈簧,當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現SCC的特點。由于表面裂紋和二次裂紋沒有打開,不受試樣清洗的影響,裂縫里保存了在發生SCC時的介質成分,某些組分還可能被濃縮,因此,對裂縫里進行微區成分分析可以較好地了解當時介質的真實成分。
3.2.2　SCC的微觀特征
SCC裂(lie)紋(wen)在材料(liao)中的路(lu)徑有(you)沿(yan)晶,也(ye)有(you)穿晶,還(huan)有(you)混合的,取(qu)(qu)決于(yu)材料(liao)、熱處理和環(huan)境。鋁合金、低碳鋼(gang)、高強(qiang)鋼(gang)和α黃銅(tong)等(deng)(deng)材料(liao)的SCC斷(duan)口(kou)(kou)為沿(yan)晶的,而鎂合金和γ不(bu)(bu)銹鋼(gang)出現(xian)穿晶分(fen)(fen)(fen)叉的SCC裂(lie)紋(wen)。沿(yan)晶斷(duan)口(kou)(kou)常被輕微(wei)腐(fu)蝕(shi)(shi)或被少(shao)量腐(fu)蝕(shi)(shi)產物(wu)覆蓋(gai),以致(zhi)電鏡下沿(yan)晶小(xiao)刻面(mian)(mian)的平面(mian)(mian)不(bu)(bu)光滑、棱角不(bu)(bu)銳利(圖7),或者小(xiao)刻面(mian)(mian)上有(you)腐(fu)蝕(shi)(shi)坑,嚴重時小(xiao)刻面(mian)(mian)上有(you)腐(fu)蝕(shi)(shi)溝槽,即所謂(wei)“核桃紋(wen)”。用(yong)AC紙粘取(qu)(qu)斷(duan)口(kou)(kou)表面(mian)(mian)的附著物(wu)后(hou),可(ke)用(yong)電子(zi)探針、能(neng)譜(pu)或X射線熒(ying)光分(fen)(fen)(fen)析等(deng)(deng)進(jin)行成(cheng)分(fen)(fen)(fen)分(fen)(fen)(fen)析,從中獲取(qu)(qu)環(huan)境成(cheng)分(fen)(fen)(fen)信息。穿晶SCC的斷(duan)口(kou)(kou)呈(cheng)現(xian)解理花樣。由于(yu)腐(fu)蝕(shi)(shi),SCC斷(duan)口(kou)(kou)上有(you)時會出現(xian)“泥(ni)紋(wen)花樣”,這實(shi)際是腐(fu)蝕(shi)(shi)產物(wu)干燥后(hou)的龜(gui)裂(lie),應注意區分(fen)(fen)(fen)是斷(duan)裂(lie)后(hou)斷(duan)口(kou)(kou)的腐(fu)蝕(shi)(shi)還(huan)是在腐(fu)蝕(shi)(shi)和應力(li)共同(tong)作用(yong)下的斷(duan)裂(lie),后(hou)者才是SCC。